CN109782311B

CN109782311B - 用于捕获bds信号的方法和设备

Info

Publication number: CN109782311B
Application number: CN201910116842.6A
Authority: CN
Inventors: 王猛; 马跃; 刘蕾; 刘佳
Original assignee: Space Star Technology Co Ltd
Current assignee: Space Star Technology Co Ltd
Priority date: 2019-02-15
Filing date: 2019-02-15
Publication date: 2020-08-21
Anticipated expiration: 2039-02-15
Also published as: CN109782311A

Abstract

本发明提供用于捕获BDS(北斗导航系统)信号的方法和设备。该方法包括：基于模数转换后的BDS中频信号数据，获得基带数据；将基带数据连续积累10毫秒，然后将10毫秒的数据缓冲存储；将缓冲数据依次与10个NH码数据相乘，得到1毫秒数据；对1毫秒数据进行快速傅立叶变换，然后与本地伪码的快速傅立叶的共轭结果进行相乘，再分别进行快速傅立叶逆变换后求和，对求和结果进行20次非相干累加；对非相干累加结果进行捕获门限判决，并判断是否成功捕获信号。利用本发明的技术方案，可以提高BDS信号的捕获灵敏度。

Description

用于捕获BDS信号的方法和设备

技术领域

本发明一般地涉及卫星通信技术领域。更具体地，本发明涉及一种BDS(“北斗导航系统”)信号高灵敏度快速捕获技术。

背景技术

卫星导航技术能够提供全球覆盖、全天时、全天候、高精度导航及测定轨服务。该项技术在我国空间飞行器领域得到了广泛应用，已成为低轨卫星平台不可或缺的关键组成部分。随着未来高轨航天器发射数量的逐步增多，对传统基于地面网络的高轨道航天器测定轨负荷急剧增大。BDS(北斗导航系统)是我国独自探索和发展，拥有自主知识产权的卫星导航系统，已成功发射16颗北斗导航卫星，预计到2020年左右将完成全球组网，针对BDS的应用也将成为各个领域热点。

由于高轨航天器轨道高度高于导航星座，接收机需要接收来自地球对面的导航卫星信号，信号传输距离远，接收信号功率衰减大，导航星旁瓣发射功率低。因此，高轨GNSS接收机具有微弱信号的快速捕获跟踪处理能力。解决接收导航信号功率微弱的基本思路是提高信号处理增益，通常采用的方法为对多个伪码相关值的累积求来提升信噪比。BDS信号中调制了NH码，在盲捕获过程中，受NH调制影响，导航接收机难以直接进行相干累加处理。

发明内容

鉴于此，本发明通过解决BDS信号中NH码调制引起的无法直接长时间相干累积的问题，实现了BDS信号高灵敏度、快速捕获。

在一个方面中，本发明的技术方案提供一种用于捕获BDS(北斗导航系统)信号的方法，包括：

步骤(1)：基于模数转换后的BDS中频信号数据，获得基带数据；

步骤(2)：将所述基带数据连续积累10毫秒，然后将10毫秒的数据缓冲存储；

步骤(3)：将所述10毫秒缓冲数据按照1毫秒的数据长度依次与10个NH码数据相乘，得到10组1毫秒数据；

步骤(4)：将所述10组1毫秒数据叠加为1毫秒数据；

步骤(5)：对叠加的所述1毫秒数据进行快速傅立叶变换，然后与本地伪码的快速傅立叶的共轭结果进行相乘，再分别进行快速傅立叶逆变换后求和，对求和结果进行20次非相干累加；

步骤(6)：将步骤(5)中非相干累加结果进行捕获门限判决，判断是否成功捕获信号，若成功捕获信号，则进入步骤(8)，否则判断20个NH码相位是否搜索完成，若未搜索完成，则进入步骤(7)，当20个NH码相位搜索全部完成但仍未成功捕获，则重新更新多普勒频率并进入步骤(1)；

步骤(7)：对20个NH码数据循环移动0.5个码长度，进入步骤(2)，重复步骤(2)～(6)，进行NH码相位搜索；

步骤(8)：捕获完成。

在一个实施例中，在累加后的所述1毫秒数据被分为前0.5毫秒和后0.5毫秒两组数据，然后分别补零后至1毫秒，并且在码搜索完成后，再将两组数据对应求和变为1组。

在一个实施例中，针对模数转换后的BDS中频信号数据，利用本地载波信号数据，去除中频载波和待搜索的多普勒频率，得到基带数据。

在一个实施例中，将10毫秒的数据交替存储在两个缓冲区中，形成乒乓缓冲数据结构。

在一个实施例中，将所述新的10组1毫秒数据按照数据折叠累加方式进行相干积分累加，将所述新的10组1毫秒数据叠加为1毫秒数据。

在另一个方面中，本发明的技术方案提供一种用于捕获BDS(北斗导航系统)信号的设备，包括：

至少一个处理器；

至少一个存储器，其中所述存储器包括计算机软件，所述计算机软件包括计算机指令，当所述计算机指令由所述至少一个处理器执行时，使得所述设备执行以下步骤：

步骤(4)：将所述10组1毫秒数据叠加为1毫秒数据；

步骤(8)：捕获完成。

在一个实施例中，累加后的所述1毫秒数据被分为前0.5毫秒和后0.5毫秒两组数据，然后分别补零后至1毫秒，并且在码搜索完成后，再将两组数据对应求和变为1组。

可以看出，本发明的技术方案针对相干累积时NH码相位未知导致无法进行长时间累积问题，将折叠累加后的1毫秒的数据分为前0.5毫秒和后0.5毫秒两组数据，分别补零至1毫秒数据后，分别执行快速傅立叶变换/快速傅立叶反变换(“FFT/IFFT”)并行码相位快速搜索，再将两组数据求和，然后进行非相干累加，避免BDS信号受NH码调制难以直接进行相干累加的问题，并提高了捕获灵敏度和捕获速度，提高了BDS信号的捕获灵敏度。

附图说明

通过阅读仅作为示例提供并且参考附图进行的以下描述，将更好地理解本发明及其优点，其中：

图1是示出根据本发明的用于捕获BDS(北斗导航系统)信号的方法的流程图；

图2是示出根据本发明的去NH码和分两组数据处理工作原理的示意图；以及

图3是根据本发明的NH码自相关的示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种BDS(“北斗导航系统”)信号高灵敏度快速捕获技术。可用于对调制有NH码(Neumann-Hoffman码)等二次编码的卫星导航信号进行弱信号快速捕获。具体地，本发明提供了一种高轨BDS弱信号快速捕获的方法，通过将BDS基带数据折叠累加后的1毫秒(ms)的数据划分为前0.5ms和后0.5ms两组数据，并分别补零至1ms数据后分别执行FFT、与本地码FFT的共轭相乘、执行IFFT，然后将两组数据求和，再进行非相干累加。由于NH码的每个码片持续时间长度为1ms，将折叠累加后分成两组数据，在分别进行0.5个NH码片搜索过程中，必然有一组未受NH码影响，可顺利完成10ms相干累积配合若干次非相干累积的弱信号捕获过程，提高了BDS信号的捕获灵敏度。

下面将结合附图来详细描述本发明的实施例。

图1是示出根据本发明的用于捕获BDS(北斗导航系统)信号的方法的流程图。

如图1所示，在步骤102处，模数转换后的BDS中频信号数据与本地载波信号数据(如140处所示)相乘。在一个实施例中，本地载波频率可以是数字中频与需搜索的多普勒频率之和，并且通常将得到的基带数据分为I、Q两路数据。为便于后续数据处理，在步骤104处，将基带数据存入乒乓缓冲区中。在一个实施例中，每个缓冲区的容量可以为10ms的数据大小。例如，假设基带数据的采样频率为4.096MHz，每个采样数据宽度为4比特，则每个10ms缓冲的I和Q两路数据所需的缓存容量为：327680＝(4.096×1000×10×4×2)比特。

启动一次捕获流程后，在138处置入待捕获的多普勒频率，更新本地多普勒频率，并且流程进入到步骤140处，即本地载波信号与BDS中频信号数据在步骤102处相乘，后在步骤104处进行缓存。在步骤136处，将20个NH码进行4.096MHz采样，然后在步骤106处，将该移位后的NH码中前10个NH码片与上述乒乓缓存中的一个10ms的基带数据进行相乘，后10个NH码片与乒乓缓存中的另一个10ms的基带数据进行相乘，进行去NH码操作。在执行一次捕获过程后，根据步骤134，判断20个NH码相位是否搜索完成，当未搜索完成时，在步骤136处，将该20个NH码数据循环移位0.5个码长度。

如图2所示，由于输入基带信号中调制的NH码具有随机性，当其与相乘的NH码相位接近一致时，相乘结果中大部分数据去除了NH码调制的影响(如图2中NH码一致区域)，但仍有一部分数据未能去除NH码影响(如图2中NH码不一致区域)。在步骤108处，在10ms数据按数据折叠累加方式进行相干积分累加至1ms过程中，将10组1ms数据中对应的10个点求和后变为1个点，如图2中虚线表示。在本实施例中，将10×4096个点的数据折叠成为1×4096个点。

由于NH码的每个码片长度为1ms，乒乓数据缓冲的10ms基带数据中NH码的跳变时刻在每个1ms中基本一致，如图2所示。在步骤110和112处，可以将折叠累加后的1ms数据分为前0.5ms数据和后0.5ms两组数据。尽管NH码调制时刻具有一定随机性，但总有一组数据NH码被完全去除而不受NH码跳变的影响，因此可以获得相干增益。在本实施例中，折叠累加后的0.5ms数据长度为2048点，需补零至4096个点。在步骤114和116处，补零后的两组数据同时与本地伪码的快速傅立叶变换(FFT)的共轭结果(如步骤118处所示)进行相乘，并且在步骤120和122处，执行快速傅立叶反变换(IFFT)后，将每组4096点的数据对应求和，重新形成4096点数据，减少后续非相干累加的数据存储量。

假设输入基带数据中NH码与图2中相乘的NH码序列的相位差为1-ξ，此时输入基带数据中NH码依次与本地NH码相乘的结果为：D_k＝[ξ·N_k，(1-ξ)·N_k+1]×N_k，在本实施例中，k可以为20。

通过下式，可以将10组D_k数据依次相加：

式中R_N()为不同码相位差对应的自相关值。

在将步骤120和122处执行的IFFT在步骤124处进行求和以后，可以在步骤126处，对求和结果进行20次非相干累加，完成一次捕获过程。接着，在步骤128处，对非相干累加结果进行捕获门限判决，并且在步骤130处判断是否成功捕获信号。若成功捕获信号，则流程进入步骤132，此处捕获结束。而当判断捕获并未成功时，重新进行下一次捕获过程。捕获流程进入步骤134，判断20个NH码相位是否搜索完成，即NH码相位搜索是否进行了40次。若未搜索完成，则流程进入步骤136，即对20个NH码数据循环移动0.5个码长度，并且进入步骤106。而当20个NH码相位搜索全部完成，但仍未捕获成功，则在步骤138处，根据待捕获多普勒频率，重新更新本地多普勒频率，并且流程重新进入到140处，随即本地载波信号与BDS中频信号数据在步骤102处相乘。

图3是根据本发明的NH码自相关的示意图。如图3所示，在码相位差在1和-1处，NH码的自相关值均为0，而码相位差在0处的自相关值最大，取值为1，即完全去除NH码影响。采用0.5个NH码片进行搜索时，ξ取值范围为0≤ξ≤0.5，NH码跳变引起能量损失的比例为(1-ξ)。当ξ＝0.25时，NH码跳变带来的能量损失最大，约为1.25dB。

虽然本发明所实施的方式如上，但所述内容只是为便于理解本发明而采用的实施例，并非用以限定本发明的范围和应用场景。任何本发明所述技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims

1.一种用于捕获北斗导航系统BDS信号的方法，包括：

步骤(4)：将所述10组1毫秒数据叠加为1毫秒数据；

步骤(7)：对20个NH码数据循环移动0.5个码长度，进入步骤(2)，重复步骤(2)～(6)，进行NH码相位搜索；以及

步骤(8)：捕获完成。

2.根据权利要求1所述的方法，其中累加后的所述1毫秒数据被分为前0.5毫秒和后0.5毫秒两组数据，然后分别补零后至1毫秒，并且在码搜索完成后，再将两组数据对应求和变为1组。

3.根据权利要求1所述的方法，其中针对模数转换后的BDS中频信号数据，利用本地载波信号数据，去除中频载波和待搜索的多普勒频率，得到基带数据。

4.根据权利要求1所述的方法，其中将10毫秒的数据交替存储在两个缓冲区中，形成乒乓缓冲数据结构。

5.根据权利要求1所述的方法，其中将新的10组1毫秒数据按照数据折叠累加方式进行相干积分累加，将所述新的10组1毫秒数据累加为1毫秒数据。

6.一种用于捕获北斗导航系统BDS信号的设备，包括：

至少一个处理器；

步骤(4)：将所述10组1毫秒数据叠加为1毫秒数据；

步骤(8)：捕获完成。

7.根据权利要求6所述的设备，其中累加后的所述1毫秒数据被分为前0.5毫秒和后0.5毫秒两组数据，然后分别补零后至1毫秒，并且在码搜索完成后，再将两组数据对应求和变为1组。

8.根据权利要求6所述的设备，其中针对模数转换后的BDS中频信号数据，利用本地载波信号数据，去除中频载波和待搜索的多普勒频率，得到基带数据。

9.根据权利要求6所述的设备，其中将10毫秒的数据交替存储在两个缓冲区中，形成乒乓缓冲数据结构。

10.根据权利要求6所述的设备，其中将新的10组1毫秒数据按照数据折叠累加方式进行相干积分累加，将所述新的10组1毫秒数据累加为1毫秒数据。