CN110109154A - 一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法及装置 - Google Patents

一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法，包括：对BOC信号进行下变频处理得到中频信号；将中频信号与本地载波混频，得到同相支路信号和正交支路信号；将本地PRN序列分割为奇支路信号和偶支路信号；将奇支路信号与复信号进行相乘运算，得到第一信号；将第一信号分别超前四分之一个码片和滞后四分之三个码片，分别得到第二信号和第三信号；对第二信号和所述第三信号进行相干积分运算，得到第四信号和第五信号；根据重构相关规则，得到第六信号和第七信号，根据检测统计量公式，得到无模糊的检测统计量；判断检测统计量是否大于设定的检测门限值，若是，则说明信号被准确捕获。

Description

一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法及装置
技术领域
本发明属于卫星导航定位技术领域，具体涉及一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法。
背景技术
目前卫星导航由单GPS时代进入GNSS多系统时代，随着信号的不断增多，而频谱资源有限，卫星信号的频谱重叠，引起系统内部和系统之间的信号干扰，从而影响卫星导航定位的性能，BOC调制技术具有频谱分裂的特性，能够实现频谱共享。然而，BOC调制信号自相关函数有多个相关峰值，信号的多峰造成了相关峰能量耗散，容易导致副峰的峰值超过主峰峰值，从而引起BOC信号的错捕。因此，消除相关峰的模糊性是研究的关键问题。为了解决捕获模糊性问题，目前已经提出了很多方案，BPSK-LIKE算法又分为单边带和双边带法，单边带BPSK-LIKE捕获方法将副载波调制近似于正弦波调制，从而将BOC调制信号等效为两个载频不同的BPSK调制信号之和，但在实现过程中会导致定位精度下降。SCPC算法将副载波当作载波形式，同样产生同相正交两路信号以消除模糊度，但这需要更多的相关器。ASPeCT算法有效抑制了BOC(n,n)的自相关边峰，但只适用于正弦相控BOC(n,n)信号的捕获和跟踪。BOC信号直接处理法是将接收信号与本地产生BOC信号进行相关，该算法虽然实现简单但不能处理自相关函数的多峰性产生的模糊度问题。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法及装置，其目的在于完全消除边峰，同时保持窄相关主峰，使主峰跨度减小到半码片宽度，提高检测性能，降低系统的计算复杂度，且捕获灵敏度比SCPC和BPSK-LIKE方法有所提高。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法，该方法包括以下步骤：
对BOC信号进行下变频处理得到离散时间的中频信号；
采用正交解调的方法将所述中频信号与本地载波混频，得到同相支路信号和正交支路信号；
将经副载波调制的本地PRN序列分割为奇支路信号和偶支路信号；
将所述奇支路信号与载波剥离后的复信号进行相乘运算，得到第一信号；
将所述第一信号分别超前四分之一个码片和滞后四分之三个码片，分别得到第二信号和第三信号；
对所述第二信号和所述第三信号进行相干积分运算，得到第四信号和第五信号；
根据重构相关规则，得到第六信号和第七信号，再根据检测统计量公式，得到无模糊的检测统计量；
判断所述检测统计量是否大于设定的检测门限值，若所述检测统计量大于所述检测门限值，则说明信号被准确捕获。
可选地，所述第二信号表示为：
其中，S(t)表示中频信号，fIF表示中频，fD是输入信号的多普勒频率，Ce(t)表示奇支路信号，TC为一个伪随机码片的宽度，ne是噪声项。
可选地，所述第三信号表示为：
其中，S(t)表示中频信号，fIF表示中频，fD是输入信号的多普勒频率，Ce(t)表示奇支路信号，TC为一个伪随机码片的宽度，ne是噪声项。
可选地，所述重构相关规则表示为：
R＝|Re1-Re2|-|Re1+Re2|
其中,Re1是左移四分之一个码片的新相关函数，Re2是右移四分之三个码片的新相关函数。
可选地，所述第四信号表示为：
其中，PS是输入信号的功率，Re1(Δτ)左移四分之一的的相关函数，Δτ是码延迟，Ts表示周期，ΔfD是多普勒频率偏移，Ne1是遵循高斯分布的白高斯噪音。
可选地，所述第五信号表示为：
其中，PS是输入信号的功率，Re2(Δτ)右移四分之三的的相关函数，Δτ是码延迟，Ts表示周期，ΔfD是多普勒频率偏移，Ne2是遵循高斯分布的白高斯噪音。
可选地，所述检测统计量表示为：
其中，Se1-e2表示第六信号，Se1+e2表示第七信号。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获装置，其特征在于，该捕获装置包括：
变频模块，用于对BOC信号进行下变频处理得到离散时间的中频信号；
混频模块，用于采用正交解调的方法将所述中频信号与本地载波混频，得到同相支路信号和正交支路信号；
分割模块，用于将经副载波调制的本地PRN序列分割为奇支路信号和偶支路信号；
乘法模块，用于将所述奇支路信号与载波剥离后的复信号进行相乘运算，得到第一信号；
移相模块，用于将所述第一信号分别超前四分之一个码片和滞后四分之三个码片，分别得到第二信号和第三信号；
相干模块，用于对所述第二信号和所述第三信号进行相干积分运算，得到第四信号和第五信号；
无模糊检测模块，用于根据重构相关规则，得到第六信号和第七信号，再根据检测统计量公式，得到无模糊的检测统计量；
判断模块，用于判断所述检测统计量是否大于设定的检测门限值，若所述检测统计量大于所述检测门限值，则说明信号被准确捕获。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种存储介质，存储计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行所述的捕获方法。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种电子终端，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行所述的捕获方法。
如上所述，本发明的一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法及装置，具有以下有益效果：
1、本发明提出的方法采用移位相关的方式，节省了运算量。而且本发明提出的方法与SCPC和ASPeCT相比，仅需要一次相关，两次移位，两次平方，因此本发明的复杂度较小。
2、BOC信号捕获方法基于拆分重组的思想，将本地BOC信号拆分为奇单元信号和偶单元信号，将奇单元信号和偶单元信号与载波剥离后的BOC信号的单元相关函数进行重构，得到无模糊的检测量，保留了其窄相关主峰的优点。
3、本发明提出的方法能够完全消除多峰性，使相关函数的主峰跨度减小到半个码片宽度，并且组合相关函数捕获概率和捕获灵敏度大于SCPC和BPSK-LIKE算法，提高了BOC信号的捕获精度。
附图说明
为了进一步阐述本发明所描述的内容，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。应当理解，这些附图仅作为典型示例，而不应看作是对本发明的范围的限定。
图1是本发明一实施例的一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法原理图；
图2是本地BOC(1,1)信号的产生；
图3是本地信号的分离，(a)是本地BOCc(n,n)信号的分离；(b)是本地BOCs(1,1)信号的分离；
图4是BOC组合相关规则；
图5是BOC(1,1)信号捕获结果图；
图6是BOC(1,1)信号三种方法捕获二维对比图；
图7是BOC(1,1)信号四种方法的检测概率对比图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
本实施基于一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法，其捕获原理图如图1所示：包括以下步骤：
步骤1.对BOC信号进行下变频处理得到离散时间的中频信号；
BOC信号经过下变频模块变成离散时间的中频信号，记为S(t)，采用正交解调的方法与本地载波混频，得到同相支路信号和正交支路信号。
进行捕获处理时，输入BOC信号表示如下：
PS是输入信号的功率，C(t)是PRN码，D(t)是导航数据，τ是输入信号的码延迟，fD是输入信号的多普勒频率，fIF是中频，Sc(t)是副载波，n(t)为噪声项。
步骤2.输入信号经过与本地载波混频，得到同相支路信号I(t)和正交支路信号Q(t)表示如下：
I(t)＝S(t)[cos[2π(fIF+fD)t]+cos[2π(fIF+fD)Ts]]+n(t)
Q(t)＝S(t)[cos[2π(fIF+fD)t]+cos[2π(fIF+fD)Ts]]+n(t)。
在步骤2中，为了方便硬件实现，本发明可以在FPGA的基础上实现，以往的FPGA实现都是实时生成PRN，然后与副载波进行调制，再进行傅立叶变换。现在为了提高效率，可以将伪码PRN与负载波相乘后的傅立叶变换的结果缓存在ROM中，在硬件实现时，不用实时生成，而是可以直接从ROM中读取，这样可以加快载波剥离的速度，大大提高了捕获的效率。
步骤3.采用正交解调的方法将所述中频信号与本地载波混频，得到同相支路信号和正交支路信号；
具体地，经副载波调制的本地PRN序列以副载波脉冲长度作为基准被分割为奇支路信号和偶支路信号，分别记为Ce(t)和Co(t)。
更加具体地，首先拆分BOC信号，伪随机码数学表达式如下：
其中,Ci是指第i个码片的符号值，Ci∈(-1,1)；PTc是周期为Tc、振幅为1的矩形脉冲；Tc是一个码片的宽度。方波子载波可以表示为：
其中,PTsc是周期为Tsc，振幅为1的矩形脉冲；dj是副载波的脉冲符号，dj∈(-1,1)；N是一个伪随机码片内的脉冲总数。对于BOC(1,1)信号而言，N＝2，
通过上述两个数学模型，则BOC基带信号可以表示为：
本地BOC(1,1)信号的产生如图2所示，副载波和本地PRN序列严格同步。然后以每个PRN码片长度为基准，按副载波的脉冲持续时间截取成相等的两个部分，前半部分加后半部分归零构奇支路BOC信号，前半部分取零加后半部分构成BOC偶支路信号。Ce(t)代表奇支路部分，Co(t)代表偶支路部分。BOC(1,1)信号的分离过程如图3(a)和3(b)所示。
奇支路信号和偶支路信号的表达式如下：
其中，Nc是一段时间内PRN码片的数量,de为以每个PRN码片长度为基准的前半个码片所对应的副载波脉冲符号，do为以每个PRN码片长度为基准的后半个码片所对应的副载波脉冲符号，且do&dE∈dj。
步骤4.将奇支路信号Ce(t)与载波剥离后的复信号进行相乘运算，得到信号Se(t)，复信号表示为：I+jQ。
输入信号与本地载波混合，然后乘奇支路信号，表达式如下：
Se(t)＝S(t)[cos[2π(fIF+fD)t]+jsin[2π(fIF+fD)t]]Ce(t)+ne
其中，D(t)是一个常数，不影响整体过程,ne表示噪声项。
步骤5.将信号Se(t)分别超前四分之一个码片和滞后四分之三个码片，得到信号Se1(t)和Se2(t)。
将信号Se(t)超前四分之一个码片，得：
将信号Se(t)滞后四分之三个码片，得：
根据重构相关规则可以实现无模糊度的重构相关函数R，重构相关规则如下：
R＝|Re1-Re2|-|Re1+Re2|
其中,Re1是左移四分之一个码片的新相关函数，Re2是右移四分之三个码片的新相关函数。组合相关规则R如图4所示。
步骤6.对信号Se1(t)和Se2(t)进行相干积分运算，得到和
对信号Se1(t)进行相干积分运算，得：
对信号Se2(t)进行相干积分运算，得：
Re1(Δτ)和Re2(Δτ)分别是左移四分之一和右移四分之三的的新相关函数，Δτ是码延迟，ΔfD是多普勒频率偏置，Ne1和Ne2是遵循高斯分布的白高斯噪音，平均值为0，方差为σ2。
步骤7.经过步骤5中的重构相关规则，得到Se1-e2和Se1+e2，再根据检测统计量公式，得到无模糊的检测统计量T1。
和可以简化为：
其中,Se1是的信号部分，Se2是的信号部分。Se1-e2和Se1+e2可以表示为：
Se1-e2＝[Se1(Δτ,ΔfD)+Ne1]-[Se2(Δτ,ΔfD)+Ne2]
Se1+e2＝[Se1(Δτ,ΔfD)+Ne1]+[Se2(Δτ,ΔfD)+Ne2]
对于传统捕获方案的非相干检测统计量可以表示为：
结合非相干检测统计量和重构相关规则，新方法的检测统计量T1：
步骤9.比较最终的检测统计量T1与判决器设定的检测门限值V的大小，若检测量大于检测门限值，则说明信号被准确捕获。若检测量没有超过检测门限值，则说明信号没有被准确捕获，重复步骤一至六。
在步骤9中，本发明在FPGA实现的过程中，可以将伪码剥离后的傅立叶反变换结果分两路，两路的码片以I路作为基准，然后将I路的结果延时1个码片即可实现I路超前Tc/4个码片，q路滞后3Tc/4个码片。然后将I、Q两路的结果以流水线的结构进行累加，这样可以加快运算，提高相关累加的速度，最后采用冒泡法根据门限确定捕获结果。
基于Matlab平台，设输入信号中频为30MHz，取采样率为40.92MHz，设置码相位偏移为第601个采样点，多普勒为2000Hz，本发明利用所提出的对BOC(1,1)信号捕获的结果如图5所示。
设置与上边同样的参数，本发明与传统ASPeCT、SCPC捕获方法捕获结果对比如图6所示。可以直观的看出对于BOC(1,1)信号，本发明提出的方法明显优于ASPeCT和SCPC方法。
从图7中可以看出，对于BOC(1,1)信号，新方法的检测概率明显优于SCPC和BPSK-LIKE方法的检测概率。组合相关函数可以40dBHz下实现大于0.9的捕获概率，而SCPC和BPSK-LIKE需要达到41dBHz才能获得相同的效果，因此组合相关函数的灵敏度增加1dBHz。
本实施例还提供一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获装置，该捕获装置包括：
变频模块，用于对BOC信号进行下变频处理得到离散时间的中频信号；
混频模块，用于采用正交解调的方法将所述中频信号与本地载波混频，得到同相支路信号和正交支路信号；
分割模块，用于将经副载波调制的本地PRN序列分割为奇支路信号和偶支路信号；
乘法模块，用于将所述奇支路信号与载波剥离后的复信号进行相乘运算，得到第一信号；
移相模块，用于将所述第一信号分别超前四分之一个码片和滞后四分之三个码片，分别得到第二信号和第三信号；
相干模块，用于对所述第二信号和所述第三信号进行相干积分运算，得到第四信号和第五信号；
无模糊检测模块，用于根据重构相关规则，得到第六信号和第七信号，再根据检测统计量公式，得到无模糊的检测统计量；
判断模块，用于判断所述检测统计量是否大于设定的检测门限值，若所述检测统计量大于所述检测门限值，则说明信号被准确捕获。
需要说明的是，由于装置部分的实施例与方法部分的实施例相互对应，因此装置部分的实施例的内容请参见方法部分的实施例的描述，这里暂不赘述。
本发明还提供一种存储介质，存储计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行前述的设计方法。
本发明还提供一种电子终端，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行前述的设计方法。
所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括:能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器((RAM,Random AccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
所述存储器可以是内部存储单元或外部存储设备，例如插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字卡(Secure Digital,SD)，闪存卡(Flash Card)等。进一步地，所述存储器还可以既包括内部存储单元，也包括外部存储设备。所述存储器用于存储所述计算机程序以及其他程序和数据。所述存储器还可以用于暂时地存储己经输出或者将要输出的数据。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端设备和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
对BOC信号进行下变频处理得到离散时间的中频信号；
采用正交解调的方法将所述中频信号与本地载波混频，得到同相支路信号和正交支路信号；
将经副载波调制的本地PRN序列分割为奇支路信号和偶支路信号；
将所述奇支路信号与载波剥离后的复信号进行相乘运算，得到第一信号；
将所述第一信号分别超前四分之一个码片和滞后四分之三个码片，分别得到第二信号和第三信号；
对所述第二信号和所述第三信号进行相干积分运算，得到第四信号和第五信号；
根据重构相关规则，得到第六信号和第七信号，再根据检测统计量公式，得到无模糊的检测统计量；
判断所述检测统计量是否大于设定的检测门限值，若所述检测统计量大于所述检测门限值，则说明信号被准确捕获。
2.根据权利要求1所述的一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法，其特征在于，所述第二信号表示为：
其中，S(t)表示中频信号，fIF表示中频，fD是输入信号的多普勒频率，Ce(t)表示奇支路信号，TC为一个伪随机码片的宽度，ne是噪声项。
3.根据权利要求1所述的一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法，其特征在于，所述第三信号表示为：
其中，S(t)表示中频信号，fIF表示中频，fD是输入信号的多普勒频率，Ce(t)表示奇支路信号，TC为一个伪随机码片的宽度，ne是噪声项。
4.根据权利要求1所述的一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法，其特征在于，所述组合相关规则表示为：
R＝|Re1-Re2|-|Re1+Re2|
其中,Re1是左移四分之一个码片的新相关函数，Re2是右移四分之三个码片的新相关函数。
5.根据权利要求1所述的一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法，其特征在于，所述第四信号表示为：
其中，PS是输入信号的功率，Re1(Δτ)左移四分之一的的相关函数，Δτ是码延迟，Ts表示周期，ΔfD是多普勒频率偏移，Ne1是遵循高斯分布的白高斯噪音。
6.根据权利要求1所述的一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法，其特征在于，所述第五信号表示为：
其中，PS是输入信号的功率，Re2(Δτ)右移四分之三的的相关函数，Δτ是码延迟，Ts表示周期，ΔfD是多普勒频率偏移，Ne2是遵循高斯分布的白高斯噪音。
7.根据权利要求1所述的一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获方法，其特征在于，所述检测统计量表示为：
其中，Se1-e2表示第六信号，Se1+e2表示第七信号。
8.一种BOC(n,n)移位相关无模糊捕获装置，其特征在于，该捕获装置包括：
变频模块，用于对BOC信号进行下变频处理得到离散时间的中频信号；
混频模块，用于采用正交解调的方法将所述中频信号与本地载波混频，得到同相支路信号和正交支路信号；
分割模块，用于将经副载波调制的本地PRN序列分割为奇支路信号和偶支路信号；
乘法模块，用于将所述奇支路信号与载波剥离后的复信号进行相乘运算，得到第一信号；
移相模块，用于将所述第一信号分别超前四分之一个码片和滞后四分之三个码片，分别得到第二信号和第三信号；
相干模块，用于对所述第二信号和所述第三信号进行相干积分运算，得到第四信号和第五信号；
无模糊检测模块，用于根据重构相关规则，得到第六信号和第七信号，再根据检测统计量公式，得到无模糊的检测统计量；
判断模块，用于判断所述检测统计量是否大于设定的检测门限值，若所述检测统计量大于所述检测门限值，则说明信号被准确捕获。
9.一种存储介质，其特征在于，存储计算机程序，所述计算机程序被处理器运行时执行所述的捕获方法。
10.一种电子终端，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述存储器存储的计算机程序，以使所述设备执行所述的捕获方法。
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Assignee: Guangxi Xinyang Shiji Information Technology Co.,Ltd.

Assignor: GUILIN University OF ELECTRONIC TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022450000415

Denomination of invention: A BOC (n, n) shift correlation unambiguous acquisition method and device

Granted publication date: 20210219

License type: Common License

Record date: 20221227

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