CN103616702B - 一种高灵敏度北斗卫星信号捕获方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种高灵敏度北斗卫星信号捕获方法，包括以下步骤：首先对I、Q两路m个单周期积分结果分别进行缓存，得到I、Q两路的单周期积分结果序列[I₁,...I_m]和[Q₁,...Q_m]。然后对序列中m个单周期积分结果可能存在的2^m‑1种相位组合分别进行相干积分，得到2^m‑1对积分支路。对I、Q两路相同相位积分支路的单周期积分结果求幅度，然后取其中的最大值作为一次多相位相干积分的结果。最后对n个多相位相干积分结果进行非相干累加。最后与门限比较，检测卫星信号。并且本发明还公开了一种使用该捕获方法的卫星信号捕获装置。本发明克服了单周期积分结果相位不同，无法直接相干积分的问题，具有更高的卫星信号捕获灵敏度。

Description

一种高灵敏度北斗卫星信号捕获方法和装置

技术领域

本发明涉及一种卫星信号的捕获方法，尤其涉及一种高灵敏度的北斗卫星信号的捕获方法和装置。

背景技术

卫星信号的捕获是输入的卫星信号与卫星导航接收机本地复现的扩频码进行相关运算（相关运算是指输入信号与本地信号相乘，然后积分或累加），然后根据扩频码的相关特性，检测累加结果是否出现峰值，从而检测卫星信号是否存在以及码相位位置。

当卫星信号较强时，采用1个扩频码周期的积分就可以检测到明显的相关峰值。当卫星信号较弱时，需要采用多个扩频码周期的积分，提高积分增益，才能检测到相关峰值。

多个扩频码周期的积分有相干积分和非相干积分两种方式。相干积分保持了信号的相位信息，所以在相干积分过程中需要保证多个扩频码周期的极性一致，因此相干积分的时间长度受到调制信号的限制。非相干积分不保持信号的相位信息，因此不受调制信号的影响，但是在输入信号较弱时，由于平方损失会降低非相干积分对提高增益的效果。所以检测较弱的卫星信号是需要较长的相干积分时间。

卫星导航接收机一般采用多个扩频码周期的相干积分再配合多次的非相干积分，然后将积分结果与门限比较。例如对于GPS的L1CA码卫星信号，扩频码周期是1毫秒，数据调制率为50bps，一个数据周期包含的连续20个扩频码周期极性一致，所以可以采用最大20ms的相干积分加上若干次的非相干积分。

对于北斗卫星导航系统BDS，由于信号调制体制的不同，无法实施上述传统的检测方法。北斗卫星在B1频率上播发两种导航信号，分别是D1信号和D2信号。

D1信号的扩频码周期为1毫秒，数据调制率为50bps。一个数据周期包括20个扩频码周期。另外D1信号上调制了NH码（Neumann Hoffman码），导致一个数据周期包含的20个扩频码的极性不同。D2信号扩频码周期为1毫秒，数据调制率为500bps。一个数据周期包括2个扩频码周期，在一个数据周期内的2个扩频码的极性相同。

对于BDS卫星D1信号，由于NH编码的存在，即使在同一调制数据周期内，连续的扩频码极性也不同。所以只能采用单扩频码周期的相干积分再加上多次非相干积分。较小的相干积分时间（单扩频码周期1毫秒），难以检测到弱信号，限制卫星导航接收机捕获北斗卫星信号的灵敏度。

因此，针对北斗卫星导航系统D1信号的扩频码极性不同，本领域的技术人员致力于开发一种在连续单扩频码周期相位不同的情况下，仍能进行多个扩频码周期的相干积分，并配合多次非相干积分的北斗卫星信号捕获方法和装置。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度北斗卫星信号的捕获方法和装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种高灵敏度北斗卫星信号捕获方法，其特征在于，包括：

步骤（401）输入输入信号；

步骤（402）将所述输入信号和本地载波信号进行混频，得到I路的基带信号和Q路的基带信号；

步骤（403）对所述I路的基带信号和所述Q路的基带信号分别进行扩频码调制和扩频码单周期积分；

步骤（404）对所述单周期积分的结果进行多相位相干积分，并对积分结果求幅度或功率；

步骤（405），对步骤（404）中求得的所述幅度或所述功率数据，共同进行非相干累加运算；

步骤（406），将非相干累加后的累加值与门限进行比较，检测并捕获卫星信号。

进一步地，所述输入信号是卫星导航接收机接收到的卫星信号经过射频放大、下变频和量化处理后的到的数字中频信号。

进一步地，所述步骤（402）中，所述本地载波信号与所述输入信号的相位相同，所述I路基带信号是所述输入信号与所述本地载波信号混频所得；所述Q路基带信号是所述输入信号与所述本地载波信号的正交信号混频所得。

进一步地，所述步骤（404）的对所述单周期积分的结果进行多相位相干积分，并对积分结果求幅度或功率，包括：

首先对所述I路和所述Q路的单扩频码周期积分的结果分别转换为并行输出若干个数据组，每一个数据组包含m个数据，所述I路的一个数据组为[I₁,......,I_m]，所述Q路的一个数据组为[Q₁,......,Q_m]；

然后分别对所述I路和所述Q路的每一个所述数据组进行多相位相干积分，每一个数据组经过多相位相干积分后得到k种不同的相位组，k=2^m-1；

最后对k种不同的所述相位组求幅度和功率，得到k个数据。

进一步地，所述m是根据卫星信号或具体设计改变的。

一种使用本发明的捕获方法的卫星信号捕获装置，其特征在于，包括本地载波发生器（102）、本地码发生器（103）、若干乘法器、积分器（104a）和积分器（104b）、以及捕获检测模块（106）；

本地载波发生器（102）用于产生与输入信号同相位的本地载波，所述本地码发生器用于产生本地扩频码；所述捕获检测模块用于捕获卫星信号；

输入信号分为I路和Q路信号进入所述捕获装置，所述I路输入信号和所述本地载波发生器（102）的输出信号接入到所述乘法器（108a）中，所述乘法器（108a）的输出端和所述本地码发生器（103）的输出端与所述乘法器（109a）连接，所述乘法器（107a）与所述捕获检测模块（106）通过所述积分器（104a）连接；所述Q路输入信号与所述本地载波发生器（102）经过90度相移后的输出信号接入到所述乘法器（108b）中，所述乘法器（108b）的输出端与所述本地码发生器（103）的输出端与所述乘法器（109b）连接，所述乘法器（109b）与所述捕获检测模块（106）通过所述积分器（104b）连接。

进一步地，所述输入信号是卫星导航接收机接收到的卫星信号经过射频放大、下变频和量化处理后的到的数字中频信号。

进一步地，所述捕获检测模块（106）包括缓存器（301a）、缓冲器（301b）、多相位相干积分器（302a）、多相位相干积分器（302b）、求幅度模块（308）、求取最大值模块（310）、比较检测模块（305）和非相干累加模块（304）；

所述捕获检测模块（106）的两个输入端分别与所述缓存器（301a）和所述缓冲器（301b）连接；所述缓存器（301a）的输出端输出到所述多相位相干积分器（302a）的输入端，所述多相位相干积分器（302a）的输出端输出到若干所述求幅度模块（308）；所述缓存器（301b）的输出端输出到所述多相位相干积分器（302b），所述多相位相干积分器（302b）的输出端与若干所述求幅度模块（308）连接；若干所述幅度模块（308）的输出端与所述最大值模块（310）的输入端连接，所述最大值模块（310）的输出端与所述非相干累加模块（304）输入端连接；所述非相干累加模块（304）的输出端与所述比较检测模块（305）的输入端连接，所述比较检测模块（305）的输出端输出的信号即为捕获的卫星信号。

进一步地，所述缓冲器（301a）和所述缓存区（301b）的缓存空间为m。

进一步地，所述m是根据卫星信号或具体设计改变的。

本发明的高灵敏度北斗卫星信号捕获方法和装置首先对输入中频数字信号进行下变频和单个周期的扩频码的解扩，得到I、Q两路的单个码周期的积分结果。对I、Q两路m个单周期积分结果分别进行缓存，得到I、Q两路的单周期积分结果序列[I₁,......,I_m]和[Q₁,......,Q_m]。然后对序列中m个单周期积分结果可能存在的2^m-1种相位组合分别进行相干积分，得到2^m-1对积分支路。对I、Q两路相同相位积分支路的单周期积分结果求幅度，然后取其中的最大值作为一次多相位相干积分的结果。最后对n个多相位相干积分结果进行非相干累加。最后与门限比较，检测卫星信号。

本发明的优点是：在无任何辅助信息情况下，可对存在NH码调制的北斗卫星D1导航信号进行多周期的相干积分，相比传统的单周期相干积分检测方法，具有更高的捕获灵敏度。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一种高灵敏度北斗卫星系统捕获方法的流程图；

图2是本发明的北斗卫星信号捕获装置的结构图；

图3是本发明的北斗卫星信号捕获装置的捕获检测模块的结构图；

图4是北斗卫星导航系统D1信号采用传统相干节分的结构图；

图5是本发明的北斗卫星信号捕获方法和装置中m=3时，多相位相干积分的结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案前提下进行实施，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，本发明的北斗卫星信号捕获方法按照如下步骤进行捕获：

步骤401，输入输入信号，将卫星导航接收机接收到的卫星信号经过射频放大、下变频和量化处理后得到的数字中频信号做为输入信号。

步骤402，通过本地载波信号对输入信号进行混频，得到I路基带信号和Q路基带信号：将与输入信号相位相同的本地载波信号与输入信号进行混频，得到I路的基带信号；将本地载波信号进行90°相移后（即本地载波信号的正交信号）与输入信号进行混频，得到Q路的基带信号。其中，I路基带信号与输入信号同相，Q路基带信号与输入信号的相位不同。

步骤403，对I路基带信号和Q路基带信号分别进行扩频码调制和单扩频码周期的积分。

步骤404，对I路和Q路的单周期积分的结果进行多相位相干积分，并对积分结果求幅度或功率：先对I路和Q路的单扩频码周期积分的结果分别转换为并行输出若干个数据组，每一个数据组包含m个数据，m是根据卫星信号或具体设计改变的，I路的一个数据组为[I₁,......,I_m]，Q路的一个数据组为[Q₁,......,Q_m]；然后分别对I路和Q路的每一个数据组进行多相位相干积分，每一个数据组经过多相位相干积分后得到2^m个不同的相位组合，由于对互为相反的极性组合求幅度或功率的结果一样，所以只需要计算k种不同的相位组，k=2^m-1；最后对k种不同的相位组求幅度和功率，得到k个数据。

步骤405，对I路和Q路计算得到的k个幅度或功率数据，共同进行非相干累加运算。

步骤406，将非相干累加后的累加值与门限进行比较，检测并捕获卫星信号。

进一步地，本发明还提供了一种北斗卫星信号捕获装置，具体如图2所示。包括：本地载波发生器102、本地码发生器103、积分器104a和104b、乘法器108a、108b、109a和109b、以及捕获检测模块106。

输入信号分为I路和Q路信号进入捕获装置，I路输入信号和本地载波发生器102的输出信号接入到乘法器108a中，乘法器108a的输出端和本地码发生器103的输出端与乘法器109a连接，乘法器108a与捕获检测模块106通过积分器104a连接；Q路输入信号与本地载波发生器102经过90度相移后的输出信号接入到乘法器108b中，乘法器108b的输出端和本地码发生器103的输出端与乘法器109b连接，乘法器109b与捕获检测模块106通过积分器104b连接。

首先输入信号101是经过卫星导航接收机天线、射频放大、下变频、量化后输出的数字中频信号，本地载波产生器102生成本地中频载波同相信号，同时经过90°相移后产生正交信号。本地中频载波同相、正交信号分别与输入信号101进行混频，得到I、Q两路的基带信号。

本地码产生器103产生本地扩频码，分别与的I、Q两路基带信号相乘。积分器104a、104b分别对相乘的结果进行一个扩频码周期的积分（北斗卫星D1信号扩频码周期1毫秒），得到I、Q两路的单周期积分结果Ims105a、Qms105b。

最后捕获检测模块106对I、Q两路的单周期积分结果105a、105b进行相干、非相干或其他处理后，检测是否存在卫星信号。当本地载波产生器102产生的本地载波的频率与输入卫星信号101频率相同，本地码产生器103产生的扩频码与输入卫星信号扩频码对齐时，在单周期积分结果105a会出现峰值，从而实现对卫星信号的捕获。

进一步的，如图3所示，捕获检测模块106包括缓存器301a和301b、多相位相干积分器302a和302b、求幅度模块308、求取最大值模块310和非相干累加模块304。

捕获检测模块106的两个输入端分别与缓存器301a和缓冲器301b连接；缓存器301a的输出端输出到多相位相干积分器302a的输入端，多相位相干积分器302a的输出端输出到若干求幅度模块308；缓存器301b的输出端输出到多相位相干积分器302b，多相位相干积分器302b的输出端与若干求幅度模块308连接；若干幅度模块308的输出端与最大值模块310的输入端连接，最大值模块310的输出端与非相干累加模块304输入端连接；非相干累加模块304的输出端与比较检测模块305的输入端连接，比较检测模块305的输出端输出的信号即为捕获的卫星信号。

首先使用缓存器301a对I路单周期积分结果105a进行缓存，缓冲器301b对Q路单周期积分结果105b进行缓存；并且缓存器301a和301b将串行输入数据变成并行输出，缓存器301a和301b的缓存空间为m，填满m个数据后并行输出，然后等下次填满输出。缓存器301a、301b的输出为306a[I₁,......,I_m]、301b的输出为306b[Q₁,......,Q_m]。其中m是可变参数，可根据设计取不同的值，如3、5、10等。

多相位相干积分器302a、302b对I、Q两路的两个缓存序列306a、306b分别进行多相位的相干积分。m个单周期积分结果作为多相位相干积分的输入，则总共有2m种不同的相位组合，考虑到互为相反的极性组合通过后续求幅度模块308后结果是一样的，则只需要计算和考虑k种不同的相位组输出，其中k=2^m-1。以I路数据、m=3为例，原本有2³=8个不同的相位组合：

CI₁=I₁+I₂+I₃;CI₅=-I₁-I₂-I₃；

CI₂=I₁+I₂-I₃;CI₆=-I₁-I₂+I₃；

CI₃=I₁-I₂+I₃;CI₇=-I₁+I₂-I₃；

CI₄=I₁-I₂-I₃;CI₈=-I₁+I₂+I₃。

其中两两分为一组，互为相反值，

CI₅=-I₁-I₂-I₃=-(I₁+I₂+I₃)=-CI₁；

CI₆=-I₁-I₂+I₃=-(I₁+I₂-I₃)=-CI₂；

CI₇=-I₁+I₂-I₃=-(I₁-I₂+I₃)=-CI₃；

CI₈=-I₁+I₂+I₃=-(I₁-I₂-I₃)=-CI₄。

两个相反值经过后续求幅度模块308后，结果是相同的，所以只需要计算并考虑k=2^3-1=4中不同的相位组合输出结果：

CI₁=I₁+I₂+I₃；

CI₂=I₁+I₂-I₃；

CI₃=I₁-I₂+I₃；

CI₄=I₁-I₂-I₃。

多相位相干积分后，得到I、Q两路多相位相干积分结果序列307a[CI₁,CI₂,...,CI_k]、307b[CQ₁,CQ₂,...,CQ_k]。上述两个序列中的相同相位I、Q结果分别经过求幅度模块308后，得到多相位相干积分幅度值309[P₁,P₂,...,P_k]，以m=3，k=4为例：

$P_1=\sqrt{{\left({\mathrm{CI}}_1\right)}^2+{\left({\mathrm{CQ}}_1\right)}^2}$

$P_2=\sqrt{{\left({\mathrm{CI}}_2\right)}^2+{\left({\mathrm{CQ}}_2\right)}^2}$

$P_3=\sqrt{{\left({\mathrm{CI}}_3\right)}^2+{\left({\mathrm{CQ}}_3\right)}^2}$

$P_4=\sqrt{{\left({\mathrm{CI}}_4\right)}^2+{\left({\mathrm{CQ}}_4\right)}^2}$

多相位相干积分幅度值309共有k个数据，模块310取其中最大值作为一次相干积分的幅度输出。后续可以进行非相干累加304，然后将累加值与门限比较，检测并捕获卫星信号。

图4北斗卫星信号采用传统的相干积分的结构图，如图4所示，北斗卫星D1信号数据调制速率为50Hz，周期为20毫秒；NH码调制速率为1kHz，周期为20毫秒；扩频码速率为2.046MHz，周期为1毫秒。图4所示的连续5毫秒时间，位于同一个数据周期，所以数据相位保持一致（+1）。NH码在连续的5毫秒的相位是[+1,+1,-1,+1,-1]。5个单周期的扩频码相关结果分别为201a～201e。由于NH码的调制作用，导致单个扩频码相关结果201a～201e的相位不同，201a、201b、201d相关峰为正数，201c、201e相关峰为负数。传统的多周期相干积分直接将这5个相关结果累加，由于正负峰值能量抵消，最后5个周期的相关值202的峰值与单周期的相关结果201a的峰值大小一样。即虽然使用了5毫秒的相关，每个扩频码相位的不同，导致信号的能量相互抵消，最终结果的峰值并没有比单周期相关峰值有所提高。

本发明的多相位相关积分的结构图，如图5所示。图5是m=3的多相位相干积分结构图。

以I路为例，考察多相位相干积分模块302a的输入为连续的3个单周期相关结果306a(1)I₁、306a(2)I₂和306a(3)I₃，其中I₁和I₃为正极性，I₂为负极性。多相位相干积分模块302a计算4个不同的相位组合结果：

307a(1)CI₁=I₁+I₂+I₃；

307a(2)CI₂=I₁+I₂-I₃；

307a(3)CI₃=I₁-I₂+I₃；

307a(4)CI₄=I₁-I₂-I₃。

其中只有第3路相位组合与输入的[I₁,I₂,I₃]相位组合吻合，得到的相关值307a(3)的峰值也最高。后续通过求幅度和求最大值模块后，可将第3路结果提取出来，达到多个扩频码周期的相干积分积累信号能量的效果。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种高灵敏度北斗卫星信号捕获方法，其特征在于，包括：

步骤(401)输入输入信号；

步骤(402)将所述输入信号和本地载波信号进行混频，得到I路的基带信号和Q路的基带信号；

步骤(403)对所述I路的基带信号和所述Q路的基带信号分别进行扩频码调制和扩频码单周期积分；

步骤(404)对所述单周期积分的结果进行多相位相干积分，并对积分结果求幅度或功率；

步骤(405)，对步骤(404)中求得的所述幅度或所述功率数据，共同进行非相干累加运算；

步骤(406)，将非相干累加后的累加值与门限进行比较，检测并捕获卫星信号；

其中，所述步骤(404)的对所述单周期积分的结果进行多相位相干积分，并对积分结果求幅度或功率，包括：

首先对所述I路和所述Q路的单扩频码周期积分的结果分别转换为并行输出若干个数据组，每一个数据组包含m个数据，所述I路的一个数据组为[I₁,......,I_m]，所述Q路的一个数据组为[Q₁,......,Q_m]；

然后分别对所述I路和所述Q路的每一个所述数据组进行多相位相干积分，每一个数据组经过多相位相干积分后得到k种不同的相位组，k＝2^m-1；

最后对k种不同的所述相位组求幅度和功率，得到k个数据。

2.如权利要求1所述的一种高灵敏度北斗卫星信号捕获方法，其中，所述输入信号是卫星导航接收机接收到的卫星信号经过射频放大、下变频和量化处理后的到的数字中频信号。

3.如权利要求1所述的一种高灵敏度北斗卫星信号捕获方法，其中，所述步骤(402)中，所述本地载波信号与所述输入信号的相位相同，所述I路基带信号是所述输入信号与所述本地载波信号混频所得；所述Q路基带信号是所述输入信号与所述本地载波信号的正交信号混频所得。

4.如权利要求3所述的一种高灵敏度北斗卫星信号捕获方法，其中，所述m是根据卫星信号或具体设计改变的。

5.一种使用如权利要求1所述的捕获方法的卫星信号捕获装置，其特征在于，包括本地载波发生器(102)、本地码发生器(103)、若干乘法器、第一积分器(104a)和第二积分器(104b)、以及捕获检测模块(106)；

本地载波发生器(102)用于产生与输入信号同相位的本地载波，所述本地码发生器用于产生本地扩频码；所述捕获检测模块用于捕获卫星信号；

输入信号分为I路和Q路信号进入所述捕获装置，所述I路输入信号和所述本地载波发生器(102)的输出信号接入到第一乘法器(108a)中，所述第一乘法器(108a)的输出端和所述本地码发生器(103)的输出端与第三乘法器(109a)连接，所述第三乘法器(109a)与所述捕获检测模块(106)通过所述第一积分器(104a)连接；所述Q路输入信号和所述本地载波发生器(102)经过90°相移后的输出信号接入到第二乘法器(108b)中，所述第二乘法器(108b)的输出端和所述本地码发生器(103)的输出端与第四乘法器(109b)连接，所述第四乘法器(109b)与所述捕获检测模块(106)通过所述第二积分器(104b)连接；

所述捕获检测模块(106)包括第一缓存器(301a)、第二缓存器(301b)、第一多相位相干积分器(302a)、第二多相位相干积分器(302b)、求幅度模块(308)、求取最大值模块(310)、比较检测模块(305)和非相干累加模块(304)；

所述捕获检测模块(106)的两个输入端分别与所述第一缓存器(301a)和所述第二缓存器(301b)连接；所述第一缓存器(301a)的输出端输出到所述第一多相位相干积分器(302a)的输入端，所述第一多相位相干积分器(302a)的输出端分别输出到若干所述求幅度模块(308)；所述第二缓存器(301b)的输出端输出到所述第二多相位相干积分器(302b)，所述第二多相位相干积分器(302b)的输出端分别与若干所述求幅度模块(308)连接；若干所述幅度模块(308)的输出端与所述最大值模块(310)的输入端连接，所述最大值模块(310)的输出端与所述非相干累加模块(304)输入端连接；

所述非相干累加模块(304)的输出端与所述比较检测模块(305)的输入端连接，所述比较检测模块(305)的输出端输出的信号即为捕获的卫星信号。

6.如权利要求5所述的一种卫星信号捕获装置，其中，所述输入信号是卫星导航接收机接收到的卫星信号经过射频放大、下变频和量化处理后的到的数字中频信号。

7.如权利要求6所述的一种卫星信号捕获装置，其中，所述第一缓存器(301a)和所述第二缓存器(301b)的缓存空间为m。

8.如权利要求7所述的一种卫星信号捕获装置，其中，所述m是根据卫星信号或具体设计改变的。