CN106547005A - 一种用于正弦二进制偏移载波调制信号的捕获方法和装置 - Google Patents

一种用于正弦二进制偏移载波调制信号的捕获方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于正弦二进制偏移载波调制信号捕获的方法。将正弦二进制偏移载波信号看成一种特殊的时分复用调制信号，本地相关时采用多路伪随机码信号。将剥离载波的中频信号分别与多路伪随机码信号进行时分相关-清除操作，计算各路独立的相干积分值，最后将所有支路相关结果结合起来得到最终的相关结果。通过时分相关方法，可以有效的去除自相关函数中副峰及零点的影响，降低了漏捕概率。其与传统BPSK信号的捕获方法类似，相比现有方法更易于实现，降低了系统复杂度。本发明还提供了一种实现以上方法的装置，由于没有互相关或边带能量损失，从而提高了信号捕获灵敏度。因此本发明具有较高商用价值。

Description

一种用于正弦二进制偏移载波调制信号的捕获方法和装置
技术领域
本发明涉及卫星定位、信号捕获跟踪技术领域，涉及一种用于正弦二进制偏移载波(BOC)调制信号的捕获方法和装置。
背景技术
随着全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)的不断发展，新一代导航卫星系统之间的竞争与兼容问题逐渐凸显。一方面各个导航系统都在不断完善和发展，独立运行；另一方面如何兼容互操作提上日程。为了实现各个导航系统之间的兼容，使各个导航系统能够共享导航频段频谱资源，同时提高现有导航系统的精度和性能，新的二进制偏移载波(Binary OffsetCarrier)调制方式被新一代卫星导航系统采用。与传统的二进制移相键控(BinaryPhase Shift Keying，BPSK)调制方式相比，BOC调制方式将信号能量更多的集中到带宽边缘，增加了信号的有效带宽，减少了与已有的BPSK导航信号的干扰。此外，BOC调制方式拥有更窄的自相关函数(Auto Correlation Function，ACF)，其测距精度更高，抗多径能力更强。然而，由于子载波的调制，BOC的自相关函数存在多峰特性，使得信号在捕获、跟踪时出现模糊点，即模糊度问题，从而造成漏捕和误跟踪问题。
正弦二进制偏移载波(Sine BOC，SinBOC)调制方式，是在传统的基于BPSK调制方式的导航信号基础上调制了具有正弦相位的子载波生成的，通常记作BOCsin(m，n)，其中，子载波频率为fsc＝m*1.023MHz，码频率为fc＝n*1.023MHz。目前，已经有一些方法可以解决BOC信号捕获时的模糊度问题。(1)类BPSK(BPSK-Like)方法：这种方法对BOC信号频谱的两个边带，上边带(Upper SideBand，USB和下边带Lower Side Band，LSB)，分别处理，每个边带都按照传统的BPSK信号捕获来处理。其优点是可以去除模糊度，但是需要额外的滤波器，如果只采用单边带处理的话还会存在3dB的能量损失。(2)自相关副峰消除技术(Autocorrelation Side-Peak Cancellation Technique，ASPeCT)：通过将BOC信号与伪随机码(Pseudo Random Code，PRN)的互相关，与BOC信号的自相关的组合处理，将所有副峰都去除。其优点是只保留了主峰，但是其副峰消除的并不彻底，存在能量损失，且只能用于BOCsin(n，n)信号。(3)伪相关函数(PseudoCorrelation Function，PCF)：通过构造一个特殊的伪信号与BOC信号进行相关。其优点是只保留了主峰，且去除的较为彻底，但是其能量损失很严重，且实现代价较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可以有效去除模糊度问题、捕获正弦二进制偏移载波调制信号的方法和装置。将正弦二进制偏移载波信号看成一种特殊的时分复用调制(Time Division Data Multiplexing，TDDM)信号，通过时分相关，去除SinBOC信号的模糊度，提高信号的捕获灵敏度和捕获效率。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供了一种用于正弦二进制偏移载波调制信号捕获的方法，所述方法：
设定要捕获的卫星号、多普勒范围及捕获频率精度，并确定伪码信号产生多项式的控制字；
根据设定的载波频率，本地产生复载波信号，与输入中频信号进行混频完成去载波处理，得到去载波的BOC信号I+jQ；
根据设定的卫星号和伪码相位，本地产生伪随机码信号
其中，Ci是PRN码，TC是PRN码片宽度，PT0是幅度为1、宽度为T0的矩形波，记作
及与其同步的正弦子载波信号
其中dq为形状符号，每个符号的宽度为TS，M是每个码片下的符号数，如对于BOCsin(1，1)，dq＝{1，-1}，M＝2。
在本地时钟驱动下，伪随机码信号和子载波信号经由TDDM调制产生两路本地伪随机码信号Ce和Co(根据捕获精度要求可以产生更多路)
其中，NC表示PRN码片数。
所述剥离载波后的BOC信号分别与两路本地伪随机码信号Ce和Co相关；
根据设定的相干积分时间TI，将所述的相关运算结果分别送入积分-清除器中进行时间长度为TI的相干积分，得到Re和Ro；
将积分-清除器输出的多路相干积分值结合起来，得到最终的相干积分值；
将所述的最终的相干积分值送入能量计算单元中，根据设定的预检测积分时间，计算此次捕获的信号能量值；
将所述信号能量值送入捕获判决单元中，判决当前信号是否存在。如果存在，捕获成功；如果不存在，调整本地载波频率和码相位重新进行时分相关处理和捕获判决，直至捕获成功或所有可能载波频率和码相位组合搜索完毕。
优选的，产生本地参考伪码信号，具体为：
对于所述某路本地参考伪码信号，当处在其有效时间片时，其与本地伪随机码PRN一致；当处在其无效时间片时，则为0。具体的，以产生两路本地伪随机码信号为例，在子载波为1期间，第一路本地伪随机码Ce与PRN码一致，第二路本地伪随机码Co为0；在子载波为-1期间，第一路本地伪随机码Ce为0，第二路本地伪随机码Co与PRN码一致。
优选的，所述多路相干积分值结合起来计算最终相干积分值过程，具体为：
若本地存在2N路伪随机码信号，则第1路与第N路复数相减、第二路与第N+1路复数相减，以此类推。以本地有两路伪随机码信号为例，两路相干积分结果直接复数相减，得到最终相干积分值R。
优选的，所述计算信号能量值，具体为：
采用非相干积分将多次(可选)相干积分的所有支路能量结合起来。
优选的，所述判决过程，具体为：
如果所述的信号能量值超过预先设定的能量阈值Vth，则声明捕获成功，捕获完成；如果所述的信号能量值小于预先设定的能量阈值Vth，则声明在当前信号参数下没有捕获到信号，调整本地载波频率和伪码信号相位，重复上述过程，直至捕获成功；若所有可能的载波频率和伪码相位组合都被检验，还没有超过预先设定的能量阈值Vth，则声明被检验的信号不存在，进而转向下一卫星信号捕获。
本发明还提供了一种用于正弦二进制偏移载波调制信号捕获的装置，所述装置包括：天线、射频模块RF、卫星导航信号采样量化模块、时分相关积分-清除模块、能量检测模块、本地信号产生模块、处理器和捕获控制模块。其中，
所述天线用于接收卫星导航信号；
所述射频模块RF，用于信号滤波，并将卫星信号下变频到中频信号；
所述卫星导航信号采样量化模块，用于自动增益控制，并完成中频信号采样量化，得到数字中频信号；
所述时分相关积分-清除模块，用于实现载波混频、时分伪码相关、相干积分-清除功能等；
所述能量检测模块，用于计算相关能量值，与设定能量检测阈值进行比较，判断信号是否存在；
所述本地信号产生模块，用于产生复载波信号、多路TDDM伪随机码信号；
所述处理器实现捕获装置初始化、参数设置、状态控制等功能；
所述捕获控制模块，根据所述处理器设置的参数和所述能量检测模块给出的捕获结果，控制捕获装置完成卫星导航信号的捕获。
本发明所提供的正弦二进制偏移载波调制信号的捕获方法和装置，将正弦二进制偏移载波调制信号视为一种特殊的时分复用调制信号。通过本发明所述的时分相关方法，可以有效的去除自相关函数中副峰及零点的影响，降低了漏捕概率。其与传统BPSK信号的捕获方法类似，相比现有方法更易于实现，降低了系统复杂度。同时，由于没有互相关或边带能量损失，从而提高了信号捕获灵敏度。因此本发明具有较高的商用价值。
附图说明
图1本发明捕获方法的原理图。
图2本地时分复用调制伪码信号产生的原理图。
图3本发明实施例的装置结构示意图。
具体实施方式
本发明方法将正弦二进制偏移载波调制信号视为一种特殊的时分复用调制信号。本地存在多路伪随机码，将接收到的信号与本地伪随机码进行时分相关，最后再结合起来计算相关能量，进而实现信号捕获。下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进一步详细阐述。
图1为本发明的一种用于正弦二进制偏移载波调制信号的捕获方法原理图，本地存在两路伪随机码信号。本地接收到的卫星导航信号经过下变频、采样量化之后，得到的中频BOC信号S_IF 101可以表示成：
其中，P是接收到的信号的总能量，d[n]表示调制的数据信息，c[n]表示伪随机扩频码，csb[n]表示调制的子载波，fIF表示下变频之后的中心频率，TS表示采样时间间隔，表示即时载波相位，η[n]表示热噪声，通常认为是加性高斯白噪声。
载波发生器110在捕获控制器113的控制下产生本地复载波信号，典型的复载波信号通常可以通过数控振荡器(Numerical Controlled Oscillator，NCO)与正弦查找表和余弦查找表产生。
输入中频信号101与本地载波信号送入复混频器102中，完成载波混频，得到两路混频结果I和Q；
具体的，输入中频信号与本地同相支路载波信号混频得到结果I，与本地正交支路载波信号混频得到结果Q。
本地伪码发生器112产生伪随机码及与其同步的正弦子载波信号，经时分复用TDDM调制单元产生两路本地伪随机码信号Ce和Co；
具体的，所述时分复用TDDM调制单元原理见图2。本地伪码发生器112产生的伪随机码201及与其同步的正弦子载波信号202同时送入寄存器1 204和寄存器2 205中；在本地时钟203的同步下，经由输出控制器206控制，寄存器1 204输出第一路本地伪随机码Ce207，寄存器2 205输出第二路本地伪随机码Co208。在子载波202为1期间，第一路本地伪随机码Ce与PRN码一致，第二路本地伪随机码Co为0；在子载波为-1期间，第一步本地伪随机码Ce为0，第二路本地伪随机码Co与PRN码一致。
两路本地伪随机码信号Ce和Co与混频结果分别通过相关器103、104相关；
具体的，第一路伪随机码信号Ce与混频结果I、Q相关得到I_Ce、Q_Ce，第二路伪随机码信号Co与混频结果I、Q相关得到I_Co、Q_Co。
I×Ce＝I_Ce
Q×Ce＝Q_Ce
I×Co＝I_Co (6)
Q×Co＝Q_Co
根据设定的相干积分时间，将相关结果被分别送入积分器105、106进行相干积分；
具体的，设定相干积分时间TI，如通常GPS接收机中采用和伪码周期相同长度的1ms，受到导航信号上调制的数据码率的限制，捕获过程中其相干积分时间长度至多为10ms。根据这个相干积分时间，将所述相关结果进行相干积分，得到结果Re＝I_CeS+jQ_CeS和Ro＝I_CoS+jQ_CoS。
将所述相干积分结果送入加法器107中，将两路相关结果结合起来；
具体的，最终相干积分结果为
R＝Re-Ro (7)
计算相关能量；
具体的，为了提高对弱信号的捕获能力，除了所述相干积分之外，通常还会通过非相干积分进一步提高信号能量。将相干积分结果R送入能量计算单元108中，按照设定的预检测积分时间(Pre-detection Integration Time，PIT)计算待测信号的相关能量。
捕获判决单元109将最终相关能量与预设的能量阈值Vth进行比较，判断信号是否存在，捕获控制器113据此做出相应参数、状态调整；
具体的，如果最终相关能量超过预设的能量阈值Vth，则声明捕获成功，捕获结束。如果最终相关能量没有超过预设的能量阈值Vth，则声明在当前信号参数下，信号不存在，捕获失败，捕获控制器113根据预设的参数调整载波发生器110的载波频率和伪码发生器112的伪码相位，继续重复上述捕获过程，直至捕获成功。若将所有可能的频率和伪码相位组合搜索完毕后，仍没有声明捕获成功，则声明此卫星信号不存在，此卫星信号捕获结束。
本发明的一个实施例如下，但本发明并不局限于这一个实现方式。
图3为本发明实施例的装置结构示意图。如图3所示，虚线框内部分是实现本发明的装置，本发明可以用本装置实现，但不局限于图3所示装置。整个装置包括：天线、射频模块RF、卫星导航信号采样量化模块、时分相关积分-清除模块、能量检测模块、本地信号产生模块、处理器和捕获控制模块。其中，天线301用于接收卫星导航信号；射频模块RF 302，用于信号滤波，将卫星信号下变频到中频信号；卫星导航信号采样量化模块303，用于自动增益控制，并完成中频信号采样、量化，得到数字中频信号，并提供时钟信号。
处理器308通过总线配置捕获装置和各种初始化参数，如卫星PRN产生多项式控制字、频率间隔、码相位间隔等。时分相关积分-清除模块304接收前端给出的中频信号，并与本地信号产生模块306产生的本地载波、伪码信号按照本发明所述方法完成混频、时分相关、积分、清除等操作。能量检测模块305统计信号能量，根据设置的阈值判断信号是否存在。捕获控制模块307根据能量检测模块305给出的检测结果和处理器308配置的相关参数，完成捕获装置的状态调整、载波频率和码相位的调整等。处理器308通过读取捕获装置给出的捕获结果，进而完成捕获转跟踪或者转向捕获其他卫星信号，控制捕获装置正常运行，完成信号捕获等功能。
具体实现为：首先，本地信号产生模块306和捕获控制模块307接受处理器308设置的初始参数。在本实例中，本发明在基带处理器中实现，但也可由其他具体实现方式，例如：处理器外单独的处理装置、集成在其他模块中的处理装置。时分相关积分-清除模块304完成输入信号与本地信号的相关计算。如果能量检测模块305检测到信号存在，则捕获控制模块307通知处理器308当前信号“可能”存在，处理器308进而完成捕获转跟踪；如果能量检测模块305在当前频率和码相位下没有检测到信号存在，则按照预先设置的相关参数调整本地信号产生模块306的载波频率和码相位，继续检测信号是否存在；如果所有可能的频率和码相位都搜索完了，仍没有检测到信号，则捕获控制模块307通知处理器308此卫星信号不存在，处理器308进而控制捕获装置转向下一颗卫星信号的捕获。
本发明说明书中未做详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。
以上所述，但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。

Claims (9)

1.一种用于正弦二进制偏移载波调制信号的捕获方法和装置，其特征在于，所述方法包括：
设定要捕获的卫星号、多普勒范围及捕获频率精度，并确定伪码信号产生多项式的控制字；根据设定的载波频率，本地产生复载波信号，与输入中频信号进行混频完成去载波处理，得到去载波的BOC信号I+jQ；在本地时钟驱动下，伪随机码信号和子载波信号经由TDDM调制产生两路本地伪随机码信号Ce和Co(根据捕获精度要求可以产生更多路)；所述剥离载波后的BOC信号分别与两路本地伪随机码信号Ce和Co相关；根据设定的相干积分时间TI，将所述的相关运算结果分别送入积分-清除器中进行时间长度为TI的相干积分，得到Re和Ro；将积分-清除器输出的多路相干积分值结合起来，得到最终的相干积分值；将所述的最终的相干积分值送入能量计算单元中，根据设定的预检测积分时间，计算此次捕获的信号能量值；将所述信号能量值送入捕获判决单元中，判决当前信号是否存在。如果存在，捕获成功；如果不存在，调整本地载波频率和码相位重新进行时分相关处理和捕获判决，直至捕获成功或所有可能载波频率和码相位组合搜索完毕。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，本地通过时分复用方法产生多路伪码信号。
对于所述某路本地参考伪码信号，当处在其有效时间片时，其与本地伪随机码PRN一致；当处在其无效时间片时，则为0。具体的，以产生两路本地伪随机码信号为例，在子载波为1期间，第一路本地伪随机码Ce与PRN码一致，第二路本地伪随机码Co为0；在子载波为-1期间，第一路本地伪随机码Ce为0，第二路本地伪随机码Co与PRN码一致。
3.根据权利要求1所述的方法和权利要求2所述本地伪码信号产生方法， 其特征在于，各路相关结果按下述步骤完成：
步骤1：输入信号与本地载波信号混频，得到两路混频结果I和Q；
步骤2：所述步骤1混频结果与本地多路伪码信号进行时分相关，具体的，以两路本地伪随机码信号为例，第一路伪随机码信号Ce与混频结果I、Q相关得到I_Ce、Q_Ce，第二路伪随机码信号Co与混频结果I、Q相关得到I_Co、Q_Co。
I×Ce＝I_Ce
Q×Ce＝Q_Ce
I×Co＝I_Co
Q×Co＝Q_Co
步骤3：设定相干积分时间TI，根据这个相干积分时间将步骤2得到的相关结果相干积分，得到Re＝I_CeS+jQ_CeS和Ro＝I_CoS+jQ_CoS。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述多路相干积分值结合起来计算最终相干积分值过程。
若本地存在2N路伪随机码信号，则第1路与第N路复数相减、第二路与第N+1路复数相减，以此类推。以本地有两路伪随机码信号为例，两路相干积分结果直接复数相减，得到最终相干积分值R。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
采用非相干积分将多次(可选)相干积分的所有支路能量结合起来。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，
如果所述的信号能量值超过预先设定的能量阈值Vth，则声明捕获成功，捕获完成；如果所述的信号能量值小于预先设定的能量阈值Vth，则声明在当前信号参数下没有捕获到信号，调整本地载波频率和伪码信号相位，重复上述过程，直至捕获成功；若所有可能的载波频率和伪码相位组合都被检验，还没有超过 预先设定的能量阈值Vth，则声明被检验的信号不存在，进而转向下一卫星信号捕获。
7.一种用于正弦二进制偏移载波调制信号的捕获装置，所述装置包括：天线、射频模块RF、卫星导航信号采样量化模块、时分相关积分-清除模块、能量检测模块、本地信号产生模块、处理器和捕获控制模块。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
所述天线用于接收卫星导航信号；
所述射频模块RF，用于信号滤波，并将卫星信号下变频到中频信号；
所述卫星导航信号采样量化模块，用于自动增益控制，并完成中频信号采样量化，得到数字中频信号；
所述时分相关积分-清除模块，用于实现载波混频、时分伪码相关、相干积分-清除功能等；
所述能量检测模块，用于计算相关能量值，与设定能量检测阈值进行比较，判断信号是否存在；
所述本地信号产生模块，用于产生复载波信号、多路TDDM伪随机码信号；
所述处理器实现捕获装置初始化、参数设置、状态控制等功能；
所述捕获控制模块，根据所述处理器设置的参数和所述能量检测模块给出的捕获结果，控制捕获装置完成卫星导航信号的捕获。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，
处理器通过总线配置捕获装置和各种初始化参数，如卫星PRN产生多项式控制字、频率间隔、码相位间隔等。时分相关积分-清除模块接收前端给出的中频信号，并与本地信号产生模块产生的本地载波、伪码信号按照本发明所述方法完成混频、时分相关、积分、清除等操作。能量检测模块统计信号能量，根 据设置的阈值判断信号是否存在。捕获控制模块根据能量检测模块给出的检测结果和处理器配置的相关参数，完成捕获装置的状态调整、载波频率和码相位的调整等。处理器通过读取捕获装置给出的捕获结果，进而完成捕获转跟踪或者转向捕获其他卫星信号，控制捕获装置正常运行，完成信号捕获等功能。
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