CN103901446A - 二进制偏移载波调制信号边峰消除捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是二进制偏移载波调制信号边峰消除捕获方法。（1）取一段1ms中频信号作为接收数据，并且选取多普勒频移范围、搜索频率步进，同时设定检测阈值。（2）将接收数据与本地复制载波进行混频，得到去除载波之后的信号，进行FFT处理。（3）本地产生BOC调制信号所分解的12个子信号，进行FFT变换并取共轭，将接收信号与之分别相乘并进行IFFT变换并存储。（4）本地储存所需的辅助式子的12个子式子。（5）确定信号自相关主峰所在位置，将（3）的结果与（4）的结果对应相加。（5）对相关函数进行变换重组，将结果与预先设定的门限值进行比较，判断是否捕获成功。本发明可完全消除BOC（15，2.5）调制信号的边峰，使接收机能够更好的捕获信号主峰。

Description

二进制偏移载波调制信号边峰消除捕获方法

技术领域

本发明涉及GNSS（全球卫星导航系统）中接收机的捕获处理方法，具体涉及COMPASS（北斗导航系统）BOC（15，2.5）调制方式的捕获方法。

背景技术

北斗系统是我国自主研制的一种卫星导航系统。整个北斗项目由三个部分组成：第一步已经于2003年完成，即建成具有3颗北斗导航卫星的导航试验系统——北斗1号卫星导航试验系统。目前正在建设北斗2号卫星导航系统，它是一个区域导航系统，覆盖整个亚太地区，为整个亚太地区提供导航服务，第三步是计划在2020年形成一个全球导航系统，为全球提供导航服务。

随着卫星导航系统的逐渐增多，使得卫星频带变得非常紧张，为了能够使卫星导航频段实现频带共享以及频谱分离，同时达到较高的检测精度和性能要求，新一代的全球卫星导航系统（GNSS—Global Navigation Satellite Systems）,如GPS、Galileo以及我国的北斗系统都预计要采用一种新型的调制方式，即二进制偏移载波（BOC—Binary Offset Carrier）的调制方式，这种调制方式较传统的BPSK调制方式有几大优势：能够实现频谱分离，使信号大部分能量分布到频带边缘处，可以有效的利用频带带宽；具有较强的抗噪声、抗干扰以及抗多径能力。当然BOC调制方式也是有其不足之处的，那就是自相关函数（ACF—Autocorrelation Function）具有多边峰特性，并且边峰的个数会随着调制阶数的提高而增加，容易使信号在捕获或跟踪时出现模糊点，从而造成误捕获或误跟踪现象，给测距带来模糊性。

目前，已经提出了一些方法来解决BOC调制信号模糊问题，主要有以下几种方法：（1）bump and jump通过增加两路额外的相关器，即远超前和远滞后相关器，通过比较相邻主峰的接收功率，确保即时支路所产生的本地码能够与接收信号对齐，保证即时支路捕获到主峰，降低误锁概率。该方法优点是一旦锁定主峰，具有较高的跟踪精度，缺点是由于它是基于主峰和两侧边峰功率大小比较，所以当信噪比较低时会有很高的漏检和虚警概率，并且一旦发生误锁情况，所需的恢复时间较长，因此对于实时性的场合不太适合。（2）BPSK-like方法，该方法主要有两种典型的代表应用，分别被命名为“B&F”法和“M&H”法，其核心思想是将BOC调制信号频谱上的2个边带当作2个BPSK调制信号分别进行处理。该方法可以消除BOC调制信号自相关函数的多峰性，获得较宽的稳定S曲线区域。该方法的缺点是，由于应用了滤波器，对于单边带处理过程会有3db的衰减，对于双边带来说，会有0.5db的衰减，而且该方法也丧失了BOC调制信号高精度跟踪性能的优势。（3）基于相关重构BOC调制信号的捕获方法，该方法利用折叠原理重构了无模糊BOC调制信号的相关函数。但是，对于BOC（15，2.5）这种调制信号来说，由于其主峰和两侧边峰高度之间相差不是很大，应用该方法很容易捕错主峰，发生误捕。（4）自相关边峰消除技术（ASPeCT—auto-correlationside-peak cancellation technique）,通过利用BOC自相关函数平方与BOC／PRN互相关函数平方之间的特殊特点来实现去除边峰的目的，但是该方法只适用于SinBOC(n,n)型。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以有效消除边峰，并且能够同时保持主峰宽度不变的二进制偏移载波调制信号边峰消除捕获方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1：取一段1ms中频信号的数据作为接收数据，并且选取多普勒频移范围(ω_Dmin,ω_Dmax)，以及搜索频率步进Δω_D，同时设定检测阈值γ；

步骤2：数据进行载波剥离处理，将接收数据与本地复制载波进行混频，得到去除载波之后的信号，再进行FFT处理；

步骤3：本地产生BOC调制信号所分解的12个子信号，该12个子信号进行FFT变换并取共轭，然后将接收信号与之分别相乘并进行IFFT变换，并存储；

步骤4：本地储存所需的辅助式子的12个子式子；

步骤5：确定信号自相关函数主峰所在位置，将步骤3结果与步骤4结果对应相加；

步骤6：将处理得到的结果与预先设定的门限值进行比较，判断信号是否捕获成功；如果结果大于门限值则表明捕获成功；若小于门限值，则表明当前的卫星信号并没有捕获成功，调节本振和本地BOC码，重复步骤1-步骤5，直到卫星信号捕获成功。

针对即将应用于北斗导航系统中的BOC（15，2.5）调制方式，本发明提出了一种新的可以有效消除边峰，并且能够同时保持主峰宽度不变的方法。本发明较传统BOC调制信号捕获方法所具有的优点：

在现有的技术中，对于BOC（15，2.5）调制信号的去边峰处理通常是采用BPSK-like法。该方法能够完全去除边峰，只保留一个主峰，使接收机能够更容易捕获主峰，不被边峰所干扰，这是接收机能够捕获到BOC调制信号的关键因素。BPSK-like方法也是存在缺点的，该方法可以完全的消除边峰，降低边峰对主峰的影响，但是缺点是扩大了主峰的宽度，使主峰宽度达到与使用BPSK调制信号的宽度相同，丧失了BOC调制信号高精度跟踪性能的优势。本发明采用合成相关函数的形式，通过变换BOC（15，2.5）调制信号的波形，使信号能够完全消除边峰，同时也能保持主峰的宽度，使BOC调制信号的优点不至于丧失。

附图说明

图1是捕获算法流程图；

图2是辅助函数波形图；

图3BOC调制信号自相关函数图；

图4是R_i波形图；

图5a图5b是捕获对比图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明描述的方法是一种新型卫星调制信号的捕获方法，即BOC调制信号捕获方法，该发明采用了合成相关函数法，与一般的BOC调制信号捕获方法相比，该方法能够完全去除BOC调制信号特有的边峰，防止信号边峰对于捕获产生干扰。本发明的技术方案如图1所示，步骤如下：

步骤1：取一段1ms中频信号的数据作为接收数据，并且选取合适的多普勒频移范围(ω_Dmin,ω_Dmax)，以及搜索频率步进Δω_D，同时设定检测阈值γ。

步骤2：数据进行载波剥离处理，将接收数据与本地复制载波进行混频，可以得到去除载波之后的信号，再将该信号进行FFT处理。

具体过程：

来自单颗卫星信号的输入模型为：

式(1)中：s(k)是在采样时间t_k时的输入信号，c(t_k-t_s)为初始码相位为t_s的BOC码序列；

为初始载波相位；频率ω_IF是中频，ω_D是载波信号的多普勒频移；n(k)是噪声；k=0,1,…N-1，为处理数据段的采样点数。

将接收信号s(k)与本地载波复正弦信号

进行混频处理。滤除高频分量后得到：

式(2)中：

为第i次载波频率搜索点与接收信号间的频率差值；

是第i次本地载波的多普勒频移；为对应的相位差值；当频率差值Δω_d=0时，即本地复现的载波频率与接收信号的载波频率相等时，便可实现载波的完全剥离，最终会得到包含常数因子的接收BOC码序列为：

将去除载波之后的信号进行FFT变换，具体表现形式如下：

Y=FFT(y)    （3）

步骤3：本地产生BOC调制信号所分解的12个子信号，该12个子信号进行FFT变换并取共轭，然后将接收信号与之分别相乘并进行IFFT变换，并存储。

具体过程：

本地生成的BOC调制信号按照公式（4）生成，并分别存储

$S_{\mathrm{BOC}}\left(t\right)=\mathrm{sgn}\left(\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)\right)=\underset{i=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{i}p{T}_{B1}(t-{\mathrm{iT}}_{B1})=\underset{i=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{subBOC}}^i---\left(4\right)$

其中表示第i个副载波序列，sgn(·)表示正负号函数，f_s表示副载波频率， ${\mathrm{pT}}_{B1}\left(\mathrm{\τ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|\mathrm{\τ}\right|\≤T_c/12\\ 0& \mathrm{ptherwise}\end{array}\right.,$ T_c表示码片周期，τ表示码片迟延。

然后将这12个副载波序列分别进行FFT变换，并取共轭，具体表现形式如下：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{mb}1\\ \mathrm{mb}2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{mb}12\end{array}\right]={\left(\begin{array}{c}\mathrm{FFT}\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{subBOC}}^0\\ S_{\mathrm{subBOC}}^1\\ \·\\ \·\\ \·\\ S_{\mathrm{subBOC}}^{11}\end{array}\right)\end{array}\right)}^{\#}---\left(5\right)$

其中mb1…mb12表示对应的副载波序列FFT变换之后并取共轭的值，#表示共轭。

最后将接收信号与这12个副载波序列分别相乘并对应求出IFFT，得到结果：

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{boc}}^0\\ R_{\mathrm{boc}}^1\\ \·\\ \·\\ \·\\ R_{\mathrm{boc}}^{11}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{MB}1\\ \mathrm{MB}2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{MB}12\end{array}\right]=\mathrm{IFFT}\left(\begin{array}{c}Y*\mathrm{mb}1\\ Y*\mathrm{MB}2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{Ymb}12\end{array}\right)---\left(6\right)$

步骤4：本地储存所需的辅助式子的12个子式子。

具体过程：

为了消除来自BOC调制信号自相关函数的边峰威胁，同时还能够保持主峰的陡峭程度，本地预先存储一个辅助函数，现将辅助函数命名为副函数，副函数的波形如图2所示，其表达式为：

$R_{\mathrm{BOCsub}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{m=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{i*m}\mathrm{\Λ}(\mathrm{\τ}-(i-m)T_{\mathrm{sc}})---\left(7\right)$ （7）

$=\underset{m=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{sub}}^m\left(\mathrm{\τ}\right)$

其中

表示副函数的第m个副相关，可以看出副函数是由这12个副相关构成的，T_sc是表示副码片周期，T_sc=T_c/12。

步骤5：确定信号自相关函数主峰所在位置，将步骤3结果与步骤4结果对应相加。

具体过程：

根据公式

$R_{\mathrm{BOC}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{m=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{boc}}^m---\left(8\right)$

我们可以得到BOC调制信号的自相关函数值，波形如图3所示，通过观察波形，能够估计出自相关函数

的全局最大峰值，以及峰值所对应的码片延迟τ，对应幅度A和相应相位θ。将本地所存储的副函数R_BOCsub(τ)的副相关式子以码片延迟τ为中心，与自相关函数分式子分别对应作和。

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=R_{\mathrm{BOC}}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{\mathrm{OBCsub}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{m=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}(R_{\mathrm{boc}}^m\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{\mathrm{sub}}^m\left(\mathrm{\τ}\right))---\left(9\right)$

步骤6：运用提出的方法进行变换，将处理得到的结果与预先设定的门限值进行比较，判断信号是否捕获成功。如果结果大于门限值则表明捕获成功；若小于门限值，则表明当前的卫星信号并没有捕获成功，调节本振和本地BOC码，重复以上的搜索过程，直到卫星信号捕获成功。

具体处理过程如下：

设重组公式，通过变换，我们发现公式

R_i=|R²ⁱ+R^11-1i|-|R²ⁱ-R^10-2i|_i=0，1…5            (10)

波形如图4所示，可以看出，R_i是关于τ=0对称的，同时在τ=0附近有重叠。

基于上述观察，重组运算规则，确定新的检测变量为：

$Y\underset{i=0}{\overset{5}{=\mathrm{\Π}}}{R}_i---\left(10\right)$

经过此运算之后，能够有效的消除边峰，保持主峰宽度，达到理想效果。运用合成相关函数法处理与BOC调制信号直接自相关的效果对比如图5a-图5b所示，通过观察波形，可以看出，直接自相关的波形有很多的边峰，这对接收机进行主峰捕获有很大的威胁，而经过合成相关函数法处理后，边峰被完全的消除了，只剩下一个所需要的主峰，使信号能够更好的捕获到。

将得到的Y值与之前设定好的门限进行比较，判定该信号是否被捕获成功，如果结果大于门限值则表明已经捕获成功，若小于门限值，则表明当前的卫星信号并没有捕获成功，调节本振和本地BOC调制信号，重复以上搜索过程，知道卫星信号捕获成功。

Claims (6)

1.一种二进制偏移载波调制信号边峰消除捕获方法，其特征是：

步骤1：取一段1ms中频信号的数据作为接收数据，并且选取多普勒频移范围(ω_Dmin,ω_Dmax)，以及搜索频率步进Δω_D，同时设定检测阈值γ；

步骤2：数据进行载波剥离处理，将接收数据与本地复制载波进行混频，得到去除载波之后的信号，再进行FFT处理；

步骤3：本地产生BOC调制信号所分解的12个子信号，该12个子信号进行FFT变换并取共轭，然后将接收信号与之分别相乘并进行IFFT变换，并存储；

步骤4：本地储存所需的辅助式子的12个子式子；

步骤5：确定信号自相关函数主峰所在位置，将步骤3结果与步骤4结果对应相加；

步骤6：将处理得到的结果与预先设定的门限值进行比较，判断信号是否捕获成功；如果结果大于门限值则表明捕获成功；若小于门限值，则表明当前的卫星信号并没有捕获成功，调节本振和本地BOC码，重复步骤1-步骤5，直到卫星信号捕获成功。

2.根据权利要求1所述的二进制偏移载波调制信号边峰消除捕获方法，其特征是步骤2具体包括：

来自单颗卫星信号的输入模型为：

其中：s(k)是在采样时间t_k时的输入信号，c(t_k-t_s)为初始码相位为t_s的BOC码序列，

为初始载波相位，频率ω_IF是中频，ω_D是载波信号的多普勒频移，n(k)是噪声，k=0,1,…N-1、为处理数据段的采样点数；

将接收信号s(k)与本地载波复正弦信号

进行混频处理，滤除高频分量后得到：

其中：

为第i次载波频率搜索点与接收信号间的频率差值，

是第i次本地载波的多普勒频移，

为对应的相位差值，当频率差值

时，即本地复现的载波频率与接收信号的载波频率相等时，实现载波的完全剥离，最终得到包含常数因子的接收BOC码序列为：

将去除载波之后的信号进行FFT变换，具体表现形式如下：

Y=FFT(y)。

3.根据权利要求1所述的二进制偏移载波调制信号边峰消除捕获方法，其特征是步骤3具体包括：

本地生成的BOC调制信号按照公式 $S_{\mathrm{BOC}}\left(t\right)=\mathrm{sgn}\left(\sin \left(2\mathrm{\π}{f}_{s}t\right)\right)=\underset{i=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{i}p{T}_{B1}(t-{\mathrm{iT}}_{B1})=\underset{i=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{S}_{\mathrm{subBOC}}^i,$ 并分别存储，

其中

表示第i个副载波序列，sgn(□)表示正负号函数，f_s表示副载波频率， ${\mathrm{pT}}_{B1}\left(\mathrm{\τ}\right)=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|\mathrm{\τ}\right|\≤T_c/12\\ 0& \mathrm{ptherwise}\end{array}\right.,$ T_c表示码片周期，τ表示码片迟延；

然后将这12个副载波序列分别进行FFT变换，并取共轭，具体表现形式如下：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{mb}1\\ \mathrm{mb}2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{mb}12\end{array}\right]={\left(\begin{array}{c}\mathrm{FFT}\left(\begin{array}{c}{S}_{\mathrm{subBOC}}^0\\ S_{\mathrm{subBOC}}^1\\ \·\\ \·\\ \·\\ S_{\mathrm{subBOC}}^{11}\end{array}\right)\end{array}\right)}^{\#}$

其中mb1…mb12表示对应的副载波序列FFT变换之后并取共轭的值，#表示共轭；

最后将接收信号与这12个副载波序列分别相乘并对应求出IFFT，得到结果：

$\left[\begin{array}{c}{R}_{\mathrm{boc}}^0\\ R_{\mathrm{boc}}^1\\ \·\\ \·\\ \·\\ R_{\mathrm{boc}}^{11}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{MB}1\\ \mathrm{MB}2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{MB}12\end{array}\right]=\mathrm{IFFT}\left(\begin{array}{c}Y*\mathrm{mb}1\\ Y*\mathrm{MB}2\\ \·\\ \·\\ \·\\ \mathrm{Ymb}12\end{array}\right).$

4.根据权利要求1所述的二进制偏移载波调制信号边峰消除捕获方法，其特征是步骤4具体包括：

本地预先存储一个辅助函数，将辅助函数命名为副函数，其表达式为：

$R_{\mathrm{BOCsub}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{m=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{(-1)}^{i*m}\mathrm{\Λ}(\mathrm{\τ}-(i-m)T_{\mathrm{sc}})$

$=\underset{m=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}{R}_{\mathrm{sub}}^m\left(\mathrm{\τ}\right)$

其中

表示副函数的第m个副相关，副函数是由这12个副相关构成的，T_sc是表示副码片周期，T_sc=T_c/12。

5.根据权利要求1所述的二进制偏移载波调制信号边峰消除捕获方法，其特征是步骤5具体包括：

根据公式

得到BOC调制信号的自相关函数值，估计出自相关函数

的全局最大峰值，以及峰值所对应的码片延迟τ，对应幅度A和相应相位θ；将本地所存储的副函数R_BOCsub(τ)的副相关式子以码片延迟τ为中心，与自相关函数分式子分别对应作和，

$R\left(\mathrm{\τ}\right)=R_{\mathrm{BOC}}\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{\mathrm{OBCsub}}\left(\mathrm{\τ}\right)=\underset{m=0}{\overset{11}{\mathrm{\Σ}}}(R_{\mathrm{boc}}^m\left(\mathrm{\τ}\right)+R_{\mathrm{sub}}^m\left(\mathrm{\τ}\right)).$

6.根据权利要求1所述的二进制偏移载波调制信号边峰消除捕获方法，其特征是步骤6具体包括：

设

重组公式，通过变换，得到公式

R_i=|R²ⁱ+R^11-2i|R²ⁱ-R^10-2i|_i=0,1…5

由于^Ri是关于τ=0对称的，同时在τ=0附近有重叠，

重组运算规则，确定新的检测变量为：

$Y=\underset{i=0}{\overset{5}{\mathrm{\Π}}}{R}_i$

经过此运算之后，最后将得到的Y值与之前设定好的门限进行比较，判定该信号是否被捕获成功，如果结果大于门限值则表明已经捕获成功，若小于门限值，则表明当前的卫星信号并没有捕获成功，调节本振和本地BOC调制信号，重复以上搜索过程，直到卫星信号捕获成功。

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