CN102928853B - 一种捕获北斗d1卫星导航系统弱信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法，包括：a.估计信号信噪比；b.利用信噪比设定信号检测门限值，判定强弱；c.选取NH二次编码序列，进行CA码相位、多普勒频率2维捕获处理；d.采取1ms相干积分，收集20个积分结果；e.选取第1种NH二次编码序列，与20个积分结果逐个相乘；f.非相干积分，存储结果；g.重复步骤c-d，直到20种NH二次编码遍历完毕；h.选取20种积分最大值，与设定信号检测门限值比较，得出定位卫星信号是否在接收信号中；i.存在，则定位；未发现信号，则更换多普勒频段，直到所有多普勒频段遍历完毕；j.更换卫星，重复步骤c～i。本发明能够剥离NH二次编码，获取较高积分增益，从而捕获北斗D1卫星导航系统弱信号。

Description

一种捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法

技术领域

本发明涉及北斗卫星导航系统中D1电文弱信号捕获的方法，特别是一种捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法。

背景技术

扩频通信技术在现代通信系统中得到了广泛的使用，特别是在卫星导航领域。中国自主研发的北斗卫星导航系统（以下简称北斗），其信号体制和美国的GPS系统、欧盟的伽利略系统类似。对于北斗系统，在高信噪比的场合（如室外开阔环境），可以比较容易的捕获成功卫星信号，得到码相位和载波频率等信息。但是在弱信号的场合，如室内、城市浓密树荫下的街道等环境，此时卫星信号载噪比往往会低于30dB-Hz甚至20dB-Hz以下，此时需要获取足够大的积分增益，以检测到卫星信号。传统的获取更高积分增益的方法，一般是通过增加相干积分时间、增加非相干积分次数及差分相干积分等方法。对于上述提到的三种方法可进行如下表述：

相干积分的最高峰值可以表示如下：

$P_{\mathrm{CC}}^N=\underset{m(i,j)}{\max }\left\{{\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}^{\left(n\right)}(i,j)\right|}^2\right\}$

非相干积分：

$P_{\mathrm{NCC}}^N=\underset{m(i,j)}{\max }\left\{\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|y^{\left(n\right)}(i,j)\right|}^2\right\}$

差分相干积分方法：

$P_{\mathrm{DCC}}^N=\underset{m(i,j)}{\max }\left\{\right\{\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[y^{(n-1)}{(i,j)]}^{*}{y}^{\left(n\right)}(i,j)\left|\right\}\}$

其中，N为循环伪随机码的周期数，i为随机码码相位，j为GPS信号的码相位，y为一个随机码周期的相关运算。

北斗D1电文的结构如图2所示，北斗B1频点I路信号格式与传统GPS L1频点信号格式的最核心区别为北斗D1电文调制中有NH二次编码（图3所示），其中，NH编码的码速率为1KHz，周期为20ms。传统GPS接收机中所使用的许多高灵敏捕获算法，如差分相干积分、半比特交替法等等，由于NH二次编码的影响，在北斗D1电文的捕获中无法使用。

在北斗D1电文处理过程中，上述三种方法的特点：

1）对相干积分：由于受晶振稳定度、卫星信号频率与接收机复现频率失配等方面影响，相干积分时间不易太长，最为主要的是，在北斗D1电文中，由于NH二次编码的存在，信号当前毫秒与下一毫秒信号上调制的NH二次编码码元可能会发生反转，这种特点使得传统的加长相干积分时间的做法失效；

2）非相干积分方法在求和前先取每1ms相关结果的绝对值，这可以减轻由于数据位变化引起的问题，但是，随着信噪比的降低，会导致过分的平方损失。这种方法也不合适使用弱信号环境中。

3）差分相干积分方法把两个相邻的相关结果乘起来，从公式3中可以看到，与非相干积分相比，这种方法可以在减少平方损失的情况下减轻位跳变问题。在上述参考文献中已经证明，这种方法在GPS信号存在频率偏移和衰落环境中要好于非相干积分。

但是以上2）、3）两种方法都是为了避免数据位跳变在积分期间引起的信噪比损失，虽然取得了一定的效果，但是还是比相干积分信噪比小。

发明内容

本发明针对北斗D1电文的结构特点，提出了一种能够剥离NH二次编码，以获取较高积分增益，从而捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法。

为达到以上目的，本发明时采取如下技术方案予以实现的。

一种捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法，包括下述步骤：

a.利用信噪比估计模块估计接收机接收到的信号的信噪比；

b.利用所估计到的信噪比设定信号的检测门限值，判定信号是否为强信号，如果信号为强信号，则转入强信号处理流程；如果判定为弱信号，转入下一步弱信号处理流程；

c.指定多普勒频率为0的频段作为初始捕获频段；对弱信号进行CA码相位、多普勒频率2维的联合捕获处理；

d.采取1ms的相干积分模式，并收集连续20个相干积分结果；

e.选取第1种NH二次编码序列，与该20个相干积分结果逐个相乘；

f.进行若干次非相干积分，并存储积分结果；

g.重复执行步骤d-f，直到全部20种NH二次编码假设情况遍历完毕；

h.选取所存储20种假设下的积分结果中的最大值，并通过一个比较器与设定的信号检测门限值比较判断，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中；

i.当发现存在定位所需要的卫星信号，则通过北斗接收机继续正常接收卫星信号，得到导航电文，从而定位；如果在当前频段下没有发现所需要的卫星信号，则进行更换当前卫星的多普勒频段，直到所有可能的多普勒频段遍历完毕；

j.更换卫星，重复步骤c～i。

进一步地，所述信号的检测门限值T_Acquisition为

$T_{\mathrm{Acquisition}}=\frac{S_{\mathrm{Noise}}}{C_{\mathrm{Ncs}}}\×P_{d\_\mathrm{Low}}$

其中，S_Noise为噪声平均功率，C_Ncs为执行非相干积分的次数，P_{d_Low}为指定的检测概率。

进一步地，所述选取NH二次编码的序列为，依次按顺序选取第1，2，3，……，20种NH二次编码的码元序列，并在对应第n种序列基础上，其中n=1、2、3，……,20，对弱信号进行CA码相位、多普勒频率2维的联合捕获处理，是按照下述步骤进行的：

1）以多普勒频率为0的频段作为初始捕获频段；

2）采取1ms的相干积分模式，进行CA码相位捕获处理；

3）收集连续20个相干积分结果；

4）选取第1种NH二次编码序列，与收集到的20个相干积分结果逐个相乘；

5）进行若干次非相干积分，并存储积分结果；

6）重新执行步骤2）——步骤5），步骤4）中NH二次编码序列依次选取第n种，其中，n=2,3,4，……，20，直至全部20种NH二次编码序列遍历完毕为止，并存储全部20种NH二次编码序列下的积分结果；

7）选取所存储20种积分结果中的最大值，并通过一个比较器与设定的信号检测门限值T_Acquisition进行比较，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中；

8）改变搜索的多普勒频段，执行步骤2）——步骤7）。

本发明根据北斗I路信号的特点，设计3维捕获算法，即CA码相位、多普勒频率和NH二次编码3维联合捕获算法，同时完成捕获及位同步过程，详见图4。

本发明与传统方法相比，利用上述方法进行3维联合捕获，可以解决在存在NH二次编码的情况下，获取较高的处理增益，满足弱信号情况下对信号的捕获。

附图说明

图1为本发明方法的步骤框图。

图2为传统GPS L1频点的信号格式特点示意图。

图3为本发明北斗2代I路信号格式特点示意图。

图4为本发明所示的3维联合捕获算法示意图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示，一种北斗D1卫星导航系统弱信号的方法，包括下述步骤：

a.利用信噪比估计模块估计接收机接收到信号的信噪比；

b.利用所估计到的信噪比设定信号的检测门限值其中，S_Noise为噪声平均功率，C_Ncs为执行非相干积分的次数，P_{d_High}为指定的强信号假设下的检测概率；

判定信号是否为强信号，如果信号为强信号，则转入强信号处理流程；如果判定为弱信号，转入弱信号处理流程；

c.以多普勒频率为0的频段作为第一个捕获频段；选取第一种NH二次编码的序列，对弱信号进行CA码相位、多普勒频率2维的联合捕获处理；

d.采取1ms的相干积分模式，进行CA码相位捕获处理；

相干积分方法：

$\mathrm{\τ}\left(j\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k\×\exp (-2\mathrm{\πi\ωt})\×{\mathrm{CA}}_{j-k}$

式中，τ(j)表示以1ms为基本积分单位的卷积运算，S_k为北斗信号在第k时刻的采样，CA_j-k为北斗CA码在第k时刻的码相位，N为循环伪随机码的码片总数（对北斗而已，N=2046），exp(-2πiωt)表示为消除北斗信号中频及其多普勒频率所补偿的本地载波；

连续20个相干积分结果可表示如下：

τ¹(j)，τ²(j)，……,τ²⁰(j)。

e.因为在初始捕获阶段，并不知道当前所处理的信号在一个导航比特中所处的位置，因此也就无法得知该段信号具体所对应的NH二次编码。根据NH二次编码的调制特点，该段信号所对应的NH二次编码共有20种可能。选取第n种NH二次编码序列（其中，n=1,2，……，20），与该20个相干积分结果逐个相乘，此处以n=1为例进行描述：

在此列出与20个相干积分结果逐个相乘的公式如下：

$S_{\mathrm{NH}20}=\underset{m=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{NH}\left(m\right)\×{\mathrm{\τ}}^m\left(j\right).$

式中，m表示20个NH二次编码中的第m个码元；

f.进行若干次非相干积分，并存储积积分结果；

非相干积分：

$P_{\mathrm{NCC}}=\underset{n=1}{\overset{N_{\mathrm{NCS}}}{\mathrm{\Σ}}}{\left|S_{\mathrm{NH}20}\right|}^2$

g.重复执行步骤d-f，直到全部20种NH二次编码假设情况遍历完毕；

h.选取所存储20种假设下的积分结果中的最大值，并通过一个比较器与设定的信号检测门限值比较判断，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中；

i.当发现存在定位所需要的卫星信号，则可以通过北斗接收机继续正常接收卫星信号，得到导航电文，从而定位；如果在当前频段下没有发现所需要的卫星信号，则进行更换当前卫星的多普勒频段，直到所有可能的多普勒频段遍历完毕；

j.更换卫星重复步骤c～i。

如图4所示，选取一种NH二次编码的序列，对弱信号进行CA码相位、多普勒频率2维的联合捕获处理，是按照下述步骤进行的：

1）以多普勒频率为0的频段作为捕获频段；

2）采取1ms的相干积分模式，在0频段基础上进行CA码相位捕获处理；

$\mathrm{\τ}\left(j\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{S}_k\×\exp (-2\mathrm{\πi\ωt})\×{\mathrm{CA}}_{j-k}$

其中，将本地载波中多普勒频率设置为0；

3）收集连续20个相干积分结果；

连续20个相干积分结果可表示如下：

τ¹(j)，τ²(j)，……,τ²⁰(j)；

4）选取第n种NH二次编码序列（其中，n=1,2，……，20），与该20个相干积分结果逐个相乘，此处以n=1为例进行描述：

即，在此种假设下，假定NH二次编码的码头恰好位于连续20ms的第1ms处，

$S_{\mathrm{NH}20}=\underset{m=1}{\overset{20}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{NH}\left(m\right)\×{\mathrm{\τ}}^m\left(j\right)$

式中，m表示20个NH二次编码中的第m个码元；

5)进行若干次非相干积分，并存储积分结果；

6）重新执行步骤2）——步骤5），步骤4）中NH二次编码序列依次选取第n种，其中，n=2,3,4，……，20，直至全部20种NH二次编码序列遍历完毕为止，并存储全部20种NH二次编码序列下的积分结果；

7）选取所存储20种积分结果中的最大值，并通过一个比较器与设定的信号检测门限值T_Acquisition进行比较，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中；

8）改变搜索的多普勒频段，执行步骤2）——步骤7）。

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何书须本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因为本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (3)

1.一种捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法，其特征在于，包括下述步骤：

a.利用信噪比估计模块估计接收机接收到的信号的信噪比；

b.利用所估计到的信噪比设定信号的检测门限值，判定信号是否为强信号，如果信号为强信号，则转入强信号处理流程；如果判定为弱信号，转入下一步弱信号处理流程；

c.指定多普勒频率为0的频段作为初始捕获频段；对弱信号进行CA码相位、多普勒频率2维的联合捕获处理；

d.采取1ms的相干积分模式，并收集连续20个相干积分结果；

e.选取第1种NH二次编码序列，与该20个相干积分结果逐个相乘；

f.进行若干次非相干积分，并存储积分结果；

g.重复执行步骤d-f，直到全部20种NH二次编码假设情况遍历完毕；

h.选取所存储20种假设下的积分结果中的最大值，并通过一个比较器与设定的信号检测门限值比较判断，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中；

i.当发现存在定位所需要的卫星信号，则通过北斗接收机继续正常接收卫星信号，得到导航电文，从而定位；如果在当前频段下没有发现所需要的卫星信号，则进行更换当前卫星的多普勒频段，直到所有可能的多普勒频段遍历完毕；

j.更换卫星，重复步骤c～i。

2.根据权利要求1所述的一种捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法，其特征在于，所述信号的检测门限值T_Acquisition表示为：

$T_{\mathrm{Acquisition}}=\frac{S_{\mathrm{Noise}}}{C_{\mathrm{Ncs}}}\×P_{d\_\mathrm{Low}}$

其中，S_Noise为噪声平均功率，C_Ncs为执行非相干积分的次数，P_{d_Low}为指定的检测概率。

3.根据权利要求1所述的一种捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法，其特征在于，所述选取NH二次编码的序列为，依次按顺序选取第1，2，3，……，20种NH二次编码的码元序列，并在对应第n种序列基础上，其中n=1、2、3，……,20，对弱信号进行CA码相位、多普勒频率2维的联合捕获处理，按照下述步骤进行：

1）以多普勒频率为0的频段作为初始捕获频段；

2）采取1ms的相干积分模式，进行CA码相位捕获处理；

3）收集连续20个相干积分结果；

4）选取第1种NH二次编码序列，与收集到的20个相干积分结果逐个相乘；

5）进行若干次非相干积分，并存储积分结果；

6）重新执行步骤2）——步骤5），步骤4）中NH二次编码序列依次选取第n种，其中，n=2,3,4，……，20，直至全部20种NH二次编码序列遍历完毕为止，并存储全部20种NH二次编码序列下的积分结果；

7）选取所存储20种积分结果中的最大值，并通过一个比较器与设定的信号检测门限值T_Acquisition进行比较，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中；

8）改变搜索的多普勒频段，执行步骤2）——步骤7）。

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