CN103698780A - 一种针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对二次编码调制的全球卫星定位系统(后简称GNSS)信号的捕获引擎。该捕获引擎通过将原有卫星信号中的短周期伪随机码和二次编码结合成一个长周期的伪随机码，本地产生该长周期伪随机码的不同伪码相位的拷贝，通过短时相干积分和非相干累加方法，实现弱信号条件下的二次编码卫星信号的捕获。

Description

一种针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎

技术领域

本发明涉及电子行业数字信号处理领域，尤其涉及一种针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎。 

背景技术

目前，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)信号大多采用码分多址(Code Division Multiple Access)体制，该信号体制有三方面的作用，一方面因为是通过码分多址所以为多颗卫星提供了频率复用，第二扩频码码相位为测距提供了测距观测量，第三方面扩频码的频谱扩展和解扩处理提供了较高的处理增益，使得微弱信号检测和处理成为可能。卫星接收机为了实现定位和导航，必须实现信号捕获、信号跟踪、载波和伪码同步、导航电文解调、定位解算等一系列信号处理流程，其中第一步也是最关键的一步是实现信号捕获，因为只有实现了信号捕获，才能进行后续的信号处理流程。 

就CDMA系统来说，不同信号源发射的信号通过不同的伪随机码区分开。一般说来，CDMA系统可以共享相同的载波频率和时间。所有的CDMA系统都存在信号捕获问题。这个问题的提出有以下几个原因： 

原因1，由于CDMA系统所有信源共用相同的载波频率和信道时间，所以来自于所有可能的信号源的信号无可避免地在接收机的天线处混合在一起，接收机在上电伊始对当前天线接收到的信号来自哪些信号源一无所知。这个问题在卫星导航系统尤其重要，由于卫星导航信号一般都调制在L波段上，因此接收机只能接收处于天线视距可见(Line-of-Sight)的天空的卫星信号，当卫星运行到地球背面的时候接收机不可能接收到其发射的信号； 

原因2，伪随机码的引入使信号频谱展宽，相应地信号的功率就可以降到很低的水平。在卫星导航信号的情况下，由于长距离信号传输带来的距离衰减，接收到的信号电平往往要比背景噪声电平还要低很多，通俗的 说，就是信号被噪声“淹没”，在这种情况下，就必须通过信号捕获将微弱信号从噪声中提取出来； 

原因3，根据CDMA信号的特点，必须利用伪随机码的强自相关性才能实现信号的跟踪和数据的解调，但问题是必须先找到了正确的伪随机码相位才能利用其强自相关函数，而接收机上电时刻的随机性决定了其接收到的信号的相位随机性。所以必须由信号捕获告知某信号的伪随机码相位。 

卫星在空间处于高速飞行状态，以GPS卫星为例，其飞行速度高达3.87km／s，由于卫星的高速运动使得传输到地球的信号载波产生多普勒频移，理论计算表明地球表面的接收机和卫星之间相对运动的最大径向速度分量约是929m／s，随之导致的多普勒频移是4.9KHz。同时接收机自身的RF时钟晶振的偏差也会使接收到的信号载频偏移理论值。理论计算表明，在L1的载频上1ppm的晶振偏差能使接收到的GPS信号产生1.57KHz的载频偏差。这两者因素都会使得接受到的卫星导航信号在载波频率方向上有很大的不确定度，因此也必须要经过信号捕获才能得到正确的载波频率估计值。 

综合考虑这些因素，可以认为接收机天线最终接收到的卫星导航信号不仅在伪码相位上存在模糊，而且在载波频率上也具有一定量的模糊度，为了实现对信号稳定的跟踪就必须同时解决伪码相位模糊和载波频率模糊的问题。所以信号捕获可以认为是一个二维的搜索，第一维是从伪码相位的方向，第二维是从多普勒频移的方向。 

从伪码相位方向的搜索，首先需要产生本地伪码，通过设置不同的本地伪码相位，将本地伪码和输入信号做相关。利用伪码的强自相关性，只有在本地码和信号的伪码相位对齐的情况下才能产生很强的相关值，一旦某一个伪码相位对应的相关值超过了预定的门限值，就可以认为找到了正确的本地伪码相位。相关理论分析和仿真表明，自相关尖峰的位置对相位很敏感，相位差超过一个码片就会很快失去这个尖峰，所以一旦出现很高 的相关尖峰就可以认为输入信号的伪码相位和本地伪码相位之差已经在一个码片以内。 

从多普勒频移的方向的搜索，是通过产生本地载波，并调节本地载波的值和输入信号相乘，如果本地载波和输入信号的载波很接近的话，输入信号中的高频载波分量就会被去除。由于事先对输入信号的可能的载波频率值无法知道，所以是通过设置不同的本地载波的值来尝试。频率步长的选取是基于搜索灵敏度和搜索效率的折衷：对于一定的频率模糊区间，小的频率步长增加待搜索的频率井(Frequency Bin)的数目，从而直接增大覆盖全部频率模糊区间所需的工作量，结果就是增加了搜索的时间，但其好处就是使得搜索的灵敏度提高。 

在信号捕获过程中，积分器的相干积分时间是一个很重要的参数，较长的积分时间能带来较大的处理增益，使得弱信号的捕获成为可能，当同时也使得频率分辨度变小，所以为了覆盖所有的多普勒频率范围必须有较多的频率井，这样使得待搜索的工作量变大；较短的积分时间只能带来较小的处理增益，所以无法捕获弱信号，但使得频率分辨度变大，所以为了覆盖所有的多普勒频率范围只需要较少的频率井，这样使得待搜索的工作量变小。 

以目前世界上最为成熟的GNSS系统，即美国的GPS为例，其民用码信号的伪随机码周期为1毫秒，伪随机码码片时间长度为1／1023毫秒，所以在一个伪随机码周期内的相干积分能提供 

$G=10\log \left[\frac{1}{1/1023}\right]\≈30.1\mathrm{dB}$

的处理增益，上式结果的单位为分贝，即dB。 

而对于较长积分时间，比如T毫秒，则其处理增益(以分贝表示)变为 

$G_T=10\log \left[\frac{T}{1/1023}\right]\≈(30.1+10\log T)\mathrm{dB}$

在实际工程实践中，一般用输入信号的载噪比(CN0)作为信号强弱的指标，该指标表现了信号功率和噪声功率密度的比值，考虑到GPS信号的信号带宽B，则其射频信号信噪比可以表示为 

${\mathrm{SN}}_{\mathrm{RF}}=\mathrm{CN}0-10\log \left(B\right)$

对于GPS信号来说，B＝2.046MHz。 

在经过了相干积分之后，得到的基带信号信噪比可以表示为 

${\mathrm{SN}}_{\mathrm{Baseband}}={\mathrm{SN}}_{\mathrm{RF}}+G_T=(\mathrm{CN}0-10\log \left(B\right)+30.1+10\log T)\mathrm{dB}$

下表给出了几种不同输入信号强度情况下的T＝1毫秒和T＝20毫秒的基带信噪比的情况。 

表1：对不同CN0信号进行1毫秒和20毫秒积分后的基带信噪比 

可见在CN0变弱的时候，基带信噪比也随之减弱，这会导致信号跟踪环路无法锁定信号相位。但20毫秒的积分时间会比1毫秒的积分带来更多的增益，所以20毫秒的积分处理能够成功捕获25dBHz的信号，也因此现代的高灵敏度接收机一般都采用延长积分时间的方法以提高处理增益，来跟踪微弱信号。 

延长积分时间的前提是积分时间内没有数据比特沿跳变，比如GPS信号的L1C／A码信号中数据比特周期为20毫秒，所以可以采用长达20毫秒 的相干积分，但有些卫星信号则因为调制了二次编码，比如Neumann-Hoffman(NH)码，则无法保证在一个数据比特内都保持没有数据比特沿跳变，此时长相干积分就面临能量被抵消的问题。以Galileo系统为例，表2给出了其卫星信号的短随机码和二级编码的码片周期， 

表2：Galileo系统的卫星信号中伪随机码和二级码 

中国北斗系统的MEO卫星信号也存在类似的二级编码，二级编码的存在使得微弱信号的搜索和捕获面临严重问题。 

发明内容

(一)要解决的技术问题 

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种能够处理二级编码调制的卫星导航信号的捕获引擎。该捕获引擎将原有的短周期伪随机码和二级编码组合成为一个长周期伪随机码，解决了由于二级编码的存在使得无法进行长相干积分的问题，由于长周期伪随机码的积分时间也需要相应增加，使得频率分辨率变小，因此需要增大频率搜索空间，所以本发明又提出了短时相干积分和非相干累加的方法，使频率搜索空间没有显著增加，又保证了必要的捕获灵敏度。 

(二)技术方案 

本发明提供了一种能够处理二级编码调制的卫星导航信号的捕获引擎，包括了长周期伪随机码发生器，本地载波发生器，乘法器，短时积分器，非相干累加器，门限判决器。 

长周期伪随机码发生器包括了短随机码发生器，二级编码发生器，时钟分频器，模二加法器。其中短随机码发生器产生卫星导航信号中的原有伪随机码，具体构成可以参看卫星导航信号的接口文档；二级编码发生器产生二级码，具体结构可以采用移位寄存器或者事先存储的方法；时钟分频器用来将短随机码发生器的工作始终进行分频，分频比由短伪随机码码片频率和二级编码码片频率决定；模二加法器将两者的输出比特进行模二加，并将结果输出。附图2给出了长周期伪随机码发生器的框图。假设短随机码码片数目为L，二级编码的码片数目为S，则长周期伪随机码的码片数目为M＝S×L。 

本地载波发生器产生本地载波信号，包括同相载波和正交载波，载波频率由主控处理器设置，对每一个载波频率f_i，i＝1...K进行所有M个伪码相位的搜索，如果将码片分辨率定为1／2码片，则最终有2M个非相干累加结果，并将最终的2M个结果存储进累加存储器。当本地载波发生器遍历所有K个载波频率井，则共有2MK个结果存储进累加存储器。 

乘法器主要是同时将输入信号、本地载波信号和长周期伪随机码信号进行相乘，在物理意义上是实现伪随机码剥离和载波剥离，如果载波频率和伪码相位都和输入信号一致的时候，就会输出解扩以后的信号。 

短时积分器是为了解决长时间相干积分对频率偏移的敏感性问题。考率如下例子，假设短随机码周期为1毫秒，二级编码码片周期为20，则组成的长周期伪随机码周期为20毫秒，如果这里采用20毫秒相干积分，理论分析可以证明，当本地载波和输入信号载波频率偏差50Hz以上时，输出的信号尖峰将消失，所以为了覆盖[-5KHz,+5KHz]的多普勒搜索空间，需要10K／50＝200个载波频率井；可是如果把20毫秒分成5段数据，每段数据4毫秒，先进行4毫秒的相干积分，然后在将这5个相干积分的能量 

相加，则只需要本地载波频率和输入信号载波频率偏差在250Hz以内即可保证信号尖峰可见，则所需的频率井数目为10K/250＝40 个，可见短时积分器可以显著减少载波频率井的数目，大大缩短运算时间。 

短时积分器对每个载波频率、每个半码片相位的情况下，就输出一个相干累加结果，完成一个周期的长周期伪随机码相干积分需要N个短时积分器，比如上例中对于20毫秒周期的长度，如果短时积分器相干长度为4毫秒，则需要5个短时积分器，即N＝5。非相干累加器将这N个短时积分器的几结果完成若干次非相干累加，非相干次数由主控处理器控制，实践中根据信号强弱程度调整，每次非相干累加的结果存储进累加寄存器中。 

当完成了所有载波频率和伪码相位的搜索后，累加存储器中共有2MK个结果，每一个结果对应一个载波频率和一个半码片伪码相位，对这2MK的结果逐一和预设门限进行比较，如果超过了门限则可以判定可能存在卫星信号。 

(三)有益效果 

从上述技术方案可以看出，本发明提供的这种卫星信号捕获引擎，通过将短伪随机码和二级编码组合成一个长周期伪随机码，能够处理二级编码调制带来的数据比特频繁跳变的问题，同时短时相干积分器和非相干累加器又能显著减小频率搜索空间，从而既能利用长相干积分带来足够的处理增益，同时又能以较小的运算量开销捕获微弱信号。 

附图说明

下面将通过参照附图详细描述本发明的示例，使本领域的普通技术人员更清楚本发明的上述及其它特征和优点，附图中： 

图1为存在二级编码调制的卫星信号组成图示； 

图2为长周期伪随机码发生器； 

图3为针对二级编码调制的卫星信号捕获引擎结构图； 

图4为短周期伪随机码的自相关函数(这里以北斗卫星1的伪随机码自相关函数值为例)； 

图5为长周期伪随机码的自相关函数(以北斗卫星1的伪随机码和二级码构成的长码的自相关函数值为例)； 

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。 

首先要由卫星信号中原有的短伪随机码和二级编码组成一个长周期的伪随机码，由图2所示。图2中201为中频时钟信号，一般来自于中频采样，每一个中频采样数据对应一个中频时钟，201输出的时钟信号送进短伪随机码发生器204产生短伪随机码，这里具体产生短随机码的方式可以参阅待处理卫星信号的接口协议文档；于此同时，201输出的时钟信号也送进分频器202，其分频比为Nc，即短随机码的码片频率和二级编码码片频率的比值，比如对于北斗B1码，码片频率为2.046MHz，二级编码码片频率为1KHz，则Nc＝2.046M／1K＝2046。随后分频器202输出的时钟送给二级编码发生器203，具体的产生方式也参阅接口协议文档。203和204产生的二级编码和短随机码同时送给模二加法器205进行模二加，产生长周期伪随机码。 

图4和图5分别是北斗二代的1号卫星对应的短伪随机码的自相关函数和由二级编码组成的长周期的伪随机码的自相关函数，可以看出长周期伪随机码的自相关函数的峰值时为短伪随机码的自相关函数峰值的20倍，同时其码周期也变为短伪随机码的码周期的20倍。 

图3是利用上述产生的长周期伪随机码进行卫星信号捕获的捕获引擎结构框图。其中输入信号采样单元301来自射频前端，将卫星信号通过混频、下变频、AD采样得到中频采样数据；本地载波发生器302负责产生同相和正交的本地载波信号，其中一个重要的输入参数是本地载波频率，对应于每一个中频载波频率都要进行所有2M个半码片相位的搜索；长伪随机码发生器303是图2的一个汇总模块，负责产生指定卫星伪码号的长周期伪随机码的本地拷贝；乘法器304和305负责将输入的中频信号和本 地载波以及本地长周期伪随机码相乘，也就是进行伪码剥离和载波剥离，输出的数据流送给短时积分器306；从图中可以看出，短时积分器306可以有多个，每一个负责每一段数据的积分操作，短时积分器的数目由积分长度而定，以北斗B1码信号为例，由上所述的长周期伪随机码周期为20毫秒，如果短时积分时间定位4毫秒，则短时积分器的数目为20／4＝5个，每次滑动半码片相位则会产生5个短时相干积分结果，将这五个积分结果的能量值即累加就得到当前载波频率和当前伪码相位下的非相干累加结果，非相干累加器307负责完成该操作；累加存储器308将307得到的非相干累加存储，图中二维表示中横轴方向保留伪码相位信息，纵轴方向保留载波频率信息，每次设置一个载波频率则会存储一横行的内容，当遍历完全部载波频率井则会完成全部二维空间的存储；最后门限判决器309将308内部的所有非相干累加值和预设门限比较，如果出现超过门限的情况则表示可能存在一个卫星信号，该峰值对应的横坐标和纵坐标则给出了伪码相位和载波频率的信息。 

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而己，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎，该捕获引擎包括长周期伪随机码发生器，本地载波发生器，乘法器，短时积分器，非相干累加模块，累加存储器，门限判决器。

2.根据权利要求1所述的长周期伪随机码发生器，其特征在于由短伪随机码发生器，二次编码发生器，模二加法器组成，其功能为产生二次编码和短伪随机码组合的长周期伪随机码。

3.根据权利要求1所述的本地载波发生器，其特征为可以接受外界控制信号，产生一定载波频率f_i的正交和同相载波信号，这里f_i，i＝1...K覆盖载波多普勒频移范围。

4.根据权利要求1所述的乘法器，其特征在于完成输入信号、本地载波信号和长周期伪随机码的相乘运算。

5.根据权利要求1所述的短时积分器，其特征在于，对乘法器输出的结果进行积分，积分长度为长周期伪随机码周期的N分频，N为一个整数，即一个长周期伪随机码周期内完成N次相干积分，每次本地伪随机码滑动半个伪随机码片相位则每个积分器输出一个积分结果。

6.根据权利要求1所述的非相干累加模块，其特征在于以N个短时积分器的输出作为输入，本地伪随机码每滑动半个码片将N个短时积分器输出的I，Q路输出的信号功率累加在一起，当本地伪随机码滑动完全部M个码片，则总共有2M个非相干累加结果。

7.根据权利要求1所述的累加存储器，其特征在于用来存储所有载波频率下的非相干累加结果，对于输入的载波频率f_i，i＝1...K，每一个载波频率对应2M个非相干累加结果，总共有K×2M个非相干累加结果，这也决定了累加存储器的大小。

8.根据权利要求1所述的门限判决器，其特征在于对于累加存储器中的非相干累加结果，每个结果对应于一个载波频率和伪码相位，对于所有结果和预先设定的门限进行比较，如果超过门限则意味着一个可能存在的信号。

9.根据权利要求1所述的针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎，适用于但不限于以下卫星导航信号：美国GPS的L5信号，欧盟Gelileo系统的E5a、E5b、E1信号，中国北斗系统的B1／B2／B3信号。

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