CN103901444A - 一种北斗卫星导航接收机位同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种北斗卫星导航接收机位同步方法，属于卫星导航接收机信号基带处理方法技术领域。本发明采用分组比特匹配的思想，在保留原有接收机捕获、跟踪结构的基础上改善和优化位同步过程，能够同时实现北斗信号位同步和帧同步，且不受NH码相位跳变的影响；可方便快速地实现NH码剥离，不会造成额外的时间延迟；消除数据比特跳变和NH码相位变化的影响，可实现预检测积分时间20ms。将极大地提高信噪比，提高北斗弱信号的捕获跟踪灵敏度。

Description

一种北斗卫星导航接收机位同步方法

技术领域

本发明涉及一种北斗卫星导航接收机位同步方法，属于卫星导航接收机信号基带处理方法的技术领域。

背景技术

随着卫星导航系统的发展，高性能接收机的研制成为国内外研究热点，针对弱信号的高灵敏度接收机是其中的热点之一。国外SiRF、QinetiQ、u_blox等公司已经推出了高灵敏度GPS(全球定位系统)接收机产品；近年来国内许多高校开展高灵敏度GPS接收机的研究。随着北斗导航系统的发展，针对弱信号的高灵敏度北斗导航接收机具有一定的理论价值和应用前景。

延长相干积分时间是高灵敏度接收机常用的提高环路信噪比的方法，同时可以降低环路中的数据率和所需的运算量。延长相干积分时间需要从以下两方面考虑：

一方面，速率为50bps的数据比特决定相干积分时间最大为20ms，且必须在信号位同步后，以避免数据比特跳变的影响。如何解决数据比特跳变是实现相干积分时间延长的关键。

另一方面，北斗MEO（中圆地球轨道）和IGSO（倾斜地球同步轨道）卫星B1I信号播发的D1导航电文二次编码调制了速率为1kbps的NH(纽霍夫曼)码，能够提高窄带干扰的抵抗能力，并改善卫星信号间的互相关特性，但同时导致相干积分时间受NH码相位跳变的影响，在不去除NH码的情况下相干积分时间被限制为1ms。因此，必须完成对NH码的剥离，消除NH码相位变化的影响，以延长相干积分时间。

综上所述，为了通过延长相干积分时间的形式，提高对北斗弱信号捕获跟踪的灵敏度，必须消除数据比特跳变和NH码相位变化的影响。

发明内容

为了实现北斗信号的位同步和NH(纽霍夫曼)码的剥离，本发明提供了一种北斗卫星导航接收机位同步方法，在保留原有接收机捕获、跟踪结构的基础上改善和优化位同步过程，能够同时完成信号的位同步、帧同步及NH码的剥离，消除数据比特跳变和NH码相位变化的影响，可实现预检测积分时间20ms。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种北斗卫星导航接收机位同步方法，包括如下步骤：

步骤1、对北斗接收机硬件平台进行初始化，包括系统硬件参数、环路滤波器系数、全局变量及串口的初始化，并设置预检测时间参数为1ms；

步骤2、对接收到的北斗数字中频，即1-10MHz的数据进行捕获，采用并行码相位搜索策略，获得粗略的载波频率和测距码相位；

步骤3、在步骤2获得的粗略载波频率和测距码相位的基础上，采用二阶锁频环辅助下的三阶锁相环的环路跟踪形式进行对信号的跟踪，实现对载波和测距码的剥离，获得多普勒频率、载波相位、测距码相位的测量值；跟踪环路稳定后，获得环路输出码率为1kHz的二进制数据；

步骤4、对步骤3输出的二进制数据进行分组比特匹配检测，实现北斗信号的帧同步；

步骤5、在步骤4达到帧同步后对信号进行位同步判断，实现北斗信号的位同步；

步骤6、在步骤5达到位同步后，利用获得的比特起始边缘，将每比特二进制数据与NH，即纽霍夫曼码序列进行异或相加，实现数据中NH码的剥离；

步骤7、如果步骤4、5、6完成帧同步、位同步和NH码剥离，则执行步骤8,否则返回步骤3；

步骤8、将接收机预检测积分时间设置为20ms，载波环以窄带、长预检测积分时间的锁相环形式对信号进行稳态跟踪，此时跟踪环路输出码率为50Hz的原始导航电文；

步骤9、对步骤8输出的原始导航电文，根据北斗导航电文编排规则进行电文译码，获得导航电文参数，并按照北斗系统定位策略进行导航定位。

所述步骤4对北斗信号进行帧同步，具体步骤为：

[1]在FPGA，即现场可编程门阵列中开辟基于RAM，即随机访问内存的移位寄存器，设置输入输出宽度为1位，行宽为20，深度为30，用于连续存放码速率为1kHz的二进制数据；

[2]对上述移位寄存器进行取值，每行取最后一位输出数据，获得共30个数据；

[3]对上述30个数据进行数据比特匹配检测，包括：判断前11个数据是否与帧同步码或其反码一致，且后15个数据符合BCH，即本源循环码编码；

[4]寄存器数据以1ms为周期进行移位，每次移位1位，使得二进制数据连续地进入寄存器空间，以1ms为周期循环的进行步骤[2]和步骤[3]；如果比特匹配检测成功，则数据达到帧同步。

所述步骤5对北斗信号进行位同步，具体步骤为：

a、定义帧同步计数变量及拥有20个成员的数组；

b、在对北斗信号进行帧同步环节中，若检测数据前11位与帧同步码相同，则帧同步计数变量加1,数组存入0；若前11位与帧同步码反码相同，则帧同步计数变量加1,数组存入1；若数据检测不通过，则帧同步计数变量清零，数组成员清零；

c、随着周期为1ms的移位、取值及数据检测步骤的循环进行，若帧同步计数变量为20，将数组20个成员值与NH码，即00000100110101001110比较，如果一致，则位同步完成。

本发明的有益效果如下：

本方法针对北斗信号二次调制了NH码的特殊性，采用分组比特匹配的思想，在保留原有接收机捕获、跟踪结构的基础上改善和优化位同步过程，能够同时实现北斗信号位同步和帧同步，且不受NH码相位跳变的影响；可方便快速地实现NH码剥离，不会造成额外的时间延迟；消除数据比特跳变和NH码相位变化的影响，可实现预检测积分时间20ms。

 附图说明

图1是本发明的方法步骤流程图。

图2是本发明实施例的装置结构示意图。

图3是本发明北斗信号调制与解调过程示意图。

图4是本发明数据分组比特匹配检测示意图。

图5是本发明中位同步时序仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

本发明提供一种北斗卫星导航接收机位同步方法如图1所示，采用分组比特匹配的方法，通过寄存延迟和等间隔取值实现周期判断，检测帧同步码和BCH(本源循环码)纠错码，找到子帧起始边缘；经过连续的帧同步判断和NH(纽霍夫曼)码检测，找到数据比特的边缘；通过异或相加实现对NH码剥离。消除数据比特跳变和NH码相位变化的影响，可实现预检测积分时间20ms。

图2为本发明实施例的装置结构示意图，本发明可以用本装置实现，但不局限于图2所示装置。整个装置包括：天线、射频模块和基带处理模块。基带处理模块由DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)及外围芯片组成。其中FPGA和DSP共同配合完成本发明的位同步功能，由FPGA实现多通道并行处理，DSP控制流程的运行和外围信息的收发。由北斗天线接收到的是调制有导航电文、扩频码、NH码的模拟信号，经过射频处理得到数字中频信号，进入基带处理模块进行捕获和跟踪，实现对载波和扩频码的剥离，剥离后的信号将进入位同步模块。北斗信号在卫星端的调制过程和在接收机端的解调过程如图3。

具体的步骤如下：

步骤1、对北斗接收机硬件平台进行初始化，设置系统参数，其中预检测时间设置为1ms。

步骤2、对接收到的北斗数字中频数据进行捕获，采用并行码相位搜索策略，获得粗略的载波频率和测距码相位。

步骤3、在步骤2获得的粗略载波频率和码相位的基础上，采用二阶锁频环辅助下的三阶锁相环的环路跟踪形式进行对信号的跟踪，实现对载波和测距码的剥离，获得多普勒频率、载波相位、测距码相位等测量值。跟踪环路稳定后，获得环路输出码率为1kHz的二进制数据。

步骤4、对步骤3输出的二进制数据进行分组比特匹配检测，实现北斗信号的帧同步，图4为数据分组比特匹配检测示意图。具体为：

[1]在FPGA中开辟基于RAM(随机访问内存)的移位寄存器，设置输入输出宽度为1位，行宽为20，深度为30，用于连续存放码速率为1kHz的二进制数据。

[2]对上述移位寄存器进行取值，每行取最后一位输出数据，获得共30个数据。

[3]对上述30个数据进行数据比特匹配检测，包括：判断前11个数据是否与帧同步码或其反码一致，且后15个数据符合BCH编码。

[4]寄存器数据以1ms为周期进行移位，每次移位1位，使得二进制数据连续地进入寄存器空间。以1ms为周期循环的进行步骤[2]和步骤[3]。如果比特匹配检测成功，则数据达到帧同步。

步骤5、在步骤4达到帧同步后对信号进行位同步判断，实现北斗信号的位同步。具体为：

a、定义帧同步计数变量及拥有20个成员的数组。

b、在步骤4帧同步环节中，若检测数据前11位与帧同步码相同，则帧同步计数变量加1,数组存入0。若前11位与帧同步码反码相同，则帧同步计数变量加1,数组存入1。若数据检测不通过，则帧同步计数变量清零，数组成员清零。

c、随着周期为1ms的移位、取值及数据检测步骤的循环进行，若帧同步计数变量为20且数组20个成员值与NH码(00000100110101001110)一致，则位同步完成。

步骤6、在步骤5达到位同步后，利用位同步获得的比特起始边缘，将每比特二进制数据与NH码序列进行异或相加，实现数据中NH码的剥离。

步骤7、如果步骤4、5、6完成帧同步、位同步和NH码剥离，则执行步骤8,否则返回步骤3。

步骤8、将接收机预检测积分时间设置为20ms，载波环以窄带、长预检测积分时间的锁相环形式对信号进行稳态跟踪。此时跟踪环路输出码率为50Hz的原始导航电文。

步骤9、对步骤8输出的原始导航电文，根据北斗导航电文编排规则进行电文译码，获得导航电文参数。并按照北斗系统定位策略进行导航定位。

北斗信号位同步方法实验效果：

基于以上装置和位同步方法步骤，利用QuartusII软件进行在线仿真，时序仿真结果如图5。由仿真结果可以看出本发明的位同步方法能够稳定可靠地实现北斗信号位同步和帧同步功能，并快速地剥离NH码。

综上，本发明针对北斗信号二次调制了NH码的特殊性，提出一种北斗信号位同步方法，采用分组比特匹配的思想，在保留原有接收机捕获、跟踪结构的基础上改善和优化位同步过程，能够同时实现北斗信号位同步和帧同步，且不受NH码相位跳变的影响；可方便快速地实现NH码剥离，不会造成额外的时间延迟；消除数据比特跳变和NH码相位变化的影响，可实现预检测积分时间20ms。将极大地提高信噪比，提高北斗弱信号的捕获跟踪灵敏度。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种北斗卫星导航接收机位同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、对北斗接收机硬件平台进行初始化，包括系统硬件参数、环路滤波器系数、全局变量及串口的初始化，并设置预检测时间参数为1ms；

步骤2、对接收到的北斗数字中频，即1-10MHz的数据进行捕获，采用并行码相位搜索策略，获得粗略的载波频率和测距码相位；

步骤3、在步骤2获得的粗略载波频率和测距码相位的基础上，采用二阶锁频环辅助下的三阶锁相环的环路跟踪形式进行对信号的跟踪，实现对载波和测距码的剥离，获得多普勒频率、载波相位、测距码相位的测量值；跟踪环路稳定后，获得环路输出码率为1kHz的二进制数据；

步骤4、对步骤3输出的二进制数据进行分组比特匹配检测，实现北斗信号的帧同步；

步骤5、在步骤4达到帧同步后对信号进行位同步判断，实现北斗信号的位同步；

步骤6、在步骤5达到位同步后，利用获得的比特起始边缘，将每比特二进制数据与NH，即纽霍夫曼码序列进行异或相加，实现数据中NH码的剥离；

步骤7、如果步骤4、5、6完成帧同步、位同步和NH码剥离，则执行步骤8,否则返回步骤3；

步骤8、将接收机预检测积分时间设置为20ms，载波环以窄带、长预检测积分时间的锁相环形式对信号进行稳态跟踪，此时跟踪环路输出码率为50Hz的原始导航电文；

步骤9、对步骤8输出的原始导航电文，根据北斗导航电文编排规则进行电文译码，获得导航电文参数，并按照北斗系统定位策略进行导航定位。

2.根据权利要求1所述的一种北斗卫星导航接收机位同步方法，其特征在于，所述步骤4对北斗信号进行帧同步，具体步骤为：

[1]在FPGA，即现场可编程门阵列中开辟基于RAM，即随机访问内存的移位寄存器，设置输入输出宽度为1位，行宽为20，深度为30，用于连续存放码速率为1kHz的二进制数据；

[2]对上述移位寄存器进行取值，每行取最后一位输出数据，获得共30个数据；

[3]对上述30个数据进行数据比特匹配检测，包括：判断前11个数据是否与帧同步码或其反码一致，且后15个数据符合BCH，即本源循环码编码；

[4]寄存器数据以1ms为周期进行移位，每次移位1位，使得二进制数据连续地进入寄存器空间，以1ms为周期循环的进行步骤[2]和步骤[3]；如果比特匹配检测成功，则数据达到帧同步。

3.根据权利要求1所述的一种北斗卫星导航接收机位同步方法，其特征在于，步骤5对北斗信号进行位同步，具体步骤为：

a、定义帧同步计数变量及拥有20个成员的数组；

b、在对北斗信号进行帧同步环节中，若检测数据前11位与帧同步码相同，则帧同步计数变量加1,数组存入0；若前11位与帧同步码反码相同，则帧同步计数变量加1,数组存入1；若数据检测不通过，则帧同步计数变量清零，数组成员清零；

c、随着周期为1ms的移位、取值及数据检测步骤的循环进行，若帧同步计数变量为20，将数组20个成员值与NH码，即00000100110101001110比较，如果一致，则位同步完成。

Images