CN110441798B - 基于乘法累积积分与选星辅助的北斗rdss微弱信号捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于乘法累积积分与选星辅助的北斗RDSS微弱信号捕获方法。该方法基于北斗RDSS信号数据码跳变频繁的特点，利用将相关器输出信号的信噪比特性，通过乘法累积进行信噪比提升，乘法过程克服了数据码跳变的影响，而且不同时刻的噪声相乘不会引入类似于非相干积分算法的平方损耗问题，进而能够提升北斗RDSS微弱信号的捕获能力。此外，与传统非相干积分算法相比，本发明基于乘法累计的捕获方法，其检测量的获取不需要对每个相干积分结果进行取模或平方运算，因此还具有计算量小等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于乘法累积积分与选星辅助的北斗RDSS微弱信号捕获方法。
背景技术
北斗地球同步轨道卫星搭载有卫星无线电导航业务(Radio NavigationSatellite System,RNSS)与卫星无线电测定业务(Radio Determination SatelliteService,RDSS)载荷，RDSS提供的位置报告与短报文通信服务是北斗系统区别于GPS、伽利略、GLONASS等国外卫星导航系统的两大特色功能，极大的拓展丰富了北斗系统的应用领域及模式场景。
与各卫星导航系统的RNSS信号类似，北斗RDSS信号到达地面的功率也十分微弱。正常环境下，典型北斗RDSS接收机的最小工作电平约为-158dBW，常温下接收机的热噪声功率约为-135dBW，比卫星信号功率高出约23dB。当接收机运动到北斗RDSS波束覆盖区域的边缘或者处于衰减环境中时，则卫星信号会进一步减弱，导致接收机无法捕获卫星进而无法建立通信。目前国内外对于RNSS弱信号的捕获方法已有比较广泛的研究，接收机常采用相干积分、非相干积分、差分相干积分等基于累加积分的方法来提升接收过程中的信噪比。
虽然北斗RDSS信号采用了与RNSS信号一致的扩频调制方式，但其数据码具有频繁跳变的特性，导致传统的相干积分、差分相干积分方法无法使用。非相干积分方法对数据码跳变不敏感，可用于RDSS弱信号的捕获。但非相干积分方法在积分过程中会引入平方损耗，该损耗随着信噪比的降低而增大，限制了非相干积分方法在捕获微弱信号时的性能。
卫星信号捕获是对卫星星号、码相位、载波频率的三维搜索过程，串行算法在三维搜索时将耗费大量时间，影响捕获速度与实时性。基于数字信号处理的快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)与快速傅里叶反变换(Inverse Fast FourierTransform,IFFT)技术为实现单维域的卫星参数并行搜索提供了可行性，为实现卫星信号快速捕获奠定了基础。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于乘法累积积分与选星辅助的北斗RDSS微弱信号捕获方法，以提升北斗RDSS微弱信号的捕获能力。
本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：
基于乘法累积积分与选星辅助的北斗RDSS微弱信号捕获方法，包括如下步骤：
s1.选择一颗能够进行北斗RDSS通信的地球同步轨道卫星作为通信卫星；
s2.接收机复制步骤s1中所选通信卫星1个周期内的本地复制扩频码；
s3.以RDSS信号中心频率为中心，以50Hz频率为步长，本地载波的载频fLO在-10KHz到10KHz的多普勒频移范围内进行步进；
s4.将接收机的接收信号以扩频码周期为单位划分为N个数据块，将每个数据块分别与步骤s3中的本地载波进行混频，得到N个数字中频数据块；
s5.将步骤s2中本地复制扩频码进行FFT运算并取共轭，得到中间运算结果一；
将步骤s4中N个数字中频数据块分别进行FFT运算并取共轭，得到N个中间运算结果二；
将每个中间运算结果二分别与中间运算结果一相乘并进行IFFT运算，得到每个数据块的相干积分结果Cn，其中，n＝1,…N，N为大于1的自然数；
s6.将步骤s5得到的各个相干积分结果Cn进行相乘后取模，得到基于乘法累积的积分方法的RDSS信号捕获检测向量V，其中V的表达式如下：
s7.设定捕获门限值，判断V的最大值与次大值之比与捕获门限值的大小：
若检测向量V的最大值与次大值之比大于捕获门限值，则认定为捕获成功，输出检测向量V的最大值所在位置作为码相位测量值，转到步骤s8；
若检测向量V的最大值与次大值之比小于或等于捕获门限值，则转到步骤s9；
s8.将步骤s6中的检测向量V进行FFT运算，计算检测向量V的峰值位置对应的频率误差fe，结合此时的本地载波的载频fLO得到载波频率，转到步骤s10；
s9.判断频率步进是否结束：
若未结束，返回步骤s3进行本地载波频率步进，并执行步骤s4至步骤s7的检测过程；
若结束，则认定为捕获失败，并转到步骤s10；
s10.北斗RDSS微弱信号捕获结束。
优选地，步骤s1中，通信卫星的选取过程如下：
已知能够进行北斗RDSS通信的多颗地球同步轨道卫星的经纬度信息；以相邻两颗地球同步轨道卫星的经度的中心为界，将经纬度地理位置分隔成多块区域；
获取当前时刻接收机的定位结果，计算接收机当前的经纬度地理位置所处的区域，根据所处的区域确定与接收机最近的一颗地球同步轨道卫星，将该卫星作为通信卫星。
本发明具有如下优点：
如上所述，本发明提供了一种乘法累积积分与选星辅助的北斗RDSS微弱信号捕获方法，该方法通过乘法累积的积分方法实现信噪比提升，并且在乘法累积积分的过程中克服了数据码跳变的影响，与传统非相干积分捕获方法相比，本发明将捕获灵敏度提升了3dB以上，因而明显提升了对北斗RDSS微弱信号的捕获能力。此外，本发明还能够实现快速捕获。
附图说明
图1是本发明实施例中北斗RDSS微弱信号捕获方法的流程示意图。
图2是本发明实施例中北斗RDSS微弱信号捕获方法的技术路线图。
图3是本发明实施例中基于乘法累积的积分方法流程图。
图4是本发明实施例中相关运算后信噪比的数值分布概率随相关前信噪比的变化图。
图5是本发明实施例中基于乘法累积的积分方法与传统方法检测量对比图。
图6是本发明实施例中基于乘法累积的积分方法与传统方法捕获性能对比图。
图7是本发明实施例中弱卫星信号捕获方法框图。
具体实施方式
本发明的基本原理为：
基于北斗RDSS信号数据码跳变频繁的特点，提出一种基于乘法累积的弱信号捕获方法，该方法利用将相关器输出信号的信噪比特性，通过乘法累积进行信噪比提升；
在乘法过程中克服数据码跳变的影响，而且不同时刻的噪声相乘不会引入类似于非相干积分算法的平方损耗问题，进而能够提升北斗RDSS微弱信号的捕获能力。
在介绍本发明具体实施方案之前，先给出弱卫星信号捕获原理，如图7所示。
扩频调制的卫星信号的捕获实际上是对于卫星星号、码相位、载波频率的三维搜索过程，其核心在于构造检测量V来判断某个搜索位置是否对应卫星信号。
当卫星信号极其微弱时，往往无法准确判别卫星信号对应的检测量与噪声对应的检测量，造成卫星信号捕获失败。接收机对弱卫星信号的捕获算法如图7所示：
首先，与强信号的处理方法相同，射频前端输出的数字中频信号分别与本地复制的正弦、余弦载波进行混频，混频结果与本地复制扩频码进行1个扩频码周期的相关运算，得到两个支路的相关结果与：I(n)与Q(n)。
随后，进行弱信号捕获处理的关键步骤，将相关结果I(n)、Q(n)通过某种方法进行信噪比提升，此时得到的检测量V能够更为准确的判决卫星信号与噪声。
北斗RDSS出站信号设计成双信道OQPSK调制方式，采用连续帧结构信息传输，其中，作为正交方式的I、Q两个支路的信号功率可根据实际使用情况作出调整。
出站扩频码采用m序列生成，码长为255，码速率为4.08Mcps，I、Q支路出站数据码速率均为8Kbps。由此可得，RDSS出站信号每个数据符号由两个周期的扩频码调制得到。
由于数据码的频繁跳变，其相干积分时间不能超过两个扩频码周期，且差分相干积分方法也无法应用。由于非相干积分对数据码跳变的不敏感性，RDSS信号可采用非相干积分的方式，但对于微弱信号来说，非相干积分引入的平方损耗限制了信噪比的提升。
实际上，积分前的相关运算过程对信噪比也产生了增益，其理论值可由下式计算得到：
Gcor＝10lg(BTcor)；
其中B＝8.16MHz为RDSS信号带宽，Tcor＝1/16ms为相关运算时间，即1个扩频码周期。
计算得到Gcor＝27.08dB，也就是说，若相关运算前的信噪比高于-27dB，理论上相关运算后信噪比大于0dB，即Cn数值中卫星信号功率部分与噪声功率部分的比值大于1。
根据数学知识，若将大于1的数值相乘，其乘积将大于任意一个因数，因此，将多个信噪比大于1的相关结果进行相乘，即可实现信噪比的提升。
基于以上分析，本发明利用将相关器输出信号的信噪比特性，提出一种基于乘法累积的捕获算法，其检测量构造方法如图3所示。基于乘法累积的捕获算法的检测量V表示为：
将图3与上述公式中所示的检测量V构造方法用于图7，即得到基于乘法累积的北斗RDSS弱信号捕获方法。该方法的核心即在于检测量V的构造，乘法过程不仅能克服数据码跳变的影响，还进一步降低噪声水平、提升信噪比。
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明，如图1和图2所示：
基于乘法累积积分与选星辅助的北斗RDSS微弱信号捕获方法，包括如下步骤：
s1.已知能够进行北斗RDSS通信的五颗地球同步轨道卫星的经纬度信息。
其中，一号卫星的经度为140°E，二号卫星的经度为80°E，三号卫星的经度为110.5°E，四号卫星的经度为160°E，五号卫星的经度为58.75°E。
以相邻两颗地球同步轨道卫星的经度的中心为界，将经纬度地理位置分隔成五块区域。
获取当前时刻接收机的定位结果，计算接收机当前的经纬度地理位置所处的区域。根据所处的区域确定与接收机最近的一颗地球同步轨道卫星，将该卫星作为通信卫星。
该步骤s1首先确定了卫星信号捕获中的卫星星号参数，利于快速实现微弱信号捕获。
s2.接收机复制步骤s1中所选通信卫星1个周期内的本地复制扩频码。其中，扩频码采样频率与接收RDSS信号采样频率相同。
s3.以RDSS信号中心频率为中心，以50Hz频率为步长，本地载波的载频fLO在-10KHz到10KHz的多普勒频移范围内进行步进。
以fLO为载频生成本地载波，采样频率与接收RDSS信号采样频率相同。
s4.将接收机的接收信号以扩频码周期为单位划分为N个数据块，将每个数据块分别与步骤s3中的本地载波进行混频，得到N个数字中频数据块。
s5.将步骤s2中本地复制扩频码进行FFT运算并取共轭，得到中间运算结果一。
将步骤s4中N个数字中频数据块分别进行FFT运算并取共轭，得到N个中间运算结果二。
将每个中间运算结果二分别与中间运算结果一相乘并进行IFFT运算，得到每个数据块的相干积分结果Cn，其中，n＝1,…N，N为大于1的自然数。
相干积分结果Cn的表达式为：Cn＝I(n)+jQ(n)，其中：
I(n)＝aD(n)R(τ)sinc(fe)cosφe+nI(n)＝Is(n)+nI(n) (1)
Q(n)＝aD(n)R(τ)sinc(fe)sinφe+nQ(n)＝Qs(n)+nQ(n) (2)
上式中：a为幅值，D(n)为取值1或-1的数据码电平值；
R(τ)为最大值为1的扩频码自相关函数；
τ为接收卫星信号扩频码与本地复制扩频码的相位差；
fe为接收卫星信号载波与本地复制载波的频率误差；其中，本地复制载波是指步骤s3中以fLO为载频的正弦波和余弦波，即图7中输入到混频器的信号；
φe为接收卫星信号载波与本地复制载波的相位差；
Is(n)表示I支路卫星信号项，Qs(n)表示Q支路卫星信号项；
nI(n)与nQ(n)为均值为0，噪声为σ2的高斯白噪声。
随后，进行弱信号捕获处理的关键步骤，将相关结果I(n)、Q(n)通过进行信噪比提升，此时得到的检测量V能够更为准确的判决卫星信号和噪声。
s6.如图3所示，将步骤s5得到的各个相干积分结果Cn进行相乘后取模，得到基于乘法累积的积分方法的RDSS信号捕获检测向量V，其中：
检测向量V的表达式如下：
理论上，若相关运算前的信噪比高于-27dB，所提方法均能实现信噪比提升。
然而，由于噪声的随机性，实际测量结果往往与理论值存在偏差，设置软件信号发生器的采样频率为20.4MHz，仿真次数1000次。
图4给出相关运算后的信噪比SNRcor的数值分布概率随相关前信噪比SNR0的变化。
由图4能够看出，若相关计算前卫星信号信噪比高于-27dB，相关后信噪比值有约90％的概率大于1、55％的概率大于2、40％的概率大于3。因此，若乘法运算采用的扩频码周期个数足够长，乘积结果能有接近于100％的概率大于1，即信噪比得到提升。
此外，从数学上分析任意两个相邻相干积分结果的乘积：
将公式(4)中的噪声项进行简写得到如下公式：
由上述公式(5)能够看出，当接收卫星信号载波与本地复制载波的相位差φe很小时：
公式(5)中仅第一项a2D(n)D(n+1)R2(τ)sinc2(fe)cos2φe为卫星信号项，而公式(5)中的第二项ja2D(n)D(n+1)R2(τ)sinc2(fe)sin2φe也转化为噪声。
将各个相干积分结果进行逐次相乘时，卫星信号功率呈指数型增长，而不同时刻的噪声互不相关，其功率提升远小于卫星信号，这是基于乘法累积的积分方法提升信噪比的原因。
此外，所有时刻数据码的相乘结果只会出现1或-1两个取值，因此，在取模后不影响检测量的峰值，因此，本发明方法不受数据码跳变的影响。
s7.将捕获门限值设定为2.5，判断V的最大值与次大值之比与捕获门限值的大小：
若检测向量V的最大值与次大值之比大于捕获门限值，则认定为捕获成功，输出检测向量V的最大值所在位置作为码相位测量值，转到步骤s8。
若检测向量V的最大值与次大值之比小于或等于捕获门限值，则转到步骤s9。
s8.将步骤s6中的检测向量V进行FFT运算，计算检测向量V的峰值位置对应的频率误差fe，结合此时的本地载波的载频fLO得到精确载波频率。
至此，卫星信号捕获所需的卫星星号、码相位、载波频率均得到，转到步骤s10。
s9.判断频率步进是否结束：
若未结束，返回步骤s3进行本地载波频率步进，并执行步骤s4至步骤s7的检测过程；
若结束，则认定为捕获失败，并转到步骤s10。
s10.北斗RDSS微弱信号捕获结束。
下面通过计算机仿真以验证本发明所提的北斗RDSS微弱信号捕获方法的有效性。
由软件信号发生器产生数字中频信号，其采样频率为20.4MHz。
图5为当本地码复制不同相位的扩频码时，基于乘法累积的捕获方法与传统非相干积分算法所得到的检测量的对比，其中N＝10，卫星信号码相位为50。
对于信噪比为-27dB与-24dB的北斗RDSS信号，如图5(a)和图5(b)所示。
通过对比发现，基于乘法累积的捕获算法的噪声水平均远小于传统非相干积分算法。当本地复制码相位与卫星信号码相位相同时，本发明方法形成了更为明显的检测量峰值。
图6为不同积分次数下基于乘法累积的捕获方法与传统非相干积分算法的捕获成功率对比，其中，捕获门限值设定为搜索过程中检测量的最大值与次大值之比大于2.5，每个信噪比处进行500次实验。将捕获成功率首次低于100％时的信噪比定义为捕获灵敏度。
根据实验结果，基于乘法累积的捕获方法相对于传统非相干积分算法在N＝6、N＝10、N＝20、N＝40(分别如图6(a)、(b)、(c)、(d)所示)时均对捕获灵敏度有超过3dB的提升，且随着N的增大，捕获灵敏度逐渐提升。
当N＝40时，接收机对于信噪比高于-27dB的弱RDSS信号捕获成功率达到100％。
综上，本发明提出的基于乘法累积的捕获方法与传统非相干积分捕获算法相比，将捕获灵敏度提升了3dB以上，利于提升北斗RDSS微弱信号的捕获能力。
此外，与传统非相干积分算法相比，本发明中RDSS信号捕获检测向量V的获取不需要对每个相干积分结果进行取模或平方运算，计算量小。此外，本发明针对所提积分方案设计了基于并行搜索的快速捕获方案，方案搜索次数少，实时性好。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (2)
1.基于乘法累积积分与选星辅助的北斗RDSS微弱信号捕获方法，其特征在于，
包括如下步骤：
s1.选择一颗能够进行北斗RDSS通信的地球同步轨道卫星作为通信卫星；
s2.接收机复制步骤s1中所选通信卫星1个周期内的本地复制扩频码；
s3.以RDSS信号中心频率为中心，以50Hz频率为步长，本地载波的载频fLO在-10KHz到10KHz的多普勒频移范围内进行步进；
s4.将接收机的接收信号以扩频码周期为单位划分为N个数据块，将每个数据块分别与步骤s3中的本地载波进行混频，得到N个数字中频数据块；
s5.将步骤s2中本地复制扩频码进行FFT运算并取共轭，得到中间运算结果一；
将步骤s4中N个数字中频数据块分别进行FFT运算并取共轭，得到N个中间运算结果二；
将每个中间运算结果二分别与所述中间运算结果一相乘并进行IFFT运算，得到每个数据块的相干积分结果Cn，其中，n＝1,…N，N为大于1的自然数；
s6.将步骤s5得到的各个相干积分结果Cn进行相乘后取模，得到基于乘法累积的积分方法的RDSS信号捕获检测向量V，其中V的表达式如下：
s7.设定捕获门限值，判断V的最大值与次大值之比与捕获门限值的大小：
若检测向量V的最大值与次大值之比大于捕获门限值，则认定为捕获成功，输出检测向量V的最大值所在位置作为码相位测量值，转到步骤s8；
若检测向量V的最大值与次大值之比小于或等于捕获门限值，则转到步骤s9；
s8.将步骤s6中的检测向量V进行FFT运算，计算检测向量V的峰值位置对应的频率误差fe，结合此时本地载波的载频fLO得到载波频率，转到步骤s10；
s9.判断频率步进是否结束：
若未结束，返回步骤s3进行本地载波频率步进，并执行步骤s4至步骤s7的检测过程；
若结束，则认定为捕获失败，并转到步骤s10；
s10.北斗RDSS微弱信号捕获结束。
2.根据权利要求1所述的北斗RDSS微弱信号捕获方法，其特征在于，
所述步骤s1中，通信卫星的选取过程如下：
已知能够进行北斗RDSS通信的多颗地球同步轨道卫星的经纬度信息；以相邻两颗地球同步轨道卫星的经度的中心为界，将经纬度地理位置分隔成多块区域；
获取当前时刻接收机的定位结果，计算接收机当前的经纬度地理位置所处的区域，根据所处的区域确定与接收机最近的一颗地球同步轨道卫星，将该卫星作为通信卫星。
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