CN109188473B - 基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法，包括以下步骤：采集卫星信号，通过信频采样方式将卫星接收机接收到的信号模型转化为单输入多输出的盲分离模型；对采样信号进行背景降噪，得到降噪后的采样信号；利用降噪后的采样信号构造出一组新序列，构造并求解多项式，得到卫星信号的频率；根据得到的卫星信号的频率，求解卫星信号相位和振幅。本发明提供的一种基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法，根据卫星接收机接收的信号重新构造了一组新序列，通过选择适当的参数，之后建立多项式及方程组，最后用最小二乘法得到参数的估计值，从而对卫星信号进行精确捕获，有效提高卫星捕获的精确度和速度。

Description

基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法

技术领域

本发明涉及卫星导航领域，更具体的，涉及一种基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法。

背景技术

21世纪，国防、民航管理及农业等各领域得到了长足发展，其中卫星导航在其中发挥积极作用。随着用户对于位置服务需求的急剧增大，在民用领域乃至军用领域对卫星导航接收机定位的快速性、实时性需求不断增高。一方面，由于信号捕获北斗卫星导航接收机是基带信号处理部分的基础步骤，它是跟踪和定位的前提，因此捕获算法性能的优劣也直接决定了接收机性的捕获速度、捕获精度等性能指标。另一方面，由于卫星信号可能会被山脉建筑物反射或被树木遮挡，强度将比正常信号弱很多，导致接收机无法获得直接有效的卫星信号，此时微弱信号在常规算法下无法实现正常捕获。

现有的卫星捕获技术采用的是码相位和多普勒频率二维网格上搜索，频率搜索范围为±10KHz，码相位搜索单元为0.5码片。将接收机每次搜索下产生的中频信号与接收到的北斗卫星信号作相关运算处理。若相关运算后的峰值超过了设定的捕获门限，则捕获成功。然而该方法存在着缺陷，若网格化区间越小，则捕获精度越高，而捕获速度越慢，但若网格化区间增大，此时捕获的效率提高，捕获精度下降，故二维网格搜索无法同时实现对北斗卫星信号的快速精确捕获。

发明内容

本发明为克服现有的二维网格搜索无法同时实现对北斗卫星信号的快速精确捕获的技术缺陷，提供一种基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：采集卫星信号，通过信频采样方式将卫星接收机接收到的信号模型转化为单输入多输出的盲分离模型；

S2：基于矩阵谱分解方法对采样信号进行背景降噪，得到降噪后的采样信号；

S3：利用降噪后的采样信号满足出一组新序列，满足多项式，求解多项式，得到卫星信号的频率；

S4：根据得到的卫星信号的频率，求解卫星信号相位和振幅。

其中，所述步骤S1包括以下步骤：

S11：设卫星接收机接收到的信号模型为：

其中，A_n为每个卫星C/A码的幅度，C(t)为C/A码，D(t)为导航数据码，f_IF为中频载波频率，f_n和θ_n,0为每个卫星信号的多普勒效应频率以及相位，该参数表征卫星的特征及卫星间的拓扑关系，n(t)为背景噪声；

S12：采集卫星信号后，通过信频采样方式将原先卫星接收机接收到的信号模型转化成单输入多输出的盲分离模型，具体为：

r＝A·x+n，

其中，T表示转置，H表示赫米特转置；r＝[r(1)r(2)...r(M)]代表同一采样点，不同通道采集的北斗卫星信号；系数矩阵A未知参数，F_n＝f_IF+f_n，列向量x未知参数B，θ分别为北斗卫星载波信号强度和初始相位；P为C/A码与导航电文码的乘积，由于倍频过采样，P与采样通道无关。

其中，在步骤S2中，背景降噪过程具体为：

设采样信号背景噪声服从高斯分布，设噪声的均值为0，方差为σ2，根据盲分离模型计算公式两边同时求自相关矩阵并结合正弦信号相关函数频率不变的特性，得到矩阵Q，具体为：

Q＝E(r·r^H)＝A·E(x·x^H)·A^H+σ²I；

其中，I为单位矩阵，E为求数学期望，矩阵Q为满秩矩阵，可得M个特征值，矩阵A列满秩，矩阵秩满足如下关系，rank(A)＝rank[E(x·x^H)]＝N，矩阵A·E(x·x^H)·A^H的特征个数为N个，即可得到矩阵Q的特征值形式：

其中，γ_i为矩阵A·E(x·x^H)·A^H的特征值；因为A·E(x·x^H)·A^H为非负定矩阵，故γ_i≥0；故对矩阵Q的特征值求最小值可估算出方差σ²＝min(γ_i)，估算到噪声方差后，由下式完成降噪过程：

A·E(x·x^H)·A^H＝Q-min(γ_i)。

其中，所述步骤S3过程具体为：

S31：利用降噪后的采样信号满足出一组新序列：

其中0≤p≤N/6(p∈N)，3p≤n≤N-3p，F_k＝f_IF+f_k，θ_k,0是第k个卫星的初始相位。

S32：以cos³2πF_k为根，满足多项式P(x)：

系数α的最小二乘解可以表示为：

其中，

将

代入多项式P(x)可解得M个根

S33：求解卫星信号的频率表达式：根据得到的

可得：

其中，Δt为采样时间间隔。

其中，所述步骤S4过程具体为：

S41：求解卫星信号的相位表达式：利用得到的卫星信号频率，通过欧拉变换，将多正弦信号转变为复信号，有：

构造如下线性方程组如下：

记为：VC＝D；

此时C的最小二乘解可以表示为：

又：

得到相位的估算表达式：

S42：求解卫星信号的振幅表达式：

振幅表达式为：

S43：根据得到的卫星信号的频率表达式、卫星信号的相位表达式和卫星信号的振幅表达式，求解卫星信号的频率、相位和振幅，完成卫星接收机的捕获过程。

上述方案中，基于矩阵谱分解的方法对卫星信号进行背景降噪，在面对弱信号的情况下，使用谱分解来进行降噪，提高信噪比，从而对卫星信号进行精确捕获，提高卫星捕获的精确度和速度。

上述方案中，根据卫星接收机接收的信号重新构造了一组新序列，通过选择适当的参数，之后建立多项式及方程组，最后用最小二乘法得到参数的估计值，从而对卫星信号进行精确捕获，提高卫星捕获的精确度和速度。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明提供的一种基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法，根据卫星接收机接收的信号重新构造了一组新序列，通过选择适当的参数，之后建立多项式及方程组，最后用最小二乘法得到参数的估计值，从而对卫星信号进行精确捕获，有效提高卫星捕获的精确度和速度。

附图说明

图1为一种基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法流程图。

图2为MATLAB仿真中混叠的北斗卫星载波信号。

图3为基于盲分离技术后的分离出一号北斗卫星载波信号。

图4为基于盲分离技术后分离出的二号北斗卫星载波信号。

图5为基于盲分离技术后分离出的三号北斗卫星载波信号。

图6为基于盲分离技术后分离出的四号北斗卫星载波信号。

图7为基于盲分离技术后分离出的五号北斗卫星载波信号。

图8为基于盲分离技术后分离出的六号北斗卫星载波信号。

图9为基于盲分离技术后分离出的七号北斗卫星载波信号。

图10为基于盲分离技术后分离出的八号北斗卫星载波信号。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例1

如图1所示，基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：采集卫星信号，通过信频采样方式将卫星接收机接收到的信号模型转化为单输入多输出的盲分离模型；

S2：基于矩阵谱分解方法对采样信号进行背景降噪，得到降噪后的采样信号；

S3：利用降噪后的采样信号构造出一组新序列，构造多项式，求解多项式，得到卫星信号的频率；

S4：根据得到的卫星信号的频率，求解卫星信号相位和振幅。

更具体的，所述步骤S1包括以下步骤：

S11：设卫星接收机接收到的信号模型为：

其中，A_n为每个卫星C/A码的幅度，C(t)为C/A码，D(t)为导航数据码，f_IF为中频载波频率，f_n和θ_n,0为每个卫星信号的多普勒效应频率以及相位，该参数表征卫星的特征及卫星间的拓扑关系，n(t)为背景噪声；

S12：采集卫星信号后，通过信频采样方式将原先卫星接收机接收到的信号模型转化成单输入多输出的盲分离模型，具体为：

r＝A·x+n，

其中，T表示转置，H表示赫米特转置；r＝[r(1)r(2)...r(M)]代表同一采样点，不同通道采集的北斗卫星信号；系数矩阵A未知参数，F_n＝f_IF+f_n，列向量x未知参数B，θ分别为北斗卫星载波信号强度和初始相位；P为C/A码与导航电文码的乘积，由于倍频过采样，P与采样通道无关。

更具体的，在步骤S2中，背景降噪过程具体为：

设采样信号背景噪声服从高斯分布，设噪声的均值为0，方差为σ2，根据盲分离模型计算公式两边同时求自相关矩阵并结合正弦信号相关函数频率不变的特性，得到矩阵Q，具体为：

Q＝E(r·r^H)＝A·E(x·x^H)·A^H+σ²I；

其中，I为单位矩阵，E为求数学期望，矩阵Q为满秩矩阵，可得M个特征值，矩阵A列满秩，矩阵秩满足如下关系，rank(A)＝rank[E(x·x^H)]＝N，矩阵A·E(x·x^H)·A^H的特征个数为N个，即可得到矩阵Q的特征值形式：

其中，γ_i为矩阵A·E(x·x^H)·A^H的特征值；因为A·E(x·x^H)·A^H为非负定矩阵，故γ_i≥0；故对矩阵Q的特征值求最小值可估算出方差σ²＝min(γ_i)，估算到噪声方差后，由下式完成降噪过程：

A·E(x·x^H)·A^H＝Q-min(γ_i)。

更具体的，所述步骤S3过程具体为：

S31：利用降噪后的采样信号构造出一组新序列：

其中0≤p≤N/6(p∈N)，3p≤n≤N-3p，F_k＝f_IF+f_k，θ_k,0是第k个卫星的初始相位。

S32：以cos³2πF_k为根，满足多项式P(x)：

系数α的最小二乘解可以表示为：

其中，

将

代入多项式P(x)可解得M个根

S33：求解卫星信号的频率表达式：根据得到的

可得：

其中，Δt为采样时间间隔。

更具体的，所述步骤S4过程具体为：

S41：求解卫星信号的相位表达式：利用得到的卫星信号频率，通过欧拉变换，将多正弦信号转变为复信号，有：

构造如下线性方程组如下：

记为：VC＝D；

此时C的最小二乘解可以表示为：

又：

得到相位的估算表达式：

S42：求解卫星信号的振幅表达式：

振幅表达式为：

S43：根据得到的卫星信号的频率表达式、卫星信号的相位表达式和卫星信号的振幅表达式，求解卫星信号的频率、相位和振幅，完成卫星接收机的捕获过程。

在具体实施过程中，基于矩阵谱分解的方法对卫星信号进行背景降噪，在面对弱信号的情况下，使用谱分解来进行降噪，提高信噪比，从而对卫星信号进行精确捕获，提高卫星捕获的精确度和速度。

在具体实施过程中，根据卫星接收机接收的信号重新构造了一组新序列，通过选择适当的参数，之后建立多项式及方程组，最后用最小二乘法得到参数的估计值，从而对卫星信号进行精确捕获，提高卫星捕获的精确度和速度。

在具体实施过程中，在MATLAB中进行仿真和性能分析，仿真信号采用北斗中频信号源产生，采用8个北斗信号进行模拟仿真，图2为混叠的北斗卫星载波信号，图3至图10为基于盲分离技术后分离出的8个北斗卫星载波信号。在仿真北斗卫星信号捕获实验中，一共捕获到了8个可见的北斗卫星，综合仿真实验结果，可以证明本发明提出的基于盲分离技术北斗卫星微弱信号捕获方法具备灵敏度高，捕获速度快等特点，实现了高精度快速捕获北斗卫星的功能，满足弱信号北斗卫星接收机的捕获需求。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

S1：采集卫星信号，通过信频采样方式将卫星接收机接收到的信号模型转化为单输入多输出的盲分离模型；

S2：基于矩阵谱分解方法对采样信号进行背景降噪，得到降噪后的采样信号；

S3：利用降噪后的采样信号构造出一组新序列，构造多项式，求解多项式，得到卫星信号的频率；

S4：根据得到的卫星信号的频率，求解卫星信号相位和振幅。

2.根据权利要求1所述的基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S11：设卫星接收机接收到的信号模型为：

其中，A_n为每个卫星C/A码的幅度，C(t)为C/A码，D(t)为导航数据码，f_IF为中频载波频率，f_n和θ_n,0为每个卫星信号的多普勒效应频率以及相位，该参数表征卫星的特征及卫星间的拓扑关系，n(t)为背景噪声；

S12：采集卫星信号后，通过信频采样方式将原先卫星接收机接收到的信号模型转化成单输入多输出的盲分离模型，具体为：

r＝A·x+n，

其中，T表示转置，H表示赫米特转置；r＝[r(1)r(2)...r(M)]代表同一采样点，不同通道采集的北斗卫星信号；系数矩阵A未知参数，F_n＝f_IF+f_n，列向量x未知参数B，θ分别为北斗卫星载波信号强度和初始相位；P为C/A码与导航电文码的乘积，由于倍频过采样，P与采样通道无关。

3.根据权利要求2所述的基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法，其特征在于，在步骤S2中，背景降噪过程具体为：

设采样信号背景噪声服从高斯分布，设噪声的均值为0，方差为σ2，根据盲分离模型计算公式两边同时求自相关矩阵并结合正弦信号相关函数频率不变的特性，得到矩阵Q，具体为：

Q＝E(r·r^H)＝A·E(x·x^H)·A^H+σ²I；

其中，I为单位矩阵，E为求数学期望，矩阵Q为满秩矩阵，可得M个特征值，矩阵A列满秩，矩阵秩满足如下关系，rank(A)＝rank[E(x·x^H)]＝N，矩阵A·E(x·x^H)·A^H的特征个数为N个，即可得到矩阵Q的特征值形式：

其中，γ_i为矩阵A·E(x·x^H)·A^H的特征值；因为A·E(x·x^H)·A^H为非负定矩阵，故γ_i≥0；故对矩阵Q的特征值求最小值可估算出方差σ²＝min(γ_i)，估算到噪声方差后，由下式完成降噪过程：

A·E(x·x^H)·A^H＝Q-min(γ_i)。

4.根据权利要求3所述的基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法，其特征在于，所述步骤S3过程具体为：

S31：利用降噪后的采样信号构造出一组新序列：

其中0≤p≤N/6(p∈N)，3p≤n≤N-3p，F_k＝f_IF+f_k，θ_k,0是第k个卫星的初始相位；

S32：以cos³2πF_k为根，满足多项式P(x)：

系数α的最小二乘解可以表示为：

其中，

将

代入多项式P(x)可解得M个根

S33：求解卫星信号的频率表达式：根据得到的

可得：

其中，Δt为采样时间间隔。

5.根据权利要求4所述的基于盲分离技术的北斗卫星微弱信号高精度快速捕获方法，其特征在于，所述步骤S4过程具体为：

S41：求解卫星信号的相位表达式：利用得到的卫星信号频率，通过欧拉变换，将多正弦信号转变为复信号，有：

满足如下线性方程组如下：

记为：VC＝D；

此时C的最小二乘解可以表示为：

又：

得到相位的估算表达式：

S42：求解卫星信号的振幅表达式：

振幅表达式为：

S43：根据得到的卫星信号的频率表达式、卫星信号的相位表达式和卫星信号的振幅表达式，求解卫星信号的频率、相位和振幅，完成卫星接收机的捕获过程。

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