CN106054221A - 一种位同步方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种位同步方法及其装置，采用相干累加和非相干累加，提高信号信噪比的增益，同时采用类TONG检测判决方法，使得位同步可以在更低的载噪比下进行，位同步装置包括，跟踪混频模块，累加器设置模块，累加模块，判定模块。使用本发明的方法和装置，极大地降低了设备的运算负担。

Description

一种位同步方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种位同步方法及其装置，属于导航信号基带处理领域。

背景技术

位同步是GNSS(全球卫星导航系统)接收机对导航信号基带处理的第一步，通过该过程，接收机实现了两方面目的。(1)实现信号相干积分的长时跟踪，在位同步过程中，接收机可以确定比特周期的边沿，这样，在相干积分时能够规避比特翻转给环路带来的能量损耗，使用20ms或者更长的相干时长，从而增加环路灵敏度和跟踪精度。(2)解调导航电文，对于导航信号来说，在一个比特周期内，存在20个C/A码周期，只有知道比特周期的起始点，才能够使用同符号的20个C/A码数据进行导航电文的译码。否则，极有可能因为比特翻转造成译码错误。

现有技术中的差分相位检测方法：导航电文是二进制码，在解调过程中只有1、0两种状态。当有数据变化时，导航电文的数据就会发生跳变。因此，对于前后1ms数据进行差分运算，如果没有比特跳转，则计算结果很小，如果发生了比特翻转，当两个数据的差值大于事先设定的阈值门限，就认为检测到电文翻转的周期边沿。不断地按照此方法进行检测，则可以找到所有的比特翻转边沿，解调出电文信号。对于阈值的设定，可以跟踪信号强度和工程实践进行设计。

总的来说，比特跳变边沿会按照电文的变化进行跳转，但是因为会有多周期同符号的情况，对于跳变边沿则会以20ms比特周期倍数的形式出现，对于没有变化的阶段，我们就可以译为出现连续的1或者-1数据。当然，有时由于噪声和信号的能量波动，该检测不一定按照完整的比特周期进行，这时需要使用概率统计的概念进行数据正确性统计和判别。灵敏度低，在载噪比低于30dB/Hz时，不能提供可信的位同步结果。

现有技术中的直方图法：直方图法采用统计的概念进行比特边沿的查找，即以一个比特周期为测量长度，在该比特周期中有20个伪码周期，所以，按照序号标定这20个周期数据，进行重复比特周期的测量，在出现前后比特符号变化时，在变化后的C/A码周期组上加1，这样，会出现两种状况，(1)其中一个计数器的计数值超过门限TH1且其他组计数器均没有超过门限TH2，则说明位同步成功，该计数器之后的20ms数据可以组成一个完整的比特周期。或者，有两个或两个以上计数器计数值超过阈值TH2，那么说明在这段检测周期内没有足够的比特周期翻转或者单次检测出现错误，这时，需要清空所有的计数器重新进行位同步。

除了这两种情况之外，其位同步还需要设定一个位同步时长，当达到位同步时长还没有成功位同步时，判定该次位同步失败，清零所有的计数器，跳出位同步判决。灵敏度低，在载噪比低于30dB/Hz时，不能提供可信的位同步结果。

现有技术中还存在一种方法：在接收机中建立20路相干积分序列，让这20组相干积分支路的起始沿相差1个C/A码周期，然后比较这20路相干积分结果的绝对值大小，若某条支路的绝对值比远大于其他支路，则说明这条支路没有收到比特翻转沿的衰减，而保留了最大的能量，该组的起始点则是相邻量比特数据间的比特边沿。灵敏度有限，没有利用非相干增益，同时计算量大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种位同步方法，通过对非相干积分的利用，提高了信号SNR的增益，使得位同步可以在更低的载噪比下进行。同时，对每次检测结果进行处理，极大地降低了设备的运算负担。

为达到上述目的，本发明公开了一种位同步方法,包括：

捕获卫星信号，在跟踪通道跟踪，通过与本地正弦、余弦信号混频得到去载波的同向支路和正交支路信号，其中该卫星信号的比特周期为T；

设置多个累加器，设定计数变量为k，阈值上限为A，阈值下限为0，累加器的数量通过比特周期T与设定的时间间隔t的比值确定，并对多个累加器编号；以时间间隔t在多个累加器内进行同向支路和正交支路信号的相干累加,得到多组相干累加值，每个相干累加值对应所在的累加器组的编号，相邻组的累加相关值相差t；在进行一个比特周期T的相干累加后，对多组相干累加值进行一次非相干累加，得到多组能量累加值，每个能量累加值对应所在的累加器组的编号；对能量累加值的峰值所在组进行判定，如果是，对判定计数加1，当k+1大于等于A时，k值为位同步成功时对应的比特边沿，位同步成功，如果否，对判定计数减1，当k-1小于等于0时，关闭跟踪通道；当k+1小于A和k-1大0时，判断位同步时间是否超出超时时间，如果否，进行下一比特周期的累加，该组继续参加，如果是，重新捕获卫星信号。

所述的一种位同步方法：其中所述卫星信号包括GPS，L1CA/BD,B1I信号。

所述的一种位同步方法：其中所述比特周期为20ms，时间间隔为1ms，累加器数量为20。

所述的一种位同步方法：其中相干累加满足下式：

${I^n}_p=\underset{k=n}{\overset{T_{coh}+n}{\Σ}}{i^{n+k}}_p$

${Q^n}_p=\underset{k=n}{\overset{T_{coh}+n}{\Σ}}{q^{n+k}}_p$

其中n表示累加器编号，i，q分别为间隔t的同向，正交累加值，p表示通道为即时路，为一次相干累加的长度，k为计数变量，与是编号为n的比特周期T的相干同向与正交值。

所述的一种位同步方法：其中非相干累加满足下式：

$S_n=\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{{{\left({I^n}_p\right)}_k}^2+{{\left({Q^n}_p\right)}_k}^2}$

其中Iⁿ _p与Qⁿ _p是编号为n的比特周期T的相干同向与正交值，C为设定的非相干累加的次数，k为计数变量，是能量累加值。

本发明还公开了一种位同步装置，包括：

跟踪混频模块，用于捕获卫星信号，在跟踪通道跟踪，通过与本地正弦、余弦信号混频得到去载波的同向支路和正交支路信号，其中该卫星信号的比特周期为T；

累加器设置模块，用于设置多个累加器，设定计数变量为k，阈值上限为A，阈值下限为0，累加器的数量通过比特周期T与设定的时间间隔t的比值确定，并对多个累加器编号；

累加模块，用于以时间间隔t在多个累加器内进行同向支路和正交支路信号的相干累加,得到多组相干累加值，每个相干累加值对应所在的累加器组的编号，相邻组的累加相关值相差t；在进行一个比特周期T的相干累加后，对多组相干累加值进行一次非相干累加，得到多组能量累加值，每个能量累加值对应所在的累加器组的编号；

判定模块，用于对能量累加值的峰值所在组进行判定，如果是，对判定计数加1，当k+1大于等于A时，k值为位同步成功时对应的比特边沿，位同步成功，如果否，对判定计数减1，当k-1小于等于0时，关闭跟踪通道；当k+1小于A和k-1大0时，判断位同步时间是否超出超时时间，如果否，进行下一比特周期的累加，该组继续参加，如果是，重新捕获卫星信号。

所述的一种位同步装置：其中所述卫星信号包括GPS，L1CA/BD,B1I信号。

所述的一种位同步装置：其中所述比特周期为20ms，时间间隔为1ms，累加器数量为20。

所述的一种位同步装置：其中，相干累加满足下式：

${I^n}_p=\underset{k=n}{\overset{T_{coh}+n}{\Σ}}{i^{n+k}}_p$

${Q^n}_p=\underset{k=n}{\overset{T_{coh}+n}{\Σ}}{q^{n+k}}_p$

其中n表示累加器编号，i，q分别为间隔t的同向，正交累加值，p表示通道为即时路，T_coh为一次相干累加的长度，k为计数变量，Iⁿ _p与Qⁿ _p是编号为n的比特周期T的相干同向与正交值。

所述的一种位同步装置：其中，非相干累加满足下式：

$S_n=\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{{{\left({I^n}_p\right)}_k}^2+{{\left({Q^n}_p\right)}_k}^2}$

其中Iⁿ _p与Qⁿ _p是编号为n的比特周期T的相干同向与正交值，C为设定的非相干累加的次数，k为计数变量，S_n是能量累加值。

由上述的技术方案可见，本发明采用相干累加和非相干累加，以及类TONG检测判决方法使得位同步可以在更低的载噪比下进行，同时，极大地降低了设备的运算负担。当然，实施本发明的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施方式的流程图。

图2是本发明实施方式的判决逻辑图。

图3是本发明实施方式的单次检测概率与载噪比对照图。

图4是本发明实施方式在-145dBm下单次能量比较序列。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面对应图1和图2来说明本发明提供的一种位同步方法，

步骤101、捕获卫星信号，在跟踪通道跟踪，通过与本地正弦、余弦信号混频得到去载波的同向支路和正交支路信号，其中该卫星信号的比特周期为T；

步骤102、设置多个累加器，设定计数变量为k，阈值上限为A，阈值下限为0，累加器的数量通过比特周期T与设定的时间间隔t的比值确定，并对多个累加器编号；

步骤103、以时间间隔t在多个累加器内进行同向支路和正交支路信号的相干累加,得到多组相干累加值，每个相干累加值对应所在的累加器组的编号，相邻组的累加相关值相差t；

步骤104、在进行一个比特周期T的相干累加后，对多组相干累加值进行一次非相干累加，得到多组能量累加值，每个能量累加值对应所在的累加器组的编号；

步骤105、对能量累加值的峰值所在组进行判定，如果是，对判定计数加1，当k+1大于等于A时，k值为位同步成功时对应的比特边沿，位同步成功，如果否，对判定计数减1，当k-1小于等于0时，关闭跟踪通道；

步骤106、当k+1小于A和k-1大0时，判断位同步时间是否超出超时时间，如果否，进行下一比特周期的累加，该组继续参加，如果是，重新捕获卫星信号。

对应上述方法，本发明还提供了一种位同步装置，包括：

跟踪混频模块，用于完成步骤101；累加器设置模块，用于完成步骤102；累加模块，用于完成步骤103和步骤104；判定模块，用于完成步骤105和步骤106。其中，跟踪混频模块包括，接收机，载波NCO(数控振荡器)，正弦LUT和余弦LUT,乘法器，积分器和鉴相器。其中累加模块包括，多个累加器，计数器。

提高位同步方法灵敏度的最直接方法是提高对信号的增益，相干增益公式为：

G_coh＝10log(N_coh)

其中N_coh是相干积分时间内进行相干累加的次数，由于信号中电文信息的存在，利用相干增益的最大相干时长不能长于比特周期的长度。因此，在相干积分的基础上，采用非相干积分累加，非相干增益公式：

G_nc＝10log(N_nc)-L_SQ

N_nc表示非相干积分累加的次数，本文中的平方损耗由L_SQ代表，平方损耗在低载噪比下没有影响。根据图3可以看出，对于不同次数的非相干累加的采用，在低于30dBhz载波比的情况下，保证位同步的正确性。根据图4可以看出，在低信噪比下能够实现位同步。

本发明采用类TONG检测方法是GNSS捕获中采用的确认捕获检测办法，其包括计数变量K，门限值和初始值，下限门限四个参数，通常情况下，下限门限为0。初始值在检测开始时对计数器K赋值，每次的检测值若有效，则计数值K加一，否则K值减一，之后比较K与A的大小，若大于A则说明检测成功，若K小于等于0则这轮检测失败，关闭检测。该方法的总的检测概率P_D与漏警概率P_FA为：

$P_D=\frac{{\left(\frac{1}{P_{crt}}-1\right)}^B-1}{{\left(\frac{1}{P_{crt}}-1\right)}^{A+B-1}-1}$

$P_{FA}=\frac{{\left(\frac{1}{P_{fa}}-1\right)}^B-1}{{\left(\frac{1}{P_{fa}}-1\right)}^{A+B-1}-1}$

其中Pcrt与Pfa分别为单次检测时的检测概率与漏警概率。

下面对本发明一个较优实施例进行说明，首先进行单次峰值的计算，在这里，以L1CA信号为例，首先在本地构造一个相关器序列，该序列以1ms间隔进行输入信号的相干累加，按照L1CA比特周期20ms计算，可得到20组累加值，相关累加结果为：

${I^n}_p=\underset{k=n}{\overset{T_{coh}+n}{\Σ}}{i^{n+k}}_p$

${Q^n}_p=\underset{k=n}{\overset{T_{coh}+n}{\Σ}}{q^{n+k}}_p$

其中n表示相关器序列的序号，即第几组相关累加器，Iⁿ _p与Qⁿ _p是序号为n的20ms相干同向与正交值，i，q分别为1ms的同向，正交累加值，初始计数值为k，p表示通道为即时路，T_coh为一次相干累加的长度，对于L1CA为20ms。在一个比特周期内，每组相干累加均会进行20次，但是相邻组的累加相关值相差1ms，信号累加逻辑如下表1：

在进行1次20ms的相干累加后，为了提升信号的信噪比，对这20组信号进行非相干累加，累加公式如下：

$S_n=\underset{k=0}{\overset{C}{\Σ}}\sqrt{{{\left({I^n}_p\right)}_k}^2+{{\left({Q^n}_p\right)}_k}^2}$

其中Iⁿ _p与Qⁿ _p为之前序号为n的20ms相干同向与正交值，C为非相干累加的次数，对一次非相干值进行平方和运算后，对能量进行累加，则可以得到20组能量累加值S_n。对于这组检测结果，参考图2，采用以下步骤进行：

完成实际信号的捕获，开启跟踪通道进行跟踪，待跟踪稳定，开始位同步过程；

在本地设置20组累加器，序号设置为0—19，初始化其值为0，同时设定判定初始计数值为k，阈值上限为A，阈值下限为0，相干累加为C/A码周期数20，非相干累加次数设定为C，位同步超时时间为D；

对积分值从位同步起始开始计数，将当前第n秒数据的同向路记I_n，在首次相干累加时，对于n在0到19之间，将I_n累加在本地累加器的第n组，当本组累加次数等于20时，对20毫秒周期累加值进行绝对值运算，求出其能量值P_n，当n为20的倍数时，其20组累加器均做完了该运算，此时，完成一个整周相干运算和单次非相干运算，在非相干次数等于C时，进行能量值的比较，对于最大能量组n，将该组的判定计数值+1，并判断该值是否大于等于A，如果是，则第n组为没有比特跳变的累加组，否则，将其他组判定值减1，若判定值小于0，则该组在之后计算中不参与运算，同步工作继续循环进行。

持续判决，位同步时间超出超时时间D，则本次位同步失败，清零所有计数器与累加器，关闭跟踪通道，重新进行卫星捕获。

上述方法描述了在得到单次检测结果后利用类TONG检测法进行判别的具体方法。由于在K小于C时，该通道的相关累加器关闭，减小了算法本身的计算量，其算力消耗为：

$P_{cmp}=\frac{19B(2-P_{crt})+A(2-P_{crt})}{20A(2-P_{crt})+}=\frac{19B+A}{20A}$

在该方法中，假设单次检测概率设置为95％，单次漏警概率设置为10％，则总的检测概率与漏警概率和阈值上限A、初始计数值B的关系如下表2：

从上表可以看出，在A设定为5的情况下，B只有在2以上才能得到大于单次检测概率的总检测概率值，这时，它所消耗资源为不加入类TONG检测的54％以上。换言之，利用类TONG检测法可以降低50％以上的资源消耗。

本方案所述的位同步方法及其装置，能够正确同步20dB/Hz以上的GPS，L1CA/BD，B1信号，同时，减少计算负担，能够降低50％以上的软件计算量和相关累加器消耗，是一种实用的跟踪位同步技术。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种位同步方法：其特征在于包括：

捕获卫星信号，在跟踪通道跟踪，通过与本地正弦、余弦信号混频得到去载波的同向支路和正交支路信号，其中该卫星信号的比特周期为T；

设置多个累加器，设定计数变量为k，阈值上限为A，阈值下限为0，累加器的数量通过比特周期T与设定的时间间隔t的比值确定，并对多个累加器编号；

以时间间隔t在多个累加器内进行同向支路和正交支路信号的相干累加,得到多组相干累加值，每个相干累加值对应所在的累加器组的编号，相邻组的累加相关值相差t；

在进行一个比特周期T的相干累加后，对多组相干累加值进行一次非相干累加，得到多组能量累加值，每个能量累加值对应所在的累加器组的编号；

对能量累加值的峰值所在组进行判定，如果是，对判定计数加1，当k+1大于等于A时，k值为位同步成功时对应的比特边沿，位同步成功，如果否，对判定计数减1，当k-1小于等于0时，关闭跟踪通道；

当k+1小于A和k-1大0时，判断位同步时间是否超出超时时间，如果否，进行下一比特周期的累加，该组继续参加，如果是，重新捕获卫星信号。

2.如权利要求1所述的一种位同步方法：其特征在于：

所述卫星信号包括GPS，L1CA/BD,B1I信号。

3.如权利要求1所述的一种位同步方法：其特征在于：

所述比特周期为20ms，时间间隔为1ms，累加器数量为20。

4.如权利要求1所述的一种位同步方法：其特征在于，相干累加满足下式：

${I^n}_p=\underset{k=n}{\overset{T_{coh}+n}{\Σ}}{i^{n+k}}_p$

${Q^n}_p=\underset{k=n}{\overset{T_{coh}+n}{\Σ}}{q^{n+k}}_p$

其中n表示累加器编号，i，q分别为间隔t的同向，正交累加值，p表示通道为即时路，T_coh为一次相干累加的长度，k为计数变量，Iⁿ _p与Qⁿ _p是编号为n的比特周期T的相干同向与正交值。

5.如权利要求1所述的一种位同步方法：其特征在于，非相干累加满足下式：

$S_n=\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{{{\left({I^n}_p\right)}_k}^2+{{\left({Q^n}_p\right)}_k}^2}$

其中Iⁿ _p与Qⁿ _p是编号为n的比特周期T的相干同向与正交值，C为设定的非相干累加的次数，k为计数变量，S_n是能量累加值。

6.一种位同步装置：其特征在于，包括：

跟踪混频模块，用于捕获卫星信号，在跟踪通道跟踪，通过与本地正弦、余弦信号混频得到去载波的同向支路和正交支路信号，其中该卫星信号的比特周期为T；

累加器设置模块，用于设置多个累加器，设定计数变量为k，阈值上限为A，阈值下限为0，累加器的数量通过比特周期T与设定的时间间隔t的比值确定，并对多个累加器编号；

累加模块，用于以时间间隔t在多个累加器内进行同向支路和正交支路信号的相干累加,得到多组相干累加值，每个相干累加值对应所在的累加器组的编号，相邻组的累加相关值相差t；在进行一个比特周期T的相干累加后，对多组相干累加值进行一次非相干累加，得到多组能量累加值，每个能量累加值对应所在的累加器组的编号；

判定模块，用于对能量累加值的峰值所在组进行判定，如果是，对判定计数加1，当k+1大于等于A时，k值为位同步成功时对应的比特边沿，位同步成功，如果否，对判定计数减1，当k-1小于等于0时，关闭跟踪通道；当k+1小于A和k-1大0时，判断位同步时间是否超出超时时间，如果否，进行下一比特周期的累加，该组继续参加，如果是，重新捕获卫星信号。

7.如权利要求6所述的一种位同步装置：其特征在于：

所述卫星信号包括GPS，L1CA/BD,B1I信号。

8.如权利要求6所述的一种位同步装置：其特征在于：

所述比特周期为20ms，时间间隔为1ms，累加器数量为20。

9.如权利要求6所述的一种位同步装置：其特征在于，相干累加满足下式：

${I^n}_p=\underset{k=n}{\overset{T_{coh}+n}{\Σ}}{i^{n+k}}_p$

${Q^n}_p=\underset{k=n}{\overset{T_{coh}+n}{\Σ}}{q^{n+k}}_p$

其中n表示累加器编号，i，q分别为间隔t的同向，正交累加值，p表示通道为即时路，T_coh为一次相干累加的长度，k为计数变量，Iⁿ _p与Qⁿ _p是编号为n的比特周期T的相干同向与正交值。

10.如权利要求6所述的一种位同步装置：其特征在于，非相干累加满足下式：

$S_n=\underset{k=0}{\overset{M}{\Σ}}\sqrt{{{\left({I^n}_p\right)}_k}^2+{{\left({Q^n}_p\right)}_k}^2}$

其中Iⁿ _p与Qⁿ _p是编号为n的比特周期T的相干同向与正交值，C为设定的非相干累加的次数，k为计数变量，S_n是能量累加值。