CN109001772A - 基于峰值位置比较的北斗导航信号获取方法 - Google Patents

基于峰值位置比较的北斗导航信号获取方法 Download PDF

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王如月
钟艳如
刘振丙
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    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
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Abstract

一种基于峰值位置比较的北斗导航信号获取方法，包括如下步骤：接收北斗导航信号；将北斗导航信号进行平均采样与本地码进行相关运算，获得相关函数；将相关函数进行峰值搜索，记录峰值的位置；重复步骤（1）至步骤（3），重复至少2次，得到相应的峰值位置；对得到的所有峰值位置进行比较，得到比较结果；判断比较结果是否满足预期的变化规律。如果是，则判定信号存在，北斗导航信号获取成功；如果否，则判定信号不存在，返回步骤（1），对北斗导航信号进行下一次接收。本发明实现了对北斗信号的快速获取，满足软件接收机对实时性的要求；对弱信号（尤其是低于‑128dBm）下较小的相关峰值的检测概率高，系统虚警率大幅度降低。

Description

基于峰值位置比较的北斗导航信号获取方法
技术领域
本发明涉及北斗导航信号领域，具体涉及一种基于峰值位置比较的北斗导航信号获取方法。
背景技术
北斗导航信号的获取工作可以被看做是在频率和码相位两个维度上进行的二维搜索，在搜索中将整个搜索范围分为多个单元进行搜索和判定。传统的导航信号获取电路中所采用的判定方法是唐搜索方法和N中取M的策略方法。唐搜索方法的工作流程，如图1所示。
唐搜索方法通过合理的选取w的门限值A和初始值B，来实现搜索速度、检测率和虚警率之间的平衡。对难以确定信号是否存在的单元追加更多的搜索时间，并且对超过门限的单元进行多次判定，进而降低虚警率。
N中取M的策略方法对每个搜索单元都进行N次搜索，如果其中有M次超过门限，则认为获取信号成功。
两种搜索模式都是通过多次检测的方式，对不确定的搜索单元进行重复搜索，同时也是通过多次检测的方式降低虚警。但对于弱信号下，搜索单元中检测出的相关峰值可能会比较小，每次检测出的相关峰值虽然不能超过门限，但确实存在，而这两种传统的判决手段无法利用这部分能量。同时，如果在设计中门限值的选择不合理，会导致一些噪声的最大值也超过门限，给系统带来虚警，或是系统付出额外的代价。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所解决的问题是如何解决北斗导航信号获取速度慢、不易硬件实现的缺点且对弱信号下较小的相关峰值的检测率较低，以及系统虚警率高问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种基于峰值位置比较的北斗导航信号获取方法，包括如下步骤：
(1)接收北斗导航信号；
(2)将北斗导航信号进行平均采样与本地码进行相关运算，获得相关函数；
(3)将相关函数进行峰值搜索，记录峰值的位置；
(4)重复步骤(1)至步骤(3)，重复至少2次，得到相应的峰值位置；
(5)对得到的所有峰值位置进行比较，得到比较结果；
(6)判断比较结果是否满足预期的变化规律；如果是，则判定信号存在，北斗导航信号获取成功；如果否，则判定信号不存在，返回步骤(1)，对北斗导航信号进行下一次接收。
步骤(2)中，所述将北斗导航信号进行平均采样与本地码进行相关运算，获得相关函数过程，包括如下分步骤：
(2.1)利用11.428MHZ的采样频率对1ms的输入信号和1ms的本地cB21码进行采样，分别得到11428个采样点；
(2.2)找到采样后的cB21码的两个最大游程即游程内码片的符号相同，仿真发现，每颗卫星cB21码两个最大游程处采样点数为6的码片数都不小于5个；
(2.3)在这两个最大游程处，找出每个游程的前5个采样点数是6的码片，取每个码片的前5个采样点叠加为1个点，然后将5个码片剩下的5个采样点叠加成一个点，这样就将30个采样点的5个6点采样变为6个5点采样，最后，两个最大游程处就各多出一个叠加后的采样点；
(2.4)除了分步骤(2.3)中两个最大游程处的10个采样点数是6的码片外，将其余2036个码片上的采样点各自叠加为1个点；
(2.5)得到2048个采样点。
步骤(3)中，将相关函数进行峰值搜索，必定包含一个最大值，每次相关运算之后都要进行最大值的搜索，对于有多普勒频移的情况下,每次搜索到的最大值位置是缓变的,其变化规律可以根据由码多普勒大小、每两次相关运算之间的时间间隔因素来规定。
本发明的有益效果：
(1)引入平均相关捕获算法并对其进行改进从而实现了对北斗信号的快速获取，采样点数降至2048点FFT更利于硬件实现，满足软件接收机对实时性的要求；
(2)对弱信号(尤其是低于-128dBm)下较小的相关峰值的检测概率高，系统虚警率大幅度降低。
附图说明
图1为唐搜索的工作流程示意图；
图2是本发明方法的流程示意图；
图3是最大游程处采样示意图；
图4(a)是平均采样前cB21码的自相关特性图；
图4(b)是平均采样后cB21码的自相关特性图；
图5是中央控制状态机获取判定策略流程图；
图6是北斗导航信号进行平均采样与本地码进行相关运算，获得相关函数的大致过程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步的说明，但不是对本发明的限定。
图2示出了一种基于峰值位置比较的北斗导航信号获取方法，包括如下步骤：
(1)接收北斗导航信号；
(2)将北斗导航信号进行平均采样与本地码进行相关运算，获得相关函数；
(3)将相关函数进行峰值搜索，记录峰值的位置；
(4)重复步骤(1)至步骤(3)，重复至少2次，得到相应的峰值位置；
(5)对得到的所有峰值位置进行比较，得到比较结果；
(6)判断比较结果是否满足预期的变化规律；如果是，则判定信号存在，北斗导航信号获取成功；如果否，则判定信号不存在，返回步骤(1)，对北斗导航信号进行下一次接收。
步骤(2)中，所述将北斗导航信号进行平均采样与本地码进行相关运算，获得相关函数过程，如图6所示，包括如下分步骤：
(2.1)利用11.428MHZ的采样频率对1ms的输入信号和1ms的本地cB21码进行采样，分别得到11428个采样点；
(2.2)找到采样后的cB21码的两个最大游程即游程内码片的符号相同，仿真发现，每颗卫星cB21码两个最大游程处采样点数为6的码片数都不小于5个；
(2.3)在这两个最大游程处，找出每个游程的前5个采样点数是6的码片，取每个码片的前5个采样点叠加为1个点，然后将5个码片剩下的5个采样点叠加成一个点，这样就将30个采样点的5个6点采样变为6个5点采样，最后，两个最大游程处就各多出一个叠加后的采样点；以北斗1号GEO卫星最大游程处的采样过程为例，采样示意图如图3所示；
(2.4)除了步骤(2.3)中两个最大游程处的10个采样点数是6的码片外，将其余2036个码片上的采样点各自叠加为1个点；
如图3所示，表示个采样点5和6代表码片上采样点的个数，●表示平均采样后的1个采样点。
(2.5)得到2048个采样点。
在最大游程处进行平均采样时虽然跨越了cB21码片，但是由于同一个游程内的码片符号相同，所以叠加的采样点并没有跨越符号位，即不存在能量损失。平均采样前后cB21码的自相关性如图4(a)、图4(b)所示。由图4(a)、图4(b)可以看出，平均采样后的cB21码和平均采样前相比依然具有良好的自相关性，为接下来利用平均采样后的数据进行捕获奠定了基础。
通过上面介绍可以知道，平均采样就是将连续的5个或6个采样点叠加为1个点。但是，11428个采样点的第一个点不一定是某个码片的第一个采样点，为了解决以上问题，将输入信号的前6个连续的数据点分别作为输入信号第一个平均采样点的首个数据点，这样形成了6个长度为2048的序列，这其中必定有一个序列和本地码的平均采样结果最为接近，利用此序列进行捕获即可得到最大的捕获相关峰值。
步骤(3)中，将相关函数进行峰值搜索，必定包含一个最大值，每次相关运算之后都要进行最大值的搜索，对于有多普勒频移的情况下,每次搜索到的最大值位置是缓变的,其变化规律可以根据由码多普勒大小、每两次相关运算之间的时间间隔因素来规定。
本发明工作原理：
每次相关运算的结果中必定包含一个最大值，此最大值有可能是由信号的相关性产生的，也有可能是噪声中的最大值。有噪声产生的最大值会随着信号强度，或者接收机累积时间的改变而改变。对于由信号相关性得到的峰值，位置应该是不变，或者是由于码多普勒效应而缓变的。对于噪声中的峰值，其位置是随机变化的。利用这一点，可以由多次判定之后得到的峰值位置，分析得出信号是否存在。
在峰值位置比较的判定策略中，仍然是要对信号进行多次相关运算，每次相关运算之后都要进行最大值的搜索，并且记录下最大值出现的位置。当记录了足够多的最大值位置后，通过最大值的位置关系来判断信号的有无。
若将第K次相关运算得到的相关函数以数组的形式记为ck，其中每个元素，即每个码相位上的相关值记为akx，这里的X的取值从1到系统的总采样点数n。
ck＝[ak1 ak2 ak3 ... akn]
在每组相关函数中必存在一个最大值amax，将其在序列中的位置记为b,
amax＝max(c)＝ab
系统进行m次相关运算后会得到m组相关函数序列，并构成一个m行n列的相关函数矩阵M。
记录下矩阵M中每行的最大值位置by，这里y的取值从1到m，来构成反应峰值位置的向量P，P中元素b1到bm之间的关系便可以反映信号的有无。
P＝[b1 b2 b3 … bm]
例如,对于不存在多普勒频移的情况下,每次搜索到的最大值位置应该是固定的,或者是受系统时钟源稳定度的影响,在一定范围内浮动的。而对于有多普勒频移的情况下,每次搜索到的最大值位置是缓变的,其变化规律可以根据由码多普勒大小、每两次相关运算之间的时间间隔等因素来规定。当最大值位置不满足预期的变化规律时,则判定信号不存在。
峰值位置比较的判决策略既可以单独使用,也可以与其他策略结合使用。比如可以设定一个门限值对最大值进行筛选,排除那些过小,以至于不可能是相关峰的最大值。亦可将其与中取的策略结合,若次相关得到的最大值中有个最大值的位置满足预期的变化规则,则视为信号存在。
本发明的工作过程：
采用峰均比作为判决变量,通过两次过门限和两次码相位比较的方式来进行判决，具体过程如图5示。系统在频槽i上进行搜索时,当相关函数的峰均比大于所设定的峰均比门限时,系统会记录所捕获的相位值，并且再次在频槽i上进行一次捕获,如果得到的相关值的峰均比仍然超过门限,而且捕获所得到的码相位和前面所记录的相位值相差不超过半个码片,则认为在频槽i上捕获成功。这个判决过程中,如果有任何一个条件不满足,就判断为频槽i捕获失败。若上述过程中出现以下三个现象，即相关函数的峰均比不大于所设定的峰均比门限，或再次在频槽i上进行捕获是不满足条件，或者两次记录的码相位的相位值不超过半个码片，则改变频槽即频槽i＝i+1，使得系统继续在频槽i＝i+1上进行搜索。
以上结合附图对本发明的实施方式做出了详细说明，但本发明不局限于所描述的实施方式。对于本领域技术人员而言，在不脱离本发明的原理和精神的情况下，对这些实施方式进行各种变化、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种基于峰值位置比较的北斗导航信号获取方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1) 接收北斗导航信号；
(2) 将北斗导航信号进行平均采样与本地码进行相关运算，获得相关函数；
(3) 将相关函数进行峰值搜索，记录峰值的位置；
(4) 重复步骤（1）至步骤（3），重复至少2次，得到相应的峰值位置；
(5) 对得到的所有峰值位置进行比较，得到比较结果；
(6) 判断比较结果是否满足预期的变化规律；如果是，则判定信号存在，北斗导航信号获取成功；如果否，则判定信号不存在，返回步骤（1），对北斗导航信号进行下一次接收。
2.根据权利要求1所述的基于峰值位置比较的北斗导航信号获取方法，其特征在于：步骤（2）中，所述将北斗导航信号进行平均采样与本地码进行相关运算，获得相关函数过程，包括如下分步骤：
(2.1) 利用11.428MHZ的采样频率对1ms的输入信号和1ms的本地码进行采样，分别得到11428个采样点；
(2.2)找到采样后的码的两个最大游程即游程内码片的符号相同，仿真发现，每颗卫星码两个最大游程处采样点数为6的码片数都不小于5个；
(2.3)在这两个最大游程处，找出每个游程的前5个采样点数是6的码片，取每个码片的前5个采样点叠加为1个点，然后将5个码片剩下的5个采样点叠加成一个点，这样就将30个采样点的5个6点采样变为6个5点采样，最后，两个最大游程处就各多出一个叠加后的采样点；
(2.4) 除了分步骤(2.3)中两个最大游程处的10个采样点数是6的码片外，将其余2036个码片上的采样点各自叠加为1个点；
（2.5）得到2048个采样点。
3.根据权利要求1所述的基于峰值位置比较的北斗导航信号获取方法，其特征在于：步骤（3）中，将相关函数进行峰值搜索，必定包含一个最大值，每次相关运算之后都要进行最大值的搜索，对于有多普勒频移的情况下,每次搜索到的最大值位置是缓变的,其变化规律可以根据由码多普勒大小、每两次相关运算之间的时间间隔因素来规定。
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