CN112817016A - 基于变长数据累加的北斗b1i信号捕获方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于变长数据累加的北斗B1I信号捕获方法方法。包括步骤：采用时延相乘法剥离载波和数据码，解决符号位跳变带来的相关峰抵消的问题；在长时间相干积分的过程中，通过控制累加的数据块长度，完成对测距码多普勒频移的搜索；将累加得到的信号采用FFT并行捕获算法，实现对测距码相位的检测；根据搜索得到的测距码频偏，确定载波频偏范围，采用线性调频Z变换实现对载波频偏的估计。本发明在长时间的相干积分中，通过将测距码周期性的叠加，降低数据长度，从而实现了运算量的降低；本发明通过采用控制累加的数据块长度，对测距码频偏进行搜索的方法，相对于传统的相干积分法、非相干积分法和差分相干积分法，明显提高了捕获概率，具有很高的实用性。

Description

基于变长数据累加的北斗B1I信号捕获方法
技术领域
本发明涉及一种基于变长数据累加的北斗B1I信号捕获方法。
背景技术
在北斗卫星信号的接收过程中，第一步就是完成信号的捕获。我们需要通过捕获得到大致的载波频率 偏移和测距码相位，为后续的信号跟踪提供初始参数。为了捕获微弱的卫星信号，需要通过长时间的相干 积分来获得足够的增益。然而，在延长相干积分的过程中，可能引入符号位的跳变，导致相关峰被抵消。 信号的数据码率越高，相干积分的过程中越容易引入符号位的跳变。对于GPS L1信号，其数据码率为 50bps。对于北斗B1I信号，D1导航电文的数据码率为50bps，二次调制Neumann-Hoffman(NH)码后， 数据码率变为1kbps；D2导航电文的数据码率为500bps。北斗B1I信号的数据码率远高于GPS L1信号， 在进行长相干积分时，容易受到符号位跳变的影响，导致捕获失败。
为了克服符号位跳变的影响，常用的办法包括非相干积分和差分相干积分。非相干积分将相干积分的 结果经过平方处理后相加，平方处理能够消除符号位跳变的影响，但对于前期相干积分过程中的符号位跳 变无法消除，同时引入了平方损失，降低了捕获性能。差分相干将相邻时刻I路与Q路积分相乘后累加， 避免了平方损耗的出现，但要求前后两个数据块的符号相同，北斗信号调制NH码后无法满足这一点，导 致其不能适用于北斗的弱信号捕获。
为了提高捕获效率，提出了一种二次捕获的方法，该方法除了对测距码相位进行搜索外，还对NH码 的相位进行搜索，但是运算复杂度高，能够实现对D1导航电文的捕获，但不适用于D2导航电文。补零 算法可将本地测距码补零后，再与接收的信号相关，该方法通过增加一定的运算量，克服了相干积分过程 中符号位跳变的影响，但对于积分时间长度提升有限，对于弱信号捕获性能不佳。时延相乘法剥离了载波 和数据码，克服了符号位的跳变，但仅适用于强信号的捕获。
由此可见，对于北斗信号的捕获，相关的研究方法在解决符号位跳变的问题和捕获性能上仍存在缺陷。
发明内容
本发明提出一种基于变长数据累加的北斗B1I信号捕获方法，克服了符号位的跳变影响，通过延长相 干积分时间长度，提高相干增益，实现了对弱信号的捕获。
实现本发明的技术方案如下：
(1)采用时延相乘法剥离载波和数据码，解决符号位跳变带来的相关峰抵消的问题；
(2)在长时间相干积分的过程中，通过控制累加的数据块长度，完成对测距码多普勒频移的搜索；
(3)将累加得到的信号采用FFT并行捕获算法，实现对测距码相位的检测；
(4)根据搜索得到的测距码频偏，确定载波频偏范围，采用线性调频Z变换实现对载波频偏的估计。
进一步地，本发明所述的步骤(1)中的时延相乘法，剥离了载波和数据码，仅留下新的测距码，这 种新的测距码仍具有良好的相关特性，可用于信号捕获。
进一步地，本发明所述的步骤(2)中的多普勒频移，是由于接收端卫星与接收机间的相对速度，导 致的其周期发生变化。在进行长时间相干积分时，测距码的多普勒频移是不容忽略的。载波和测距码的多 普勒频移有如下关系：
Figure BSA0000194833870000021
本发明提出的捕获方法与已有的技术相比，有以下优点：
(1)本发明在长时间的相干积分中，通过将测距码周期性的叠加，降低数据长度，从而实现了运算量的 降低。
(2)相对于传统的相干积分法、非相干积分法和差分相干积分法，本发明通过采用控制累加的数据块长 度，对测距码频偏进行搜索的方法，明显提高了捕获概率，具有很高的实用性。
附图说明
图1为本发明基于变长数据累加的北斗B1I信号捕获方法的流程框图；
图2为时延相乘法中数据跳变的影响。
具体实施方式
结合附图及实施例，对本发明所述的方法作详细阐述。
(1)采用时延相乘法剥离载波和数据码，解决符号位跳变带来的相关峰抵消的问题。
对于北斗B1I信号，从射频前端传来的中频信号S(t)可以表示为：
S(t)＝D(t)C(t)sin(2πft)+W(t) (1)
其中D(t)为导航电文数据比特，D(t)＝±1，对于D1导航电文，D(t)还包含NH码；C(t)为测距码，是一 种周期To＝1ms的Gold码；f为载波频率，由于多普勒频移、本地时钟漂移的影响，f＝fIF±5KHz，fIF为 理论中频值。W(t)为高斯白噪声，服从N(0，σ2)分布。上式中对载波幅度进行了归一化处理，相应地噪声 功率变为
Figure RE-GSB0000187753320000022
其中，A为实际接收到的载波信号幅度；Bw为射频前端带宽；N0/2为噪声双边带功率谱密度。射频端信号 的信噪比为
Figure RE-GSB0000187753320000023
将中频信号S(t)做时延τ后与自身相乘，得到新信号Sτ(t)可以表示为
Sτ(t)＝D0(t)C0(t)Fo(t)+W0(t) (4)
其中，
D0(t)＝D(t)D(t-τ) (5)
C0(t)＝C(t)C(t-τ) (6)
Figure RE-GSB0000187753320000031
W0(t)＝W(t)W(t-τ) (8)
对于公式(5)，当τ＜＜T0时，如图1所示，Dn(t)可视为定值1。对于公式(6)，Gold码和其自身时延相 乘仍为Gold码，具有良好的相关性能，可用于信号的捕获。对于公式(7)，高频项可通过滤波器滤除，由 于f、τ均为定值，低频项也为定值，可通过选择合适的τ值取得最大值。对于公式(8)，由于接收的卫星信 号中噪声功率远大于信号功率，噪声与噪声相乘远大于噪声与信号相乘，所以忽略了噪声与信号的交叉项。 对式(5)(6)(7)(8)进行化简，公式(4)可以写为
Figure RE-GSB0000187753320000032
(2)在长时间相干积分的过程中，通过控制累加的数据块长度，完成对测距码多普勒频移的搜索。
在发射端，测距码C(t)的周期T0＝1ms。在接收端，由于卫星与接收机间的相对速度，测距码存多普勒 频移，导致其周期发生变化。在进行长时间相干积分时，测距码的多普勒频移是不容忽略的。载波和测距 码的多普勒频移有如下关系：
Figure RE-GSB0000187753320000033
上式中，载波频率fc＝1561.098MHz，测距码速率fB＝2.046MHz，载波的最大多普勒频移ΔfC＝ 5KHz，则测距码的最大多普勒频移为ΔfB≈6.5Hz。由于测距码多普勒频移ΔfB的存在，导致测距码长度 发生变化。设采样率为fS，当测距码频移为ΔfB时，每N个周期的测距码，其长度增加/减少1个采样点， 则N与ΔfB有如下关系：
Figure RE-GSB0000187753320000034
其中L为ΔfB＝0时一个周期测距码的长度，L＝T0fS。每N个周期测距码进行叠加后，采用补零、截尾等方 式对测距码长度进行补偿。
根据频移ΔfB，选择长度为N个周期测距码的数据块，取连续的M个数据块进行叠加，得到SN(t)。当 ΔfB＞0时，SN(t)的长度为NL-1；ΔfB＜0时，SN(t)的长度为NL+1。继续叠加得到长度为L的信号S0(t)。 SN(t)的长度为NL±1个采样点，通过截短/补零操作后，变成长度为NL的序列。将新的序列每L个采样 点进行叠加，得到长度为L的序列S0(t)。
(3)将累加得到的信号采用FFT并行捕获算法，实现对测距码相位的检测。
将本地产生的测距码时延τ后与自身相乘，经过FFT变换到频域后取共轭，与S0(t)的频域相乘，将相 乘后的结果做IFFT变换后取模，求解峰值。若峰值大于门限值，则捕获成功，峰值对应的码相位和ΔfB即 为捕获结果；反之，则改变ΔfB，继续捕获。
(4)根据搜索得到的测距码频偏，确定载波频偏范围，采用线性调频Z变换实现对载波频偏的估计。
根据步骤(3)确定的测距码相位，将采集的卫星中频信号S(t)剥离测距码。根据测距码多普勒频移与 载波多普勒频移的关系，确定载波频率范围。对于剥离测距码后的信号，采用线性调频Z变换实现对载波 频率的精确估计。
以上只是对本发明作进一步的说明，并非用以限制本专利的实施应用，凡为本发明等效实施，均应包 含于本专利的权利要求范围之内。

Claims (4)

1.一种基于变长数据累加的北斗B1I信号捕获方法，其特征在于，克服了符号位的跳变影响，通过延长相干积分时间长度，提高了相干增益，实现了对弱信号的捕获。包括以下步骤：
1)采用时延相乘法剥离载波和数据码，解决符号位跳变带来的相关峰抵消的问题；
2)在长时间相干积分的过程中，通过控制累加的数据块长度，完成对测距码多普勒频移的搜索；
3)将累加得到的信号采用FFT并行捕获算法，实现对测距码相位的检测；
4)根据搜索得到的测距码频偏，确定载波频偏范围，采用线性调频Z变换实现对载波频偏的估计。
2.如权利要求1所述的基于变长数据累加的北斗B1I信号捕获方法，其特征在于，所述的时延相乘法剥离了载波和数据码，仅留下了新的测距码，这种新的测距码仍具有良好的相关特性，可用于信号捕获。
3.如权利要求1所述的基于变长数据累加的北斗B1I信号捕获方法，其特征在于，所述的长时间相干积分，通过将测距码周期性的叠加，降低数据长度，从而实现了运算量的降低。
4.如权利要求1所述的基于变长数据累加的北斗B1I信号捕获方法，其特征在于，所述的测距码频偏的搜索，是通过采用控制累加的数据块长度来实现的，相比于传统的相干积分法、非相干积分法和差分相干积分法，明显提高了捕获概率，具有很高的实用性。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN103645483A (zh) * 2013-12-09 2014-03-19 西安电子科技大学昆山创新研究院 一种弱信号环境下北斗信号捕获方法
WO2018107441A1 (zh) * 2016-12-15 2018-06-21 深圳开阳电子股份有限公司 用于卫星导航系统的信号捕获方法及接收机

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Title
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