CN104765048B - 一种高灵敏度北斗卫星b1i信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度北斗卫星B1I信号捕获方法，克服了现有技术中运算量大，处理速度慢，重复生成本地复现信号的缺点，本发明的具体步骤如下：(1)输入北斗卫星B1I信号；(2)数据分组；(3)数据分块；(4)用NH码调制数据块；(5)数据块叠加；(6)生成本地复现信号；(7)傅里叶变换；(8)获得相关值；(9)获得非相干积分值；(10)改变本地复现信号频率；(11)判断循环次数是否小于10次，若是执行步骤(8)，否则执行步骤(12)；(12)捕获检测；本发明相比于现有技术，具有处理速度快，捕获性能好的优点。

Description

一种高灵敏度北斗卫星B1I信号捕获方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更进一步涉及数字信号处理技术领域中的一种高灵敏度北斗卫星B1I信号捕获方法。本发明适用于高灵敏度的北斗MEO/IGSO卫星发射的B1I信号捕获，通过处理卫星导航接收机接收到的北斗MEO/IGSO卫星发射的B1I信号经过射频放大、下变频和采样处理后的数字中频信号，检测并捕获卫星信号。

背景技术

导航卫星信号捕获是输入的卫星信号与卫星导航接收机产生的本地复现信号进行相关运算(相关运算指输入信号与本地复现信号相乘，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显著的峰值，从而检测卫星信号是否存在，并根据峰值所在位置确定卫星信号的扩频码相位和多普勒频移值。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，即高灵敏度导航卫星信号捕获。

目前，现有的高灵敏度导航卫星信号捕获方法主要有相干积分和非相干积分两种方式，它们中的一种或组合常用于高灵敏度导航信号的捕获。相干积分是将卫星信号和本地复现信号的相关结果直接累加以提高信号处理增益，相干积分保持了信号的相位信息，所以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数据比特翻转的限制；非相干积分将相关积分结果平方之后再相加，因此消除了数据比特翻转的影响，但是平方操作引入了平方损耗，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需要较长的相干积分时间。

北斗MEO/IGSO卫星在发射的B1I信号上播发两种导航信号，分别是D1信号和D2信号。D1信号的数据调制速率为50bps，D1信号上调制的扩频码(C/A码)速率为2.046Mcps，周期为1ms，D1信号还调制了20bit Neumann Hoffman码(NH码)，NH码速率1kbps，导致一个导航数据周期包含的20个扩频码极性不同，严重限制了相干积分的积分时长。

中国科学院嘉兴微电子与系统工程中心在其申请的专利“一种高灵敏度北斗卫星信号捕获方法和装置”(专利申请号：201310637016.9，公开号：CN 103616702 A)中公开了一种高灵敏度北斗卫星信号捕获方法。该方法对经过混频后的基带信号进行扩频码调制和扩频码单周期积分，然后对m个单周期积分结果进行多相位相干积分，通过实验m个扩频码所有可能的相位组合，取多相位相干积分中的最大值作为检测结果，从而克服了NH码二次编码的影响。但是该方法存在的不足是：m个单周期的多相位相干积分需要考虑2^m-1种相位组合，在信号微弱，积分时长较长时，相位组合数量呈指数倍数增长，计算量大，捕获时间过长，会影响后续跟踪、解码和定位解算等，使相干积分的时长受到限制。

发明的内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种高灵敏度北斗卫星B1I信号捕获方法。本发明提出的方法可以有效捕获微弱的北斗B1I信号，同时并没有引入过多的计算量。

实现本发明目的的思路是：将20毫秒的数据块调制NH码，通过实验20种可能的数据比特边沿，正确剥离NH码，从而打破NH码对相干积分时长的影响。并通过以卫星数据叠加代替相干积分，以快速傅里叶变换结果循环移位代替本地复现信号的频率变换，减少运算量。

为了实现上述目的，本发明包括如下步骤：

(1)输入北斗卫星B1I信号：

(1a)输入北斗卫星B1I数字中频信号，输入的北斗卫星B1I数字中频信号是经过导航接收机接收到的北斗卫星B1I信号经过射频放大、下变频和采样处理后得到的；

(1b)从输入北斗卫星B1I数字中频信号中任意读取连续的n×20毫秒的数据，每个导航数据比特时长为20毫秒，n表示导航数据比特的个数；

(2)数据分组：

将读取的连续的n×20毫秒的数据均分为20组。第一组的数据范围从第1毫秒对应的数据开始，以后每一组一次延迟1毫秒；具体分组方式为，第i组数据的范围为第i毫秒对应的数据到第n×20+i-21毫秒对应的数据，i表示分组序号。

(3)数据分块：

将每个数据组内的数据均分为n-1个数据块，n表示读取的导航数据比特个数，得到信号数据块；具体的分块方式为：n-1个数据块中的第k个数据块的范围为该组第k×20-19毫秒的数据到第k×20毫秒的数据，每块包含20毫秒时长的数据，k表示数据块的序号。

(4)用NH码调制数据块：

将每个数据块的每毫秒的数据乘以Neumann-Hoffman码对应比特的值，得到调制Neumann-Hoffman码之后的数据块；

(5)数据块叠加：

按照下式，对调制Neumann-Hoffman码之后的数据块进行叠加，得到的累加数据块：

其中，y_k表示相干叠加得到的累加数据块，k表示1毫秒时间内总采样点中的第k个采样点，i表示时长20毫秒的信号数据块中的第i毫秒，y_ik表示信号数据块中第i个1毫秒时间内的采样点第k个采样点的值；

(6)生成本地复现信号：

(6a)利用矩阵实验室软件中的sin函数生成同相载波，利用该软件中的cos函数生成正交相载波；

(6b)用扩频码分别乘以生成的同相载波和正交相载波，得到经过调制后的同相载波和调制后的正交相载波；

(6c)对调制后的同相载波和调制后的正交相载波进行采样；

(6d)将调制后的同相载波采样数据作为实部，将调制后的正交相载波的采样数据作为虚部，得到本地复现信号；

(7)傅里叶变换：

(7a)将每个累加数据块做快速傅里叶变换，得到所有累加数据块的频域数据；

(7b)对本地复现信号做快速傅里叶变换，得到本地复现信号的频域数据；

(8)获得每个累加数据块与本地复现信号相关值：

用本地复现信号的频域数据的复共轭分别乘以每个累加数据块的频域数据，得到每个累加数据块与本地复现信号的相关值；

(9)获得每个数据组的非相干积分值：

(9a)对每个累加数据块与本地复现信号的相关值取模，得到每个累加数据块与本地复现信号的相关值的模值；

(9b)在步骤(2)数据分组的每个数据组内，将累加数据块与本地复现信号的相关值的模值相加，得到每个数据组的非相干积分值；

(10)改变本地复现信号频率：

对本地复现信号的频域数据左循环移位一个数据点，改变了本地复现信号频率；

(11)判断循环次数是否小于10次，若是，执行步骤(8)，否则，执行步骤(12)；

(12)捕获检测：

(12a)找出所有非相干积分值中的最大值和次大值；

(12b)用最大值和次大值的比值与门限值进行比较，如果最大值和次大值的比值大于门限值，则判定北斗卫星B1I信号捕获成功，否则判定捕获失败。

本发明与现有技术相比较，具有如下优点：

第一，由于本发明使用了在北斗卫星B1I数字中频信号上调制NH码的方式，避免了在进行多相位相干积分时计算不同的相位组合，从而克服了现有技术进行长时间积分时，由于计算量大导致捕获时间久的缺点，使得本发明可以进行更长时间的积分，进而捕获更微弱北斗卫星B1I数字中频的信号。

第二，由于本发明对北斗卫星B1I数字中频信号数据块直接叠加，避免了现有技术中的相干积分运算，减少了的快速傅里叶变换的次数，使得本发明提高了运算速度，缩短了捕获北斗卫星B1I信号所需要的时间。

第三，由于本发明对本地复现信号的频率改变采用本地复现信号的频域数据左循环移位的方法，不需要每次都重新生成本地复现信号，克服了现有技术中改变本地复现信号频率需要重新生成载波的重复工作的缺点，使得本发明降低了捕获北斗卫星B1I信号过程的复杂度。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明中数据分组步骤的示意图；

图3是本发明中数据分块步骤的示意图；

图4是本发明的仿真图。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的实现步骤做详细的描述。

参照附图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，输入北斗卫星B1I信号。

第一步，输入北斗卫星B1I数字中频信号，输入的北斗卫星B1I数字中频信号是经过导航接收机接收到的北斗卫星B1I信号经过射频放大、下变频和采样处理后得到的。

第二步，从输入北斗卫星B1I数字中频信号中任意读取连续的n×20毫秒的数据，每个导航数据比特时长为20毫秒，n表示导航数据比特的个数。可以根据具体环境中信号的信噪比设置，信噪比低时，可以增大n值，一般n取大于等于1的正整数。

步骤2，数据分组。

将读取的连续的n×20毫秒的数据分为20组。具体分组方式为，第i组数据的范围为第i毫秒对应的数据到第n×20+i-21毫秒对应的数据，i表示分组序号。

步骤3，数据分块。

将每个数据组内的数据均分为n-1个数据块，n表示读取的导航数据比特个数，得到信号数据块。具体的分块方式为：n-1个数据块中第k个数据块的范围为该组第k×20-19毫秒的数据到第k×20毫秒的数据，每块包含20毫秒时长的数据，k表示数据块的序号。

步骤4，用NH码调制数据块。

将每个数据块的每毫秒的数据乘以Neumann-Hoffman码对应比特的值，得到调制Neumann-Hoffman码之后的数据块。具体操作为：每个数据块内，第一毫秒的数据乘以NH码第一个比特的值，第二毫秒的数据乘以NH码第二个比特的值，依次类推。

步骤5，数据块叠加。

按照下式，对调制Neumann-Hoffman码之后的数据块进行叠加，得到的累加数据块：

其中，y_k表示相干叠加得到的累加数据块，k表示1毫秒时间内总采样点中的第k个采样点，i表示时长20毫秒的信号数据块中的第i毫秒，y_ik表示信号数据块中第i个1毫秒时间内的采样点第k个采样点的值。

步骤6，生成本地复现信号。

本地复现信号共有两路，同时生成，本地复现信号1的频率为f_I-5kHz，本地复现信号2的频率为f_I-4.5kHz,f_I为北斗卫星B1I中频信号频率，等于1.25MHz。

第一步，利用矩阵实验室软件的sin函数生成同相载波，利用该软件中的cos函数生成正交相载波。

第二步，用扩频码分别乘以生成的同相载波和正交相载波，得到经过调制后的同相载波和调制后的正交相载波。

第三步，对调制后的同相载波和调制后的正交相载波进行采样，采样频率4.092MHz。

第四步，以调制后的同相载波采样数据作为实部，调制后的正交相载波的采样数据作为虚部，得到本地复现信号。

步骤7，傅里叶变换。

第一步，将每个累加数据块做快速傅里叶变换，得到所有累加数据块的频域数据。

第二步，对本地复现信号做快速傅里叶变换，得到本地复现信号的频域数据。

步骤8，获得每个累加数据块与本地复现信号相关值。

用本地复现信号的频域数据的复共轭分别乘以每个累加数据块的频域数据，得到每个累加数据块与本地复现信号的相关值。

步骤9，获得每个数据组的非相干积分值。

(9a)对每个累加数据块与本地复现信号的相关值取模，得到每个累加数据块与本地复现信号的相关值的模值；

(9b)在步骤(2)数据分组的每个数据组内，将累加数据块与本地复现信号的相关值的模值相加，得到每个数据组的非相干积分值。

步骤10，改变本地复现信号频率。

对本地复现信号的频域数据左循环移位一个数据点，改变了本地复现信号频率。每移位一个数据点，本地复现信号频率步进1000Hz。

步骤11，判断循环次数是否小于10次，若是，执行步骤8，否则，执行步骤12。

步骤12，捕获检测。

第一步，找出所有非相干积分值中的最大值和次大值。

第二步，用最大值和次大值的比值与门限值进行比较，如果最大值和次大值的比值大于门限值，则判定北斗卫星B1I信号捕获成功，否则判定捕获失败。门限值设置为1.5。

下面结合附图2对本发明的输入的数据分组做详细的描述。

图2是本发明的数据分组示意图。其中，每一行表示一个分组，第一组的数据范围从第1毫秒对应的数据开始，以后每一组一次延迟1毫秒。具体分组方式为，第i组数据的范围为第i毫秒对应的数据到第n×20+i-21毫秒对应的数据，i表示分组序号。

本发明的效果可通过以下仿真进一步说明。

1、仿真条件：

本发明的仿真试验是在计算机硬件配置为Inter i3-4150 3.5Ghz，内存4G的硬件环境和计算机软件配置为MATLAB R2013a的软件环境下进行的。

2、仿真内容：

本发明仿真是对用MATLAB软件仿真模拟的北斗卫星B1I数字中频信号进行捕获实验。北斗卫星B1I数字中频信号为1.25MHz，采样频率为4.092MHz，设置码相位为500，多普勒频率为2320Hz，信噪比为-40dB。

本发明的仿真内容为：采用本发明提出的方法，对用MATLAB软件仿真模拟的北斗卫星B1I数字中频信号进行捕获，结果详见图4。

3、仿真效果分析

图4(a)为使用本发明方法捕获的码相位图，图4(b)为使用本发明方法捕获的多普勒频率图。图4(a)中的横坐标表示码相位，纵坐标表示非相干积分值，图4(a)中以直线表示在对应码相位上的非相干积分值。捕获结果中的码相位值等于设置的码相位值乘以采样频率除以扩频码速率。最大值结果为1001，与准确结果1000相差半个码片，在误差范围之内。图4(b)中的横坐标表示多普勒频率值，纵坐标表示非相干积分值，图4(b)中的以星点表示在对应多普勒频率值上的非相干积分值。多普勒频率的误差范围为500Hz，捕获结果显示多普勒频率值为2016.3908Hz，在误差范围之内。

在图4(a)和图4(b)中均有明显的峰值，且两图中的最大值与次大值的比值大于1.5，表示采用本发明的方法捕获仿真模拟的北斗卫星B1I数字中频信号成功。证明使用本发明的方法可以捕获信噪比低至-40dB的北斗卫星B1I信号。

Claims (4)

1.一种高灵敏度北斗卫星B1I信号捕获方法，包括如下步骤：

(1)输入北斗卫星B1I信号：

(1a)输入北斗卫星B1I数字中频信号，输入的北斗卫星B1I数字中频信号是经过导航接收机接收到的北斗卫星B1I信号经过射频放大、下变频和采样处理后得到的；

(1b)从输入北斗卫星B1I数字中频信号中任意读取连续的n×20毫秒的数据，每个导航数据比特时长为20毫秒，n表示导航数据比特的个数；

(2)数据分组：

将读取的连续的n×20毫秒的数据均分为20个数据组，其中，第一组的数据范围从第1毫秒对应的数据开始，以后每一组一次延迟1毫秒；所述的数据分组方式为：第i组的范围为第i毫秒对应的数据到第n×20+i-21毫秒对应的数据，i表示分组的序号，n表示n个导航数据比特；

(3)数据分块：

将每个数据组内的数据均分为n-1个数据块，n表示读取的导航数据比特个数，得到信号数据块；所述的数据分块方式为：n-1个数据块中的第k个数据块的范围为该组第k×20-19毫秒的数据到第k×20毫秒的数据，k表示数据块的序号；

(4)用NH码调制数据块：

将每个数据块的每毫秒的数据乘以Neumann-Hoffman码对应比特的值，得到调制Neumann-Hoffman码之后的数据块；

(5)数据块叠加：

按照下式，对调制Neumann-Hoffman码之后的数据块进行叠加，得到的累加数据块：

$y_k=\underset{i=1}{\overset{20}{\Σ}}{y}_{ik}$

其中，y_k表示相干叠加得到的累加数据块，k表示1毫秒时间内总采样点中的第k个采样点，i表示时长20毫秒的信号数据块中的第i毫秒，y_ik表示信号数据块中第i个1毫秒时间内的采样点第k个采样点的值；

(6)生成本地复现信号：

(6a)利用矩阵实验室软件中的sin函数生成同相载波，利用该软件中的cos函数生成正交相载波；

(6b)用扩频码分别乘以生成的同相载波和正交相载波，得到经过调制后的同相载波和调制后的正交相载波；

(6c)对调制后的同相载波和调制后的正交相载波进行采样；

(6d)将调制后的同相载波采样数据作为实部，将调制后的正交相载波的采样数据作为虚部，得到本地复现信号；

(7)傅里叶变换：

(7a)将每个累加数据块做快速傅里叶变换，得到所有累加数据块的频域数据；

(7b)对本地复现信号做快速傅里叶变换，得到本地复现信号的频域数据；

(8)获得每个累加数据块与本地复现信号相关值：

用本地复现信号的频域数据的复共轭分别乘以每个累加数据块的频域数据，得到每个累加数据块与本地复现信号的相关值；

(9)获得每个数据组的非相干积分值：

(9a)对每个累加数据块与本地复现信号的相关值取模，得到每个累加数据块与本地复现信号的相关值的模值；

(9b)在步骤(2)数据分组的每个数据组内，将累加数据块与本地复现信号的相关值的模值相加，得到每个数据组的非相干积分值；

(10)改变本地复现信号频率：

对本地复现信号的频域数据左循环移位一个数据点，改变了本地复现信号频率；

(11)判断循环次数是否小于10次，若是，执行步骤(8)，否则，执行步骤(12)；

(12)捕获检测：

(12a)找出所有非相干积分值中的最大值和次大值；

(12b)用最大值和次大值的比值与门限值进行比较，如果最大值和次大值的比值大于门限值，则判定北斗卫星B1I信号捕获成功，否则判定捕获失败。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度北斗卫星B1I信号捕获方法，其特征在于，步骤(1b)中所述的从输入北斗卫星B1I数字中频信号中任意读取连续的n×20毫秒的数据，n的取值为不小于1的正整数，n的取值是根据导航接收机接收到的北斗卫星B1I信号的信噪比确定，信噪比越低，n的取值越大。

3.根据权利要求1所述的一种高灵敏度北斗卫星B1I信号捕获方法，其特征在于，步骤(6c)中所述对调制后的同相载波和调制后的正交相载波进行采样的采样频率为4.092MHz。

4.根据权利要求1所述的一种高灵敏度北斗卫星B1I信号捕获方法，其特征在于，步骤(12b)中所述的门限值等于1.5。