CN107064968B - 一种基于线性调频z变换的北斗b1信号高灵敏度捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星接收机基带信号处理领域，涉及一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法；针对降低FFT运算栅栏效应造成信号能量损耗，提高接收机灵敏度的问题。本发明利用并行相关+FFT方法对北斗B1信号的捕获结果，得到多普勒频率粗略估计结果和伪码相位；根据捕获结果的伪码相位调整本地伪码相位，在多普勒频率附近对信号进行线性调频Z变换捕获，有效提高了捕获峰值，提高接收机灵敏度。本方法主要应用于北斗二号B1频点卫星导航信号的高灵敏度捕获，但同时亦可应用于其他同类信号捕获处理。

Description

一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法

技术领域

本发明属于卫星接收机基带信号处理领域，涉及一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法。本方法主要应用于北斗二号B1频点卫星导航信号的高灵敏度捕获，但同时亦可应用于其他同类信号捕获处理。

背景技术

目前接收机对卫星信号多普勒频率的搜索一般采用FFT变换的方式实现。

由于栅栏效应的影响，当多普勒频率位于两条FFT谱线之间时，信号能量会有较大的损耗，从而减少接收机对卫星信号的捕获概率，降低接收机捕获灵敏度。通过对信号补零增加FFT点数是减少栅栏效应影响最直接的方式，但是由于目前硬件平台资源的限制，FFT点数可以增加的空间有限。

发明内容

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法，用以降低FFT运算栅栏效应造成信号能量损耗，提高接收机灵敏度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的目的在于提供一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法，包括以下步骤：

步骤一、进行北斗B1信号粗捕：

步骤二、利用线性调频Z变换进行北斗B1信号精捕。

进一步，所述的步骤一包括以下步骤：

(1)产生本地信号；

(2)进行M路并行相关运算；

(3)进行N点FFT运算；

(4)对FFT运算结果进行10次非相干累积；

(5)获取捕获结果；

(6)调整本地伪码相位。

进一步，所述的步骤二包括以下步骤：

(1)设置线性调频Z变换参数：

(2)进行1ms相关运算：

(3)进行线性调频Z变换：

(4)对线性调频Z变换结果进行10次非相干累积；

(5)完成捕获。

进一步，所述的步骤一包括以下步骤：

(1)产生本地信号：

通过压控振荡器产生本地同相I载波信号和正交Q载波信号；通过码发生器产生本地伪码信号；

(2)进行M路并行相关运算：

将本地伪码延时，得到M组相位依次相差半码片的伪码，分别输入至M组并行相关器；

将本地I、Q载波信号分别与北斗B1信号相乘，得到I、Q下变频信号，输入至M组相关器与伪码进行并行相关运算，相关时长50us；

(3)进行N点FFT运算：

完成1ms并行相关运算后，每个相关器将20个I、Q相关结果补N-20个零后进行N点FFT运算；其中，1ms为北斗B1伪码周期，FFT点数N的取值满足N＝2^k(k≥6,k∈N)；

(4)对FFT运算结果进行10次非相干累积；

(5)获取捕获结果：

完成非相干累积后，搜索所有非相干累积结果的最大值，并与捕获峰值比较；如果非相干累积结果的最大值大于捕获峰值，则将捕获峰值更新为非相干累积结果的最大值，并记录其对应的FFT输出序号及伪码相位；如果此时没有完成全部4096半码片的伪码相位搜索，将本地码发生器产生的伪码相位后移M个半码片，重复步骤(2)至(4)；

(6)调整本地伪码相位：

根据并行相关+FFT算法捕获得到的伪码相位，调整本地伪码相位，使本地伪码相位与北斗B1信号伪码相位一致。

进一步，所述的并行相关器组数M的取值下限为1，上限为北斗B1伪码半码片个数4096。

进一步，步骤(2)所述的相关时长由多普勒频率搜索范围确定，两者之间关系满足：相关时长＝1/(多普勒频率搜索上限-多普勒频率搜索下限)。

进一步，所述的步骤二包括以下步骤：

(1)设置线性调频Z变换参数：

线性调频Z变换数学描述为：

式中：x(n)为线性调频Z变换输入序列，序列长度为20；ω₀为起始频率，Δω为频率增量，ω_n＝ω₀+(n-1)Δω；

为线性调频Z变换输出序列，序列长度为L；W和g(n)为计算中间量；

根据并行相关+FFT捕获算法获得的多普勒频率ω_in，设置线性调频Z变换的起始频率ω₀＝ω_in-f₀×2π，频率增量Δω＝1×2π，输出序列长度L＝2f₀+1；其中，f₀由FFT运算输出相邻两点间的频率间隔确定，满足f₀≥20000/N/2；

(2)进行1ms相关运算：

将本地I、Q下变频信号与本地伪码进行相关运算，相关时长50us；1ms后得到20个I、Q相关结果；

(3)进行线性调频Z变换：

产生长度为P的序列

对h(n)进行FFT变换，得到h(k)＝FFT[h(n)]；其中，P＝2^k≥L+19(k∈N)；

将I、Q相关结果序列x(n)与

相乘，得到

将g(n)尾部补P-20个零后进行FFT变换，得到g(k)＝FFT[g(n)]；

将g(k)与h(k)相乘，得到y(k)＝g(k)h(k)；对y(k)进行IFFT变换，得到y(n)＝IFFT[y(k)]；最后将y(n)与

相乘，得到输出序列

输出序列前L点有效；

(4)对线性调频Z变换结果进行10次非相干累积；

(5)完成捕获：

搜索累积结果最大值，将最大值与捕获门限比较；如果最大值大于捕获门限，证明捕获成功，根据最大值对应的输出序号n计算多普勒频率ω_dopp＝ω₀+(n-1)Δω。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法，在不需要大量资源的情况下，可以有效减少栅栏效应带来的信号能量损耗，提高捕获灵敏度。

本发明一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法，可以精确的捕获多普勒频率，提高后续跟踪环路牵引过程的效率。

附图说明

图1为本发明一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法示意图；

图2为本发明的并行相关+FFT捕获方法示意图；

图3为本发明的线性调频Z变换方法示意图；

图4为本发明实施例并行相关+FFT捕获结果示意图；

图5为本发明实施例线性调频Z变换捕获结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法作详细说明。

本发明一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法，先通过并行相关+FFT方法对北斗B1信号进行捕获，得到多普勒频率粗略估计结果和伪码相位，根据捕获结果的伪码相位调整本地伪码相位，在多普勒频率附近对信号进行线性调频Z变换捕获，得到多普勒频率。

如图1所示，本发明一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法，包括以下步骤；

步骤一、进行北斗B1信号粗捕：

(1)产生本地信号：

通过压控振荡器产生本地同相I载波信号和正交Q载波信号；通过码发生器产生本地伪码信号；

(2)进行M路并行相关运算：

如图2所示，将本地伪码延时，得到M组相位依次相差半码片的伪码，分别输入至M组并行相关器；

其中，并行相关器组数M的取值下限为1，上限为北斗B1伪码半码片个数4096；

将本地I、Q载波信号分别与北斗B1信号相乘，得到I、Q下变频信号，输入至M组相关器与伪码进行并行相关运算，相关时长50us；其中，相关时长由多普勒频率搜索范围确定，两者之间关系满足：相关时长＝1/(多普勒频率搜索上限-多普勒频率搜索下限)；

(3)进行N点FFT运算：

完成1ms并行相关运算后，每个相关器将20个I、Q相关结果补(N-20)个零后进行N点FFT运算；其中，1ms为北斗B1伪码周期，FFT点数N的取值满足N＝2^k(k≥6,k∈N)；

(4)对FFT运算结果进行10次非相干累积；

(5)获取捕获结果：

完成非相干累积后，搜索所有非相干累积结果的最大值，并与捕获峰值比较；如果非相干累积结果的最大值大于捕获峰值，则将捕获峰值更新为非相干累积结果的最大值，并记录其对应的FFT输出序号及伪码相位；如果此时没有完成全部4096半码片的伪码相位搜索，将本地码发生器产生的伪码相位后移M个半码片，重复步骤(2)至(4)；

(6)调整本地伪码相位：

根据并行相关+FFT算法捕获得到的伪码相位，调整本地伪码相位，使本地伪码相位与北斗B1信号伪码相位一致；

步骤二、利用线性调频Z变换进行北斗B1信号精捕：

(1)设置线性调频Z变换参数：

线性调频Z变换数学描述为：

式中：x(n)为线性调频Z变换输入序列，序列长度为20；ω₀为起始频率，Δω为频率增量，ω_n＝ω₀+(n-1)Δω；

为线性调频Z变换输出序列，序列长度为L；W和g(n)为计算中间量；

根据并行相关+FFT捕获算法获得的多普勒频率ω_in，设置线性调频Z变换的起始频率ω₀＝ω_in-f₀×2π，频率增量Δω＝1×2π，输出序列长度L＝2f₀+1；其中，f₀由FFT运算输出相邻两点间的频率间隔确定，满足f₀≥20000/N/2；

(2)进行1ms相关运算：

将本地I、Q下变频信号与本地伪码进行相关运算，相关时长50us；1ms后得到20个I、Q相关结果；

(3)进行线性调频Z变换：

线性调频Z变换的计算方法如图3所示；

产生长度为P的序列

对h(n)进行FFT变换，得到h(k)＝FFT[h(n)]；其中，P＝2^k≥L+19(k∈N)；

将I、Q相关结果序列x(n)与

相乘，得到

将g(n)尾部补(P-20)个零后进行FFT变换，得到g(k)＝FFT[g(n)]；

将g(k)与h(k)相乘，得到y(k)＝g(k)h(k)；对y(k)进行IFFT变换，得到y(n)＝IFFT[y(k)]；最后将y(n)与

相乘，得到输出序列

输出序列前L点有效；

(4)对线性调频Z变换结果进行10次非相干累积；

(5)完成捕获：

搜索累积结果最大值，将最大值与捕获门限比较；如果最大值大于捕获门限，证明捕获成功，根据最大值对应的输出序号n计算多普勒频率ω_dopp＝ω₀+(n-1)Δω。

图4、图5分别给出了利用本发明的仿真结果：输入的北斗B1信号载噪比为32dB，多普勒频率为1426Hz。图5中的捕获峰值相比图4增加了约50％，更容易满足捕获门限要求，同时多普勒频率估计的更加准确。

Claims (1)

1.一种基于线性调频Z变换的北斗B1信号高灵敏度捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、进行北斗B1信号粗捕；

步骤二、利用线性调频Z变换进行北斗B1信号精捕；

所述的步骤一包括以下步骤：

(1)产生本地信号；

(2)进行M路并行相关运算；

(3)进行N点FFT运算；

(4)对FFT运算结果进行10次非相干累积；

(5)获取捕获结果；

(6)调整本地伪码相位；

所述的步骤二包括以下步骤：

(1)设置线性调频Z变换参数：

(2)进行1ms相关运算：

(3)进行线性调频Z变换：

(4)对线性调频Z变换结果进行10次非相干累积；

(5)完成捕获；

所述的步骤一包括以下步骤：

(1)产生本地信号：

通过压控振荡器产生本地同相I载波信号和正交Q载波信号；通过码发生器产生本地伪码信号；

(2)进行M路并行相关运算：

将本地伪码延时，得到M组相位依次相差半码片的伪码，分别输入至M组并行相关器；

将本地I、Q载波信号分别与北斗B1信号相乘，得到I、Q下变频信号，输入至M组相关器与伪码进行并行相关运算，相关时长50us；

(3)进行N点FFT运算：

完成1ms并行相关运算后，每个相关器将20个I、Q相关结果补N-20个零后进行N点FFT运算；其中，1ms为北斗B1伪码周期，FFT点数N的取值满足N＝2^k(k≥6,k∈N)；

(4)对FFT运算结果进行10次非相干累积；

(5)获取捕获结果：

完成非相干累积后，搜索所有非相干累积结果的最大值，并与捕获峰值比较；如果非相干累积结果的最大值大于捕获峰值，则将捕获峰值更新为非相干累积结果的最大值，并记录其对应的FFT输出序号及伪码相位；如果此时没有完成全部4096半码片的伪码相位搜索，将本地码发生器产生的伪码相位后移M个半码片，重复步骤(2)至(4)；

(6)调整本地伪码相位：

根据并行相关+FFT算法捕获得到的伪码相位，调整本地伪码相位，使本地伪码相位与北斗B1信号伪码相位一致；

所述的并行相关器组数M的取值下限为1，上限为北斗B1伪码半码片个数4096；

步骤(2)所述的相关时长由多普勒频率搜索范围确定，两者之间关系满足：相关时长＝1/(多普勒频率搜索上限-多普勒频率搜索下限)；

所述的步骤二包括以下步骤：

(1)设置线性调频Z变换参数：

线性调频Z变换数学描述为：

式中：x(n)为线性调频Z变换输入序列，序列长度为20；ω₀为起始频率，Δω为频率增量，ω_n＝ω₀+(n-1)Δω；X(e^jωn)为线性调频Z变换输出序列，序列长度为L，序列长度为L；W和g(n)为计算中间量；

根据并行相关+FFT捕获算法获得的多普勒频率ω_in，设置线性调频Z变换的起始频率ω₀＝ω_in-f₀×2π，频率增量Δω＝1×2π，输出序列长度L＝2f₀+1；其中，f₀由FFT运算输出相邻两点间的频率间隔确定，满足f₀≥20000/N/2；

(2)进行1ms相关运算：

将本地I、Q下变频信号与本地伪码进行相关运算，相关时长50us；1ms后得到20个I、Q相关结果；

(3)进行线性调频Z变换：

产生长度为P的序列对

进行FFT变换，得到h(k)＝FFT[h(n)]；其中，P＝2^k≥L+19(k∈N)；

将I、Q相关结果序列x(n)与

相乘，得到

将g(n)尾部补P-20个零后进行FFT变换，得到g(k)＝FFT[g(n)]；

将g(k)与h(k)相乘，得到y(k)＝g(k)h(k)；对y(k)进行IFFT变换，得到y(n)＝IFFT[y(k)]；最后将y(n)与

相乘，得到输出序列

输出序列前L点有效；

(4)对线性调频Z变换结果进行10次非相干累积；

(5)完成捕获：

搜索累积结果最大值，将最大值与捕获门限比较；如果最大值大于捕获门限，证明捕获成功，根据最大值对应的输出序号n计算多普勒频率ω_dopp＝ω₀+(n-1)Δω。

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