CN104483684A - 一种快速捕获北斗d1卫星导航系统弱信号的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种快速捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法,包括以下步骤:S1.将通道搜索的卫星PRN号分别置为1-6;S2.对接收信号进行第一次采样;S3.选取NH码构成匹配滤波器对接收信号的再采样数据进行相关累加;S4.将步骤S2中相关累加的结果分为N段,并与本地码逐点相关累加;S5.对步骤S3中相关累加的结果进行M点FFT;S6.计算信噪比,根据信噪比门限检测捕获与否,若未捕获,更换NH码的相位,重复以上S1-S6步骤。本发明能够剥离NH二次编码,实现20ms的相关累加,提高捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的能力。
Description
技术领域
本发明涉及系统传输信号的捕获或跟踪,具体涉及一种捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的快速捕获方法。
背景技术
扩频通信技术在现代通信系统中得到了广泛的使用,特别是在卫星导航领域。中国自主研发的北斗卫星导航系统(以下简称北斗),其信号体制和美国的GPS系统、欧盟的伽利略系统类似。对于北斗系统,在高信噪比的场合(如室外开阔环境),可以比较容易的捕获成功卫星信号,得到码相位和载波频率等信息。但是在弱信号的场合,如室内、城市浓密树荫下的街道等环境,此时卫星信号载噪比往往会低于30dB-Hz甚至20dB-Hz以下,此时需要获取足够大的积分增益,以检测到卫星信号。
图2给出的方法为基于匹配滤波的时间串行频率并行搜索方法,被广泛地应用在卫星导航的快速信号捕获中,但因为卫星信号中调制有50BPS的导航电文,致使只能进行1ms的相关累加,该方法所对应的捕获算法为普通灵敏度捕获算法,为提高捕获灵敏度,核心解决的问题是采用多ms数据的相干累加,为此需要消除数据位的影响,2013年袁火平提出采用多ms的非相干累加进行北斗和GPS信号的弱信号捕获,该算法较好地解决了数据存贮和捕获速度之间的矛盾,但因为只能采用20ms的非相干累加,对灵敏度提高效果不是很明显。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法。
本发明的目的是通过这样的技术方案实现的,一种快速捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法,包括以下步骤:
S1.将通道搜索的卫星PRN号分别置为1-6;
S2.对接收信号进行第一次采样;
S3.选取NH码构成匹配滤波器对接收信号的再采样数据进行相关累加;
S4.将步骤S2中相关累加的结果分为n段,并与本地码逐点相关累加;
S5.对步骤S3中相关累加的结果进行m点FFT;
S6.计算信噪比,根据信噪比门限检测捕获与否;
若未捕获,更换NH码的相位,重复以上S1-S6步骤。
进一步,步骤S5中m点FFT的结果为:
其中,A表示接收信号幅度,DNHi表示北斗的NH码,Di表示导航电文,G(t)表示PRN码,Ts表示采样时间间隔,fs表示采样频率,τ表示本地码与接收码之间的进间差,wkn=exp(-j2πknF/fs)为FFT中的频率因子,F表示FFT的频率分辨率,fr为接收卫星信号频率;w64mk表示对应n=64m时的wkn。
由于采用上述技术方案,本发明具有如下的优点:
1、本发明能够剥离NH二次编码,实现20ms的相关累加,提高捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的能力;(2)本发明可提高捕获灵敏度13dB;
2、该发明不影响正常北斗信号的接收。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述,其中:
图1为本发明快速捕获方法的流程图;
图2为普通快捕算法示意图;
图3为GPS高灵敏度快捕算法;
图4为北斗导航电文与扩频码同步调制图;
图5为本发明算法示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。
图1为本发明快速捕获方法的流程图,如图所示,一种快速捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法,包括以下步骤:
S1.将通道搜索的卫星PRN号分别置为1-6;
S2.对接收信号进行第一次采样;
S3.选取NH码构成匹配滤波器对接收信号的再采样数据进行相关累加;
S4.将步骤S2中相关累加的结果分为n段,并与本地码逐点相关累加;
S5.对步骤S3中相关累加的结果进行m点FFT;
S6.计算信噪比,根据信噪比门限检测捕获与否;
若未捕获,更换NH码的相位,重复以上S1-S6步骤。
下面对本发明作具体说明,
图2为普通快捕算法示意图,其过程为:将接收信号与本地码逐点相乘累加,将累加值与门限比较,如果超过门限值则认为捕获到了信号,同时得到了大致的多普勒频偏与码相位值,这就完成了捕获。
记接收信号为:
式中,s(t)为接收信号,A为信号幅度,D(t)为导航电文,G(t)为PRN码,n(t)为接收机的噪声,ωr为接收信号频率。对接收信号进行再采样,采样频率为2.046MHZ。
设本振频率为ω,本地码与接收码之间的时间差为τ,进行相关累加时,暂不考虑接收机低噪声的影响,相关累加器的输出为:
式中,因e-jωτ仅仅影响相位,不影响幅值,进行信号捕获勿需考虑。
在上式中,第一次采样频率为2.046MHZ,31点相关累加等效为32点FFT,频率分辨率为2.046M/32=64K;第二次等效采样率为2.046M/64=32K,64点FFT的频率分辨率为32K/64=0.5KHZ,即FFT的频率分辨率为F=2.046M/64/64=0.5K,频率f=kF,记wkn=exp(-j2πknF/fs),上式可以表示为:
图3为GPS高灵敏度快捕算法示意图;GPS的数据率为50HZ(20ms),为提高灵敏度,需要进行多ms相关累加,记t=(i+64m+n)Ts,i为1ms的整数部分,式(1)可以表示为:
对i进行相关累加,
因为GPS数据位宽为20ms,以上相邻2个10ms的相关累加必有一路数据位不受影响,为此取算法为:
北斗的数据率也是50HZ(20ms),与GPS不同的是,北斗的导航电文上调制了一个Neumann-Hoffman码(简称NH码)。采用码宽为1ms的20比特NH码(0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0),码速为1kbps,与导航信息和扩频码进行同步调制如图4所示。
对北斗卫星信号的捕获,同GPS中对C/A码的捕获一样,根据其C/A码良好的自相关性质,对其进行相关运算,当复制码与卫星当中的数据相同时,将会出现峰值。在北斗的高灵敏度算法中,同样采用多ms相关累加来提高其灵敏度,则,上式中的z可表示为:
式中,GL表示本地码,wr=2πfr为接收频率,wL=2πfL为本地复制载波频率,记wr-wL=wd,取wd=10k,在i=0和i=10之间,有该结果可以忽略不计,
由GPS可推算出在北斗中,
式中,DNHi表示北斗的NH码,算法实现如图5所示。
本发明引入已知BD的NH码,采用先去数据位,再进行相干累加的方法,不增加FPGA的数据存贮负担,实现装置任然保持1ms的数据存贮空间不变;采用1ms的判别,多ms累加的判决机制,不降低捕获正常信号的速度;对弱信号采用NH码滑动,20ms相干累加的判决机制,虽然牺牲了捕获弱信号的速度,最大可能降低到400ms/卫星,但捕获灵敏度能提高13dB,在弱信号场景下具备实用价值。
最后说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制,尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本技术方案的宗旨和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (2)
1.一种快速捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的方法,其特征在于:包括以下步骤:
S1.将通道搜索的卫星PRN号分别置为1-6;
S2.对接收信号进行第一次采样;
S3.选取NH码构成匹配滤波器对接收信号的再采样数据进行相关累加;
S4.将步骤S2中相关累加的结果分为n段,并与本地码逐点相关累加;
S5.对步骤S3中相关累加的结果进行m点FFT;
S6.计算信噪比,根据信噪比门限检测捕获与否;
若未捕获,更换NH码的相位,重复以上S1-S6步骤。
2.根据权利要求1所述的捕获北斗D1卫星导航系统弱信号的快速捕获方法,其特征在于:步骤S5中m点FFT的结果为:
其中,A表示接收信号幅度,DNHi表示北斗的NH码,Di表示导航电文,G(t)表示PRN码,Ts表示采样时间间隔,fs表示采样频率,τ表示本地码与接收码之间的进间差,wkn=exp(-j2πknF/fs)为FFT中的频率因子,F表示FFT的频率分辨率,fr为接收卫星信号频率。
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