CN106646541A - 一种基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法 - Google Patents

一种基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法，该方法对传统的差分相关积分算法进行改进，提出通过按采样点延迟的方式进行差分相关积分运算，削弱北斗信号NH码跳变和比特跳变的影响；并通过延长积分时间，提高信号信噪比；同时采用FFT算法实现码相位和载波频率的并行搜索，相比传统捕获算法极大地缩减捕获时间。本发明捕获方法适用于全部北斗民用信号，无需考虑GEO和非GEO导航电文的差异。

Description

一种基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法
技术领域
本发明涉及一种基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法，属于卫星导航接收机信号基带处理技术领域。
背景技术
随着卫星导航系统的发展，高性能接收机的研制成为国内外研究热点，针对弱信号的高灵敏度接收机是其中的热点之一。近年来国内外许多专家学者开展高灵敏度GPS接收机的研究。随着北斗导航系统的发展，针对弱信号的高灵敏度北斗导航接收机具有一定的理论价值和应用前景。
延长相干积分时间是高灵敏度接收机常用的提高信噪比的方法，同时可以降低环路中的数据率和所需的运算量。但是延长积分时间受到数据比特跳变的限制，针对北斗信号需要考虑以下两个方面：
一方面，北斗MEO(中圆地球轨道)和IGSO(倾斜地球同步轨道)卫星播发D1导航电文，速率为50bps；GEO(地球静止轨道)卫星播发D2导航电文，为500bps；数据比特跳变决定相干积分时间最大为20ms和2ms，且必须在信号位同步后，以避免数据比特跳变的影响。
另一方面，北斗MEO和IGSO卫星信号播发的D1导航电文二次编码调制了速率为1kbps的NH码(纽霍夫曼码)，能够提高窄带干扰的抵抗能力，并改善卫星信号间的互相关特性，但同时导致相干积分时间受NH码相位跳变的影响，在不去除NH码的情况下相干积分时间被限制为1ms。
因此，较GPS信号，北斗信号中包含更多的数据比特跳变和NH码相位变化，需要针对北斗信号的结构特点，设计合适的捕获算法消除或削弱数据比特跳变和NH码相位变化的影响，以延长积分时间来提高北斗弱信号捕获的灵敏度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法，对传统的差分相关积分进行改进，采用按采样点进行延迟的形式，能够极大地削弱NH码跳变和比特跳变的影响，延长积分时间，提高信号信噪比。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法，包括如下步骤：
步骤1，利用北斗接收机天线接收北斗卫星信号，对北斗卫星信号进行混频下变频到中频，并进行正交采样，获得复数型正交采样信号；
步骤2，对步骤1正交采样信号按采样点进行延迟，并做差分相关积分运算，得到码相位估计值；具体如下：
步骤21，对正交采样信号序列按采样点进行延迟，得到延迟信号，将正交采样信号与上述延迟信号进行共轭相乘，得到乘积1；
步骤22，对本地码序列按步骤21相同的采样点进行延迟，得到本地码延迟信号，将本地码延迟信号与本地码相乘，得到乘积2；
步骤23，将乘积1和乘积2分别进行傅里叶变换，再将傅里叶变换后的结果进行共轭相乘，得到乘积3；
步骤24，将乘积3进行反傅里叶变换，得到结果4，对结果4进行取模，并进行阈值判断，若峰值超过第一预设阈值，则认为卫星可见，根据峰值位置获得码相位估计值；
步骤3，在得到码相位估计值的基础上，对载波多普勒频率进行估计，得到载波多普勒频率估计值，捕获完成。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤3的具体过程如下：
步骤31，根据步骤2获得的码相位估计值生成当前本地码序列，将当前本地码与步骤1正交采样信号相乘，得到乘积5；
步骤32，对乘积5进行傅里叶变换得到结果6，对结果6进行取模，并进行阈值判断，若峰值超过第二预设阈值，则根据峰值位置获得载波多普勒频率估计值，捕获完成。
作为本发明的一种优选方案，在步骤3之后，根据得到的载波多普勒频率估计值，进行北斗卫星信号的载波环和码环的跟踪。
作为本发明的一种优选方案，步骤2所述对正交采样信号序列按采样点进行延迟，具体为将正交采样信号序列延迟1个采样点或者10个采样点。
作为本发明的一种优选方案，所述步骤2利用FFT算法对码相位进行并行搜索，步骤3利用FFT算法对载波多普勒频率进行并行搜索。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1、本发明针对北斗信号比特跳变和NH码跳变频繁的特殊性，对传统的差分相关积分进行改进，提出通过按采样点延迟的方式进行差分相关运算，能够极大地削弱NH码跳变和比特跳变的影响，延长积分时间，提高信号信噪比。
2、本发明采用FFT算法实现码相位和载波频率的并行搜索，相比传统捕获算法极大地缩减捕获时间。
3、本发明适用于全部北斗民用信号，无需考虑GEO和非GEO导航电文的差异。
附图说明
图1是本发明基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法的步骤流程图。
图2是实施本发明捕获方法的装置结构示意图。
图3是本发明捕获方法仿真得到的码相位估计结果图。
图4是本发明捕获方法仿真得到的载波频率估计结果图。
图5是本发明捕获方法仿真得到的各卫星捕获结果图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
如图1所示，为本发明提供的一种基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法，该方法采用按采样点延迟的方式进行差分相关运算，将正交采样信号进行延迟共轭相乘，再与经过相同操作的本地码进行相乘，通过傅里叶变换及反傅里叶变换对采样信号与码序列的相关情况进行检测，获得卫星码相位估计值；再将采样信号与本地码进行相乘，通过傅里叶变换和阈值判断获得载波多普勒频率的估计值。
如图2所示，为本发明实施例的装置结构示意图，本发明捕获方法可以用图2所示装置实现，但不局限于图2所示装置。整个装置包括：天线、射频模块和基带处理模块。基带处理模块由DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)及外围芯片组成。其中FPGA和DSP共同配合完成本发明的信号捕获功能，由FPGA实现多通道并行处理，DSP控制流程的运行和外围信息的收发。由北斗天线接收卫星信号，经过射频处理得到数字中频采样信号，进入基带处理模块进行捕获过程，实现对码相位和载波多普勒频率的估计。
具体的步骤如下：
步骤1、北斗接收机由天线接收北斗卫星信号，在射频前端进行混频下变频到中频后，进行正交采样获得复数型正交采样信号。
步骤2、进行基于采样点延迟的差分相关积分运算，对采样信号按采样点进行延迟，并与当前信号共轭相乘；本地码也进行延迟相乘；再对两乘积进行傅里叶变换、共轭相乘、反傅里叶变换，对结果的绝对值进行阈值判断，根据峰值情况获得码相位的估计值。具体为：
21)将采样信号序列进行延迟，例如延迟1个采样点或10个采样点；
22)将采样信号与上述延迟信号进行共轭相乘，得到乘积1；
23)将本地码序列按相同的采样点进行延迟，并与原本地码相乘，得到乘积2；
24)将乘积1和乘积2分别进行傅里叶变换，再将傅里叶变换后的结果进行共轭相乘，得到乘积3；
25)将乘积3进行反傅里叶变换，得到结果4；
26)对结果4进行取模，并进行阈值判断，其中阈值根据经验值设置，如果唯一峰值超过阈值，则认为卫星可见，根据峰值位置获得码相位估计值。
步骤3、在步骤2获得的码相位估计值的基础上，将采样信号与本地码相乘，对乘积进行傅里叶变换后，对结果进行取模和阈值判断，根据峰值情况获得载波多普勒频率估计值。具体为：
31)按照获得的码相位估计值生成当前本地码序列，与采样信号相乘，获得乘积5；
32)对乘积5进行傅里叶变换得到结果6；
33)对结果6进行取模，并进行阈值判断，其中阈值根据经验值设置，如果唯一峰值超过阈值，则根据峰值位置获得载波多普勒频率估计值，捕获过程完成。
在获得的载波多普勒频率的基础上，进行信号的载波环和码环的跟踪。
基于以上装置和方法步骤，利用CCS软件进行在线仿真，码相位估计、载波频率估计、各卫星捕获仿真结果如图3、图4和图5所示。由仿真结果可以看出本发明的捕获方法能够稳定可靠地实现北斗信号码相位和载波频率的估计，实现卫星捕获功能。
综上，本发明针对北斗信号比特跳变和NH码跳变频繁的特殊性，对传统的差分相关积分进行改进，提出通过按采样点延迟的方式进行差分相关运算，能够极大地削弱NH码跳变和比特跳变的影响，延长积分时间，提高信号信噪比；采用FFT算法实现码相位和载波频率的并行搜索，相比传统捕获算法极大地缩减捕获时间；并适用于全部北斗民用信号，无需考虑GEO和非GEO导航电文的差异。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，利用北斗接收机天线接收北斗卫星信号，对北斗卫星信号进行混频下变频到中频，并进行正交采样，获得复数型正交采样信号；
步骤2，对步骤1正交采样信号按采样点进行延迟，并做差分相关积分运算，得到码相位估计值；具体如下：
步骤21，对正交采样信号序列按采样点进行延迟，得到延迟信号，将正交采样信号与上述延迟信号进行共轭相乘，得到乘积1；
步骤22，对本地码序列按步骤21相同的采样点进行延迟，得到本地码延迟信号，将本地码延迟信号与本地码相乘，得到乘积2；
步骤23，将乘积1和乘积2分别进行傅里叶变换，再将傅里叶变换后的结果进行共轭相乘，得到乘积3；
步骤24，将乘积3进行反傅里叶变换，得到结果4，对结果4进行取模，并进行阈值判断，若峰值超过第一预设阈值，则认为卫星可见，根据峰值位置获得码相位估计值；
步骤3，在得到码相位估计值的基础上，对载波多普勒频率进行估计，得到载波多普勒频率估计值，捕获完成。
2.根据权利要求1所述基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法，其特征在于，所述步骤3的具体过程如下：
步骤31，根据步骤2获得的码相位估计值生成当前本地码序列，将当前本地码与步骤1正交采样信号相乘，得到乘积5；
步骤32，对乘积5进行傅里叶变换得到结果6，对结果6进行取模，并进行阈值判断，若峰值超过第二预设阈值，则根据峰值位置获得载波多普勒频率估计值，捕获完成。
3.根据权利要求1所述基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法，其特征在于，在步骤3之后，根据得到的载波多普勒频率估计值，进行北斗卫星信号的载波环和码环的跟踪。
4.根据权利要求1所述基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法，其特征在于，步骤2所述对正交采样信号序列按采样点进行延迟，具体为将正交采样信号序列延迟1个采样点或者10个采样点。
5.根据权利要求1所述基于差分相关积分的北斗弱信号捕获方法，其特征在于，所述步骤2利用FFT算法对码相位进行并行搜索，步骤3利用FFT算法对载波多普勒频率进行并行搜索。
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