CN103064096B - 一种基于盲信号处理的北斗导航电文提取装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于盲信号处理的北斗导航电文提取装置和方法，包括：对输入的中频模拟信号进行采样得到数字中频信号；基于伪随机码周期对数字中频信号进行分段得到中频数据矩阵；对分段数字中频信号进行协方差估计得到协方差矩阵；对协方差矩阵进行奇异值分解得到最大奇异值以及对应的分解矩阵向量；基于分解矩阵向量和所述中频数据矩阵得到旋转因子；利用所述旋转因子，中频数据矩阵以及分解矩阵向量进行导航电文恢复得到北斗导航电文。本发明基于盲信号处理，相比较常规基于捕获、跟踪的电文提取方法和装置，算法复杂度低，不需得到北斗卫星信号中的初始码相位，甚至不需事先知道北斗伪随机码序列。

Description

一种基于盲信号处理的北斗导航电文提取装置和方法

技术领域

本发明涉及一种北斗卫星导航系统领域的技术，更具体的说，涉及一种能够在未知北斗卫星导航系统伪随机码情况下，提取北斗导航电文的装置和方法。

背景技术

全球导航卫星定位系统（GNSS）在过去几十年间在各个领域已经得到了广泛的应用。目前GNSS包括了美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、中国的北斗（Compass）以及欧盟的Galileo系统。作为中国自主研发的卫星导航系统，北斗系统将在市场中获得越来越重要的地位。使用北斗系统进行定位、授时等应用的一个必要步骤是提取北斗导航电文技术，因此如何有效提取北斗导航电文是当前北斗系统实用化必须解决的重要问题。

目前传统的北斗导航电文提取方案从GPS等其他GNSS系统电文提取方案发展而来，通过捕获和跟踪北斗信号得到北斗导航电文。为了提取北斗导航电文，北斗接收机需要捕获来自不同卫星的北斗信号，解调出北斗信号的导航电文。不同卫星的北斗信号具有不同的起始时间的伪随机码和不同的多普勒频移。因此，为了搜索某个卫星信号，北斗接收机通常进行二维搜索，在每个可能的多普勒频移上对每个起始时间不同的伪随机码进行搜索。接收机捕获到北斗卫星信号后将伪随机码的起始时间和多普勒频移输入至跟踪模块，跟踪模块能够实时跟踪载波和伪随机码变化，从而获取精确度伪随机码相移和多普勒频移以解调出北斗信号中包含的导航电文。

尽管传统方案能够有效提取北斗导航电文，但是北斗系统与其他GNSS系统的重要区别使得传统卫星导航技术并不是针对北斗系统最优。对于北斗GEO卫星，因为其轨道是相对地球静止的，其发射的北斗信号的载波多普勒只由接收机运动引起，因此在已知接收机速度的情况下，北斗信号的载波多普勒基本可以估算出来。这样传统基于捕获跟踪的方案的二维搜索将造成资源的不必要浪费。同时传统接跟踪模块中载波环路和伪随机码环路是基于反馈的环路，设计复杂，环路参数敏感，在复杂信号环境下经常失锁。

综上所述，急需一个有效方案来提高北斗导航电文提取效率，简化设计，使其获得更广泛的应用。该方案能克服传统方案三维搜索中资源浪费的缺点，能避开反馈环路设计中的复杂性和不稳定性，并且能够在未知北斗卫星导航系统伪随机码序列情况提取北斗导航电文。

发明内容

针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种基于盲信号处理的北斗导航电文的提取装置和方法。该装置和方法不需要事先知道北斗卫星导航系统的伪随机码，并能绕过捕获和跟踪等传统步骤，直接利用输入数据提取北斗导航电文，算法复杂度低，非常适用于软件接收机。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基于盲信号处理的北斗导航电文提取装置，该装置包括依次连接的中频采样模块、数据分段模块、协方差估计模块和奇异值分解模块，所述数据分段模块的输出端与所述奇异值分解模块的输出端均连接到一旋转因子计算模块和一导航电文恢复模块上，且，所述旋转因子计算模块的输出端连接到所述导航电文恢复模块上。

一种基于盲信号处理的北斗导航电文提取方法，采用上述的基于盲信号处理的北斗导航电文提取装置，包括步骤如下：

1）、所述中频采样模块接收输入模拟中频信号，利用模数转换装置对输入模拟中频信号进行模数转换采样，得到数字中频信号；

2）、所述数据分段模块将数字中频信号以北斗伪随机码序列周期为分段周期进行分段，得到分段后的数字中频信号，分段后的数字中频信号构成一个中频数据矩阵；

3）、所述协方差估计模块对中频数据矩阵进行协方差估计，得到协方差矩阵；

4）、所述奇异值分解模块对协方差矩阵进行奇异值分解，得到最大奇异值对应的分解矩阵向量，该向量用于旋转因子计算模块和导航电文恢复模块；

5）、所述旋转因子计算模块利用中频数据矩阵和分解矩阵向量计算出相邻两段分段中频信号的选择因子；

6）、所述导航电文恢复模块利用所述旋转因子，中频数据矩阵以及分解矩阵向量进行导航电文恢复得到北斗导航电文。

所述中频采样模块的采样率可调，采样数据位宽可调。

所述奇异值分解模块接收协方差矩阵作为输入，做奇异值分解，得到奇异值序列，将该奇异值序列进行降序排序，得到最大奇异值，并提取最大奇异值对应的分解矩阵向量。

所述旋转因子计算模块计算中频数据矩阵和分解矩阵的向量的内积，并作归一化，对得到的向量内积序列进行快速傅立叶变换，得到旋转因子。

所述导航电文提取模块利用旋转因子、数据矩阵和分解矩阵向量得到带有一定相角导航电文，通过分析带有一定相角导航电文的相角和模，得到只有符号模糊度的导航电文，进而通过导航电文的帧结构特性消除所得电文的符号模糊度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明利用盲信号处理技术，在未知北斗卫星导航系统伪随机码序列情况下仍能提取北斗卫星导航电文；

2、本发明避免传统接收机方案中占用很多空间和时间资源的捕获步骤，不需要已知每颗可见卫星信号的伪随机码起始时间和多普勒频移就能对北斗信号进行处理；

3、本发明绕开传统接收机方案中设计复杂的载波环路和伪随机码环路的跟踪步骤，实施复杂度降低，尤其适用于软件接收机设计。

附图说明

图1是本发明所述的基于盲信号处理的北斗导航电文提取装置的系统框图；

图2是本发明所述的基于盲信号处理的北斗导航电文提取方法的工作流程图；

图3是本发明装置中奇异值分解模块的工作流程图；

图4是本发明装置中旋转因子计算模块的工作流程图；

图5是本发明装置中导航电文恢复模块的工作流程图；

图6是本发明装置中要处理的北斗信号结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本发明所公开的一种基于盲信号处理的北斗导航电文提取装置，包括依次连接的中频采样模块102、数据分段模块104、协方差估计模块106和奇异值分解模块108，所述数据分段模块104的输出端与所述奇异值分解模块108的输出端均连接到一旋转因子计算模块110和一导航电文恢复模块112上，且，所述旋转因子计算模块110的输出端连接到所述导航电文恢复模块112上。

以下是本发明所公开的采用上述装置来对基于盲信号处理的北斗导航电文提取方法的详细解释和说明。

图2所示，中频采样模块102接收输入模拟中频信号y(t)，利用模数转换装置对输入模拟中频信号y(t)进行模数转换采样，得到数字中频信号y(t_o+KT_s)；数据分段模块104将数字中频信号y(t_o+KT_s)以北斗伪随机码序列周期为分段周期进行分段，得到分段后的数字中频信号，分段后的数字中频信号构成一个中频数据矩阵y_n；协方差估计模块106对中频数据矩阵y_n进行协方差估计，得到协方差矩阵R；奇异值分解模块108对协方差矩阵R进行奇异值分解，得到最大奇异值对应的分解矩阵向量v，该向量用于旋转因子计算模块和导航电文恢复模块；旋转因子计算模块110利用中频数据矩阵y_n和分解矩阵向量v计算出两段分段中频信号的旋转因子导航电文恢复模块112利用所述旋转因子中频数据矩阵y_n以及分解矩阵向量v进行导航电文恢复得到北斗导航电文s(t)。

异值分解模块108接收协方差矩阵R作为输入，做奇异值分解，得到奇异值序列；将该奇异值序列进行降序排序，得到最大奇异值，并提取最大奇异值对应的分解矩阵向量v。

旋转因子计算模块110计算中频数据矩阵y_n和分解矩阵向量v的内积，并作归一化：对得到的向量内积序列进行快速傅立叶变换，得到旋转因子

导航电文恢复模块112利用旋转因子中频数据矩阵y_n和分解矩阵向量v得到带有一定相角导航电文，通过分析带有一定相角导航电文的相角和模，得到只有符号模糊度的导航电文，进而通过导航电文的帧结构特性消除所得电文的符号模糊度，得到北斗导航电文s(t)。

以下是本发明一具体实施例：

根据北斗的信号规范，卫星信号结构如图5所示。对北斗信号通过正交接收并转换成中频信号后，中频信号（IQ两路信号组成的复数）表达式为：x(t)=e^j(ωt+φ)c(t)s(t)，其中φ是初始相位，ω是多普勒角频率，c(t)是从某个未知初始码相位开始的取值{±1}的扩频码序列，码片速率2.046Mcps，扩频码周期是1ms，s(t)是取值{±1}的导航电文。

实际接收的卫星信号信噪比极低，噪声功率是信号的10~500倍，即：y(t)=x(t)+u(t)，其中u(t)是噪声。

中频采样模块102接收的输入模拟中频信号（本实施例中频7.098MHz），利用模数转换装置以2.046MHz采样率对输入模拟中频信号采样，采样200ms，得到200X2046个数字中频信号{y(0),y(T_s),y(2T_s),y(3T_s),L}，并存储在存储介质，其中T_s=10^-6/2.046是采样间隔。

数据分段模块根据扩频码1ms的周期性将数字中频信号以1ms周期进行分段，得到分段后的数字中频信号，其中分段后的某段1ms中频数据可表示为

y_n=[y(2046nT_s)y(2046nT_s+T_s)L  y(2046nT_s+2045T_s)]^T，分段后的数字中频信号构成一个200行2046列的中频数据矩阵y_n，我们将y_n表示成信号与噪声叠加：y_n=x_n+u_n，u_n是对噪声采样构成的向量，满足：和其中I是单位阵，是噪声信号的方差。

如果信号片段x₀和x_m不包含导航电文跳变比特，则他们之间的关系是：其中 $x_0=\±e^{\mathrm{j\φ}}{\left[\begin{array}{cccc}c\left(0\right)& e^{{\mathrm{j\ωT}}_s}c\left(T_s\right)& L& e^{\mathrm{j\ω}2045T_s}c\left(2045T_s\right)\end{array}\right]}^T.$

协方差估计模块对中频数据矩阵按照式子进行协方差估计，得到协方差矩阵，协方差矩阵的大小为2046X2046。

如图3所示，奇异值分解模块对协方差矩阵进行奇异值分解，并将奇异值排序，分解结果为R=VΛV^H，其中V是酉阵，Λ是奇异值构成的对角阵对角元素由大到小排列，根据噪声的协方差特性以及噪声和信号不相关的特性，以及奇异值分解的特性，矩阵V的第一列v是得到最大奇异值对应的分解矩阵向量，该向量满足v=αx₀，其中α是某个（复）常数，用于旋转因子计算模块和导航电文恢复模块。

所图4所示，旋转因子计算模块计算频数据矩阵中每段1ms数据y_m和分解矩阵向量v的向量内积，并做归一化得到从而得到长度为200的内积序列根据噪声和信号不相关的特性，每个内积具有满足如下关系通过对内积序列的傅里叶变换就能够计算出旋转因子

如图5所示，导航电文恢复模块利用所述旋转因子中频数据矩阵y_m以及分解矩阵向量v计算式子得到第m毫秒具有一定相角和模电北斗导航电文，分析其相角和模，进行归一化，移除其相位模糊度，得到只有符号模糊度的北斗导航电文，具有符号模糊度的导航电文有可能跟真正的北斗导航电文相同或者相反，利用北斗导航电文已知的帧结构，消除符号模糊度，如果跟真正北斗导航电文相反则将电文符号取反，从而恢复得到北斗导航电文s(t)。

Claims (5)

1.一种基于盲信号处理的北斗导航电文提取装置，其特征在于，该装置包括依次连接的中频采样模块、数据分段模块、协方差估计模块和奇异值分解模块，所述数据分段模块的输出端与所述奇异值分解模块的输出端均连接到一旋转因子计算模块和一导航电文恢复模块上，且，所述旋转因子计算模块的输出端连接到所述导航电文恢复模块上；

所述中频采样模块，接收输入模拟中频信号，利用模数转换装置对输入模拟中频信号进行模数转换采样，得到数字中频信号；

所述数据分段模块，将数字中频信号以北斗伪随机码序列周期1ms为分段周期进行分段，得到分段后的数字中频信号ym，分段后的数字中频信号是信号xm与噪声um的叠加，分段后的数字中频信号构成一个中频数据矩阵；

所述协方差估计模块，对中频数据矩阵进行协方差估计，得到协方差矩阵；

所述奇异值分解模块，对协方差矩阵进行奇异值分解，得到奇异值序列，将该奇异值序列进行降序排序，得到最大奇异值对应的分解矩阵向量v，该向量和信号片段x₀满足关系v＝αx₀，其中α是某个复数或常数，该向量用于旋转因子计算模块和导航电文恢复模块；

所述旋转因子计算模块，计算中频数据矩阵中每段1ms数据y_m和分解矩阵向量v的向量内积，并做归一化得到并通过计算内积序列的傅立叶变换得到出相邻两段分段中频信号的旋转因子

所述导航电文恢复模块，利用所述旋转因子中频数据矩阵y_m以及分解矩阵向量v计算式子得到第m毫秒具有一定相角和模电北斗导航电文,对其进行归一化，移除其相位模糊度，得到只有符号模糊度的北斗导航电文，然后利用北斗导航电文已知的帧结构，消除符号模糊度，得到北斗导航电文s(t)。

2.一种基于盲信号处理的北斗导航电文提取方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的基于盲信号处理的北斗导航电文提取装置，包括步骤如下：

1)、所述中频采样模块接收输入模拟中频信号，利用模数转换装置对输入模拟中频信号进行模数转换采样，得到数字中频信号；

2)、所述数据分段模块将数字中频信号以北斗伪随机码序列周期1ms为分段周期进行分段，得到分段后的数字中频信号ym，分段后的数字中频信号是信号xm与噪声um的叠加，分段后的数字中频信号构成一个中频数据矩阵；

3)、所述协方差估计模块对中频数据矩阵进行协方差估计，得到协方差矩阵；

4)、所述奇异值分解模块对协方差矩阵进行奇异值分解，得到奇异值序列，将该奇异值序列进行降序排序，得到最大奇异值对应的分解矩阵向量v，该向量和信号片段x₀满足关系v＝αx₀，其中α是某个复数或常数，该向量用于旋转因子计算模块和导航电文恢复模块；

5)、所述旋转因子计算模块计算中频数据矩阵中每段1ms数据y_m和分解矩阵向量v的向量内积，并做归一化得到并通过计算内积序列的傅立叶变换得到出相邻两段分段中频信号的旋转因子

6)导航电文恢复模块利用所述旋转因子中频数据矩阵y_m以及分解矩阵向量v计算式子得到第m毫秒具有一定相角和模电北斗导航电文,对其进行归一化，移除其相位模糊度，得到只有符号模糊度的北斗导航电文，然后利用北斗导航电文已知的帧结构，消除符号模糊度，得到北斗导航电文s(t)。

3.根据权利要求2所述的基于盲信号处理的北斗导航电文提取方法，其特征在于，所述中频采样模块的采样率可调，采样数据位宽可调。

4.根据权利要求2所述的基于盲信号处理的北斗导航电文提取方法，其特征在于，所述旋转因子计算模块计算中频数据矩阵和分解矩阵的向量的内积，并作归一化，对得到的向量内积序列进行快速傅立叶变换，得到旋转因子。

5.根据权利要求2所述的基于盲信号处理的北斗导航电文提取方法，其特征在于，所述导航电文提取模块利用旋转因子、数据矩阵和分解矩阵向量得到带有一定相角导航电文，通过分析带有一定相角导航电文的相角和模，得到只有符号模糊度的导航电文，进而通过导航电文的帧结构特性消除所得电文的符号模糊度。