CN112987041B - 一种弱信号下的位同步方法、装置及计算机存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种弱信号下的位同步方法，包括：对N毫秒长度的卫星数据进行载波下变频，剥离扩频码后，以1000Hz重采样频率进行重采样，得到N个积分数据；对N个积分数据进行L次取样，得到L组的数据；每组数据包含M个比特；其中，L取值10或20，LM+L≤N；对每一组数据进行2M‑1次比特符号值搜索，遍历M个比特分布的所有情况得到L×2M‑1组数据；对遍历后的每一组数据进行FFT，并取模；对所有模值结果求最大值，最大值所在数据组对应的比特相位即为所求的比特相位。该方法通过对所有比特相位进行遍历搜索，对多个比特的比特值符号可能存在的情况进行搜索，利用FFT实现长时间的相干积分，可以提高比特同步的灵敏度，实现弱信号下的比特同步并改善捕获多普勒误差。

Description

一种弱信号下的位同步方法、装置及计算机存储介质
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种弱信号下GNSS接收机比特位同步方法及装置。
背景技术
GPS L1、GLONASS L1和北斗B1I等GNSS卫星信号码周期为1毫秒，多个毫秒调制一个导航比特数据位，导航接收机跟踪过程中，若进行长积分则需要考虑比特之间的数据翻转，同时，为了获得卫星星历，必须以多毫秒(通常为1个比特长度)为单位进行相干积分和提取导航比特，因此接收机处理过程必须包含位同步处理。常用位同步技术包括直方图方法以及相干积分极大值搜索方法等。直方图方法主要是提取相邻2个毫秒之间的符号翻转，在一定的时间内统计各个位置的翻转次数，并基于概率统计进行同步成功与否的判决，这种方法基于1毫秒的积分值进行计算，在信噪比下降时，性能明显下降；相干积分极大值搜索方法则假定连续20个位置作为可能的位边界，在同步位置开始进行20毫秒的相干积分，选取20个处理结果中的最大值处判定为比特同步位置，由于积分时间有限，在卫星信号信噪比下降时，同步性能随着卫星信号信噪比下降而下降。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种弱信号下的位同步方法、装置及计算机存储介质用于解决现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种弱信号下的位同步方法，包括：
对N毫秒长度的卫星数据进行载波下变频，剥离扩频码后，以1000Hz重采样频率进行重采样，得到N个积分数据；
对N个积分数据进行L次取样，得到L组的数据；每组数据包含M个比特；其中，L取值10或20，LM+L≤N；
对每一组数据进行2M-1次比特符号值搜索，遍历M个比特分布的所有情况得到L×2M-1组数据；
对遍历后的每一组数据进行FFT，并取模；
对所有模值结果求最大值，最大值所在数据组对应的比特相位即为所求的比特相位。
进一步地，捕获卫星信号为GPS/L1信号或北斗B1I信号时，L取值20；捕获卫星信号为GLONASS L1信号时，L取值10。
进一步地，进行载波下变频时，本地复信号载波频率为信号中频fi与捕获多普勒值fd之和。
进一步地，进行扩频码剥离时，本地扩频码速率应为fc+fd/r，其中，fc为卫星扩频码标准码速率，fd为捕获多普勒值，r为卫星信号载波射频频率和卫星扩频码标准码速率fc的比值。
进一步地，对N个积分数据按时间先后顺序排序序号设为：1，2，…，N；第一组取样数据取积分数据的序号为1，2，…，LM，第二组取样数据取积分数据的序号为2，3，…，LM+1，以此类推；第k次遍历搜索得到比特相位为k的第k组数据，其取样数据序号为：k，k+1，…，k+LM-1。
进一步地，FFT的点数NFFT，满足NFFT≥LM且为2的整数次幂，其频率分辨率为fdis＝1000/NFFT。
进一步地，还包括：对最大值所在数据组的频谱进行分析，得到该数据的频率误差值Δf，将信号捕获多普勒值修改为Δf+fd，其中，fd为原来的捕获多普勒值。
本发明实施例还提供了一种弱信号下的位同步装置，包括：重采样模块、比特相位遍历模块、比特值遍历模块、FFT模块、最大值搜索模块；
所述重采样模块用于对N毫秒长度的卫星数据进行载波下变频，剥离扩频码后，以1000Hz重采样频率进行重采样，得到N个积分数据；
所述比特相位遍历模块用于对N个积分数据进行L次取样，得到L组的数据；每组数据包含M个比特；其中，L取值10或20，LM+L≤N；
所述比特值遍历模块用于对每一组数据进行2M-1次比特符号值搜索，遍历M个比特分布的所有情况得到L×2M-1组数据；
所述FFT模块用于对遍历后的每一组数据进行FFT，并取模；
所述最大值搜索模块用于对所有模值结果求最大值，最大值所在数据组对应的比特相位即为所求的比特相位。
本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现以上弱信号下的位同步方法的步骤。
本发明提供的技术方案，通过对所有比特相位进行遍历搜索，对多个比特的比特值符号可能存在的情况进行搜索，利用FFT实现长时间的相干积分，可以提高比特同步的灵敏度，实现弱信号下的比特同步，并改善了捕获多普勒误差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种弱信号下的位同步方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种弱信号下的位同步装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1所示为本发明实施例提供的一种弱信号下的位同步方法的流程示意图。包括以下步骤：
S101、对N毫秒长度的卫星数据进行载波下变频，剥离扩频码后，以1000Hz重采样频率进行重采样，得到N个积分数据。
根据捕获结果，对卫星数据进行载波下变频和扩频码剥离，并对卫星数据进行重采样。
对信号进行载波下变频时，本地复信号载波频率为信号中频fi与捕获多普勒值fd之和。
在进行扩频码剥离时，本地扩频码速率应为fc+fd/r，其中，fc为卫星扩频码标准码速率，fd为捕获多普勒值，r为卫星信号载波射频频率和卫星扩频码标准码速率fc的比值。
对于GPS L1信号，其卫星信号载波射频频率为1575.42MHz，卫星扩频码标准码速率fc为1.023MHz，所以此时r＝1540。同理可得，对于北斗B1I信号，r＝763；而对于GLONASSL1来说，因为其采用频分多址方式，对于不同的卫星具有不同的射频，r的计算可参照上述方法，不再一一例举。
卫星信号重采样频率为1000Hz，载波下变频和剥离扩频码后，将每一个毫秒内的所有数据进行相干累加积分，输出一个累加值；对N毫秒长度的卫星数据，则总计输出N个积分数据。
由于卫星信号是实信号，下变频过程会产生高频和低频2个频率分量，1毫秒累加实现了低通滤波作用，故不用考虑高频频率成分，1毫秒累加结果为(考虑信号幅度归一化，且假定扩频码相位对准)：其中Δf为捕获多普勒频率误差，Tcoh为累加时长(0.001秒)，t1为对卫星信号累加时的起始时间，θ为卫星信号与本地信号载波相位差。
S102、对N个积分数据进行L次取样，得到L组的数据；每组数据包含M个比特；其中，L取值10或20，LM+L≤N。
捕获卫星信号为GPS/L1信号或北斗B1I信号时，L取值20；捕获卫星信号为GLONASSL1信号时，L取值10。
对于GPS/L1和北斗B1I信号1个比特维持的时间为20毫秒，即20个扩频码周期，比特同步需要搜索20个比特相位；需要进行20次取样，得到20组的数据。对于GLONASS L1信号1个比特维持的时间为10毫秒，即10个扩频码周期，比特同步需要搜索10个比特相位；需要进行10次取样，得到10组的数据。
对N个积分数据按时间先后顺序排序序号设为：1，2，…，N；第一组取样数据取积分数据的序号为1，2，…，LM，第二组取样数据取积分数据的序号为2，3，…，LM+1，以此类推。
S103、对每一组数据进行2M-1次比特符号值搜索，遍历M个比特分布的所有情况得到L×2M-1组数据。
一组数据包含M个比特，比特符号分布情况搜索只需要考虑各个比特相对于第一个比特的符号的一致性，可假定第一个比特符号为+1(或者-1)，而对其它的比特符号可能存在的情况进行遍历，故可能存在的比特分布情况为2M-1。
在进行FFT之前，需要对每一组数据的每一种可能存在的比特情况进行积分值符号校正，即若假定当前某个比特符号为-1时，对应于该比特的L个积分数据分别需要将其乘以-1，否则数据不变；而对于北斗B1I信号，由于其在一个比特上进行了NH码调制，在进行比特符号校正后，需要进行NH码解调；L组数据进行比特符号可能的分布情况进行遍历后，变成了L×2M-1组数据，这些数据包括了对L个比特相位的遍历和M-1个比特符号的遍历。
S104、对遍历后的每一组数据进行FFT，并取模。
FFT的点数NFFT，满足NFFT≥LM且为2的整数次幂，其频率分辨率为fdis＝1000/NFFT，频率值估算误差fe小于等于fdis/2，显然通过增加NFFT的值，可减小fe。
S105、对所有模值结果求最大值，最大值所在数据组对应的比特相位即为所求的比特相位。
还包括：对最大值所在数据组的频谱进行分析，得到该数据的频率误差值Δf，将信号捕获多普勒值修改为Δf+fd，其中，fd为原来的捕获多普勒值，其误差为fe。可改善捕获多普勒误差，达到精确捕获的目的。
从整个搜索过程来看，完成了对导航比特符号和比特位的搜索；由于FFT是在多个频率值上的相干积分结果，因此通过对FFT后的频谱估计实际上完成了更进一步的残余多普勒频率搜索。本发明通过对导航比特符号，比特同步位置以及残余多普勒三维搜索，实现了多比特相干积分，相比于单毫秒和单比特相干积分，可实现弱信号下位同步，同时通过对多普勒的精细搜索，减小本地载波和卫星信号载波之间的频率误差，可更好地转入跟踪处理。
如图2所示，本发明实施例提供了一种弱信号下的位同步装置，包括：重采样模块101、比特相位遍历模块102、比特值遍历模块103、FFT模块104、最大值搜索模块105。
重采样模块101用于对N毫秒长度的卫星数据进行载波下变频，剥离扩频码后，以1000Hz重采样频率进行重采样，得到N个积分数据。
对信号进行载波下变频时，本地复信号载波频率为信号中频fi与捕获多普勒值fd之和。
在进行扩频码剥离时，本地扩频码速率应为fc+fd/r，其中，fc为卫星扩频码标准码速率，fd为捕获多普勒值，r为卫星信号载波射频频率和扩频码标准码速率的比值。
将剥离扩频码后数据以毫秒为单位进行相干累加积分，输出N个重采样积分数据。
比特相位遍历模块102用于对N个积分数据进行L次取样，得到L组的数据；每组数据包含M个比特；其中，L取值10或20，LM+L≤N。
第k次遍历搜索得到比特相位为k的第k组数据，其取样数据序号为：k，k+1，…，k+LM-1。
比特值遍历模块103用于对每一组数据进行2M-1次比特符号值搜索，遍历M个比特分布的所有情况得到L×2M-1组数据。
假定第一个比特取值为1，第m(m＝0，1，…2M-1-1)次遍历时将m转换为M-1位的二进制数，每一位二进制数分别对应2～M比特数据的符号(可设为二进制0代表比特符号-1，二进制1代表比特符号1)，并依据该二进制数对比特符号为-1的比特数据进行符号翻转，保证M个比特的符号一致。
对于北斗B1I信号，对第k组20M个数据以比特(20个数据)为单位进行NH码符号校正，一个比特对应一组NH码，当NH码符号为0时，将对应数据进行符号取反。
FFT模块104用于对遍历后的每一组数据进行FFT，并取模。
FFT的点数满足：NFFT≥LM且为2的整数次幂。
最大值搜索模块105用于对所有模值结果求最大值，最大值所在数据组对应的比特相位即为所求的比特相位。
搜索模值的最大值，得到最大值所对应的比特相位搜索值k和比特符号遍历值m以及最大值谱线位置n。并由k确定比特相位，由n估算Δf。Δf＝(n-1)*1000/NFFT。
需要说明的是：上述实施例提供的弱信号的位同步装置在进行位同步时，仅以上述各程序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处理分配由不同的程序模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的程序模块，以完成以上描述的全部或者部分处理。另外，上述实施例提供的弱信号的位同步装置与位同步方法实施例属于同一构思，其具体实现过程详见方法实施例。
通过对比特相位遍历可实现位同步；同时通过对M个比特符号遍历和FFT运算可以实现在位同步时进行M比特的相干累加，提高位同步时的信噪比和灵敏度，增加弱信号时位同步能力；通过FFT谱估计，可实现对捕获多普勒进一步精确搜索，减小捕获多普勒误差。通过以上处理，本发明能有效实现弱信号下的位同步功能，并改善捕获多普勒频率误差，可更好地转入对卫星信号的跟踪。
本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，是计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，上述计算机程序可由弱信号的位同步装置的处理器执行，以完成前述弱信号的位同步方法的步骤。计算机可读存储介质可以是磁性随机存取存储器(FRAM，ferromagnetic random access memory)、只读存储器(ROM，Read Only Memory)、可编程只读存储器(PROM，Programmable Read-Only Memory)、可擦除可编程只读存储器(EPROM，Erasable Programmable Read-Only Memory)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM，Electrically Erasa ble Prog ramma ble Read-Only Memory)、快闪存储器(FlashMemory)、磁表面存储器、光盘、或只读光盘(CD-ROM，Compact Disc Read-Only Memory)等存储器。
在本发明所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的方法和智能设备，可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，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，如：多个单元或组件可以结合，或可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口，设备或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性的、机械的或其它形式的。
上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，也可以分布到多个网络单元上；可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种弱信号下的位同步方法，其特征在于，包括：
对N毫秒长度的卫星数据进行载波下变频，剥离扩频码后，以1000Hz重采样频率进行重采样，得到N个积分数据；
对N个积分数据进行L次取样，得到L组的数据；每组数据包含M个比特；其中，L取值10或20，LM+L≤N；对N个积分数据按时间先后顺序排序序号设为：1,2,…,N；第一组取样数据取积分数据的序号为1,2,…,LM，第二组取样数据取积分数据的序号为2,3,…,LM+1，以此类推；第k次遍历搜索得到比特相位为k的第k组数据，其取样数据序号为：k,k+1,…,k+LM-1；
对每一组数据进行2M-1次比特符号值搜索，遍历M个比特分布的所有情况得到L×2M-1组数据；
对遍历后的每一组数据进行FFT，并取模；
对所有模值结果求最大值，最大值所在数据组对应的比特相位即为所求的比特相位。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，捕获卫星信号为GPS/L1信号或北斗B1I信号时，L取值20；捕获卫星信号为GLONASS L1信号时，L取值10。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行载波下变频时，本地复信号载波频率为信号中频fi与捕获多普勒值fd之和。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进行扩频码剥离时，本地扩频码速率应为fc+fd/r，其中，fc为卫星扩频码标准码速率，fd为捕获多普勒值，r为卫星信号载波射频频率和卫星扩频码标准码速率fc的比值。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，FFT的点数NFFT，满足NFFT≥LM且为2的整数次幂，其频率分辨率为fdis＝1000/NFFT。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：对最大值所在数据组的频谱进行分析，得到该数据的频率误差值Δf，将信号捕获多普勒值修改为Δf+fd，其中，fd为原来的捕获多普勒值。
7.一种弱信号下的位同步装置，其特征在于，包括：重采样模块、比特相位遍历模块、比特值遍历模块、FFT模块、最大值搜索模块；
所述重采样模块用于对N毫秒长度的卫星数据进行载波下变频，剥离扩频码后，以1000Hz重采样频率进行重采样，得到N个积分数据；
所述比特相位遍历模块用于对N个积分数据进行L次取样，得到L组的数据；每组数据包含M个比特；其中，L取值10或20，LM+L≤N；对N个积分数据按时间先后顺序排序序号设为：1,2,…,N；第一组取样数据取积分数据的序号为1,2,…,LM，第二组取样数据取积分数据的序号为2,3,…,LM+1，以此类推；第k次遍历搜索得到比特相位为k的第k组数据，其取样数据序号为：k,k+1,…,k+LM-1；
所述比特值遍历模块用于对每一组数据进行2M-1次比特符号值搜索，遍历M个比特分布的所有情况得到L×2M-1组数据；
所述FFT模块用于对遍历后的每一组数据进行FFT，并取模；
所述最大值搜索模块用于对所有模值结果求最大值，最大值所在数据组对应的比特相位即为所求的比特相位。
8.一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至6任一项所述方法的步骤。
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