CN113189626B - 一种载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法，方法包括获取北斗导航接收机输出北斗导航信号的每毫秒的相关积分结果；计算每相邻两个相关积分结果的点积和,并对点积和的结果取符号运算得到北斗导航信号中每相邻两个相关积分结果的差分序列；根据北斗导航信号的格式，获取每个电文符号内每毫秒调制的序列C，将每个电文符号内每毫秒调制的序列C对应的差分结果dC作为同步模板；根据同步模板和连续N个电文符号宽度内的差分序列计算同步判决量的最大值；根据同步判决量的最大值，完成北斗导航信号的位同步。相较于目前的基于电文符号跳变的方法，本发明实现位同步所需时间更短，实现信号同步门限更低，而且同步成功率更高。

Description

一种载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法
技术领域
本发明涉及卫星导航接收机设备技术领域，特别涉及一种载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法。
背景技术
随着卫星导航接收机在炮弹等载体中的应用，接收机需要考虑载体高速旋转引起的导航信号多普勒变化，传统的导航信号载波相位锁定环路无法实现对高速旋转下的导航信号进行跟踪，因此需要采用频率锁定环路。频率锁定环路只能实现对卫星导航信号载波频率的锁定，无法对信号上调制的电文实现相干解调，因此直接利用信号锁相环中同相支路的相关值实现信号位同步的方法无法适用于频率锁定环路。
当存在跟踪频差的情况下，目前可以用的位同步算法有：差分位同步算法、点积和位同步算法和相干积分功率和位同步算法，其中差分位同步算法对于含有NH码的北斗导航信号，需要改进为长时间差分位同步算法。上述算法均只对电文符号跳变边沿进行检测，并不对一个电文符号内的信号能量进行积累，因此检测性能仅仅取决于发生电文跳变的次数。当电文跳变次数足够多时，算法具有较好的性能，对于bit宽度为20ms的导航信号，当电文发生跳变的概率较小时，位同步所需的时间将会较长。而对于弹载等导航接收机而言，由于载体本身运动时间较短，因此需要导航接收机在较短时间内实现位同步运算。
发明内容
本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题。为此，本发明提出一种载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法，能够提高同步成功率，减少实现位同步运算的时间。
本发明的第一方面，提供了一种载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法，包括以下步骤：
S100、获取北斗导航接收机输出北斗导航信号的每毫秒的相关积分结果；
S200、计算每相邻两个所述相关积分结果的点积和，并对所述点积和的结果取符号运算，得到北斗导航信号中每相邻两个所述相关积分结果的差分序列；
S300、根据所述北斗导航信号的格式，获取每个电文符号内每毫秒调制的序列C，将所述每个电文符号内每毫秒调制的序列C的差分结果dC作为同步模板；
S400、根据同步模板和连续N个电文符号宽度内的差分序列计算同步判决量的最大值；
S500、根据所述同步判决量的最大值，完成所述北斗导航信号的位同步。
根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：
相较于基于电文符号跳变的方法，本方法实现位同步所需时间更短，实现信号同步门限更低，而且同步成功率更高。根据实验结果，在载噪比38dBHz的条件下(导航信号的典型接收载噪比)，仅需要20ms的信号，就可以实现99％以上的同步成功率，而采用基于电文符号跳变的方法，至少需要40ms以上的信号才可以完成信号的同步。
根据本发明的一些实施例，所述N的取值范围为5至10。
本发明的第二方面，提供了一种北斗卫星导航信号的接收终端设备，所述北斗卫星导航信号接收终端设备应用有本发明第一方面所述的载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法。
根据本发明的实施例，至少具有如下技术效果：
本接收终端设备应用有本发明第一方面所述的载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法，实现位同步所需时间较短，实现信号同步门限较低，而且同步成功率更高。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为本发明实施例提供的一种载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法的流程示意图；
图2为当N＝5，电文符号的宽度X＝20时，位同步判决量ε(i)与判决结果imax的仿真结果示意图；
图3为当载噪比38dHz时，不同信号时长下的同步成功率蒙特卡洛仿真结果示意图；
图4为当N＝10时，不同信号强度下的同步成功率蒙特卡洛仿真结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
第一实施例；
参照图1，本方面的一个实施例，提供了一种载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法，本方法以电文符号宽度为X毫秒的北斗导航信号为例，方法包括以下步骤：
S100、获取北斗导航接收机输出北斗导航信号的每毫秒的相关积分结果。
北斗导航接收机在接收北斗导航信号之后，输出的相关积分结果s(n)可以表示为：
s(n)＝I(n)+j·Q(n)+wI(n)+j·wQ(n) (1)
其中，I(n)为第n毫秒的同相支路相关值，Q(n)为第n毫秒的正交支路相关值，相关积分时间为1毫秒，wI(n)为第n毫秒的同相支路相关值的噪声分量，wQ(n)为第n毫秒的正交支路相关值的噪声分量，
Figure BDA0002963786270000041
s(n)为第n毫秒的相关积分结果。
S200、计算每相邻两个相关积分结果的点积和，并对点积和的结果取符号运算，得到北斗导航信号中每相邻两个相关积分结果的差分序列。
差分序列的计算公式如下：
p(n)＝sign(real(s(n)·s(n-1)))≈sign(I(n)·I(n-1)+Q(n)·Q(n-1))+wp(n) (2)
其中，sign()表示取符号运算，real()表示取实部运算，wp(n)为差分序列中的噪声分量。当没有噪声干扰时，p(n)为第n毫秒和第n-1毫秒之间调制符号乘积，即若第n毫秒和第n-1毫秒的调制符号相同，则p(n)＝1；反之，则有p(n)＝-1。
对于n，其可表示为n＝kX+m，其中，k＝0,1,…,表示第k个电文符号，m＝0,1,…，X-1，表示第k个电文符号内的第m毫秒。而本发明实现信号位同步的目的就是根据含有噪声干扰的差分序列p(n)，获得m的准确取值。
S300、根据北斗导航信号的格式，获取每个电文符号内每毫秒调制的序列C，将每个电文符号内每毫秒调制的序列C对应的差分结果dC作为同步模板。
根据导航信号的调制规则，dC(n)与I(n)和Q(n)之间有如下关系：
dC(n)＝sign(I(n)·I(n-1)+Q(n)·Q(n-1)) (3)
由此可以得到p(n)与dC(n)之间满足如下关系：
p(n)＝dC(n)+wp(n) (4)
实际上，根据导航信号的格式，可以直接从序列C求得序列dC。例如：对调制NH码的北斗导航信号，序列C为[1，1，1，1，1，-1，1，1，-1，-1，1，-1，1，-1，1，1，-1，-1，-1，1](需要注意的是，以此NH码为例，但保护范围不应被该NH码所限定)。根据该序列C得到每毫秒的差分调制结果(序列dC)并作为同步模板，基于上述序列C，则序列dC为[x，1,1,1,1,-1,-1,1,-1,1,-1,-1,-1,-1,-1,1,-1,1,1,-1]，其中x既可以是1，也可以是-1，取决于导航信号上调制的未知电文，因此将其设置为未知状态x。序列dC的下标从0开始，即有dC(0)＝x,dC(1)＝1,…,dC(19)＝-1。dC序列的具体获得方法为：dC(0)＝x,dC(n)＝(n)·(n-1),n＝1,…,X-1。
对于调制NH码的北斗导航信号(此时X＝2)，序列C为[1,1]，根据C获得的差分同步模板dC为[x,1]；对于GPS-L1信号(此时X＝20)，序列C为[1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1]，根据C获得的差分同步模板dC为[x,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1]。
显然将dC序列作为模板，与实际接收到的差分序列p(n)进行比对，即可获得p(kX+m)中的m的准确值。
S400、根据同步模板和连续N个电文符号宽度内的差分序列计算同步判决量的最大值。
首先，取连续N个电文符号宽度内的差分序列p(kX+m),k＝0,1,…,N-1，根据导航信号的调制规则，序列p(kX+m)是序列dC的循环重复，但是由于实际接收的序列p(kX+m)中含有噪声干扰等因素，导致这种循环重复的规律变得不直观，因此需要设计合理的同步判决量ε(i)，使得能够从p(kX+m)序列中找到序列dC的循环起始位置。即假设有：p(0)＝dC(i)+wp(0),p(1)＝dC(i+1)+wp(1),…,p(kX+m)＝dC(l)+wp(kX+m)；
其中，l＝mod(m+i,X)，mod()表示求余运算，故由此可以确定任意p(kX+m)中的m准确值。显然上述i的取值可能有X种不同的情况，即i＝0,1,…,X-1。
其次，设计同步判决量ε(i)：
Figure BDA0002963786270000061
其中，abs()表示求绝对值运算。需要注意的是，对于调制有导航电文符号的北斗信号，考虑可能出现的电文符号翻转,在计算是将第0个未知的dC赋值为0，即有dC(0)＝0。
最后，寻找ε(0),(1),…,ε(X-1)中的最大值，记录其对应的下标为imax，imax可以表示为:
imax＝maxiε(i) (6)
S500、根据同步判决量的最大值，完成北斗导航信号的位同步。
找到满足上述条件的imax后，有p(0)＝dC(imax)，p(1)＝dC(imax+1)，…。至此完成了序列p(kX+m)的位同步处理，同步结果表示为：
p(kX+m)＝dC(mod(m+imax，X)) (7)
序列中电文符号的起始位置为X-imax。
由于接收处理的相关结果s(n)中含有噪声干扰，从而导致序列p(kX+m)与同步模板dC(mod(m+imax，X))之间有概率出现不相等的情况，因此需要增加N的取值，以提升同步成功的概率。同步时间的长短取决于N，显然N越大，所需的时间越长。
作为一种可选的实施方式，优选N取值范围为[5,10]。
如图2至图4所示，提供几组仿真数据：
图2为N＝5，电文符号的宽度X＝20时，位同步判决量ε(i)与判决结果imax的仿真结果，电文符号的宽度X＝20，从结果可以看出：imax＝15时，同步判决量取最大值，因此序列p(20k+m)中第20-15＝5个相关结果对应的位置为电文符号的起始位置。
图3为载噪比38dHz时不同信号时长下的同步成功率蒙特卡洛仿真结果，每种信号长度下蒙特仿真次数10000次，仿真了信号时长20ms、40ms、60ms、80ms和100ms五种情况下信号载噪比38dBHz时(北斗导航信号的典型接收载噪比)的同步成功率，从结果可以看出，仅需要20ms的信号，就可以实现99％以上的同步成功率，相比传统基于电文符号跳变的方法，至少需要40ms以上的信号才可以完成信号的同步。因此本方法信号同步时间更短。
图4为N＝10时，不同信号强度下的同步成功率蒙特卡洛仿真结果，每种条件下蒙特卡洛仿真次数10000次，从仿真结果看出，当N＝10时，载噪比低至27dBHz时，本方法的同步成功率也可以达到90％以上。
第二实施例；
提供了一种北斗卫星导航信号的接收终端设备，北斗卫星导航信号接收终端设备应用有第一实施例所述的载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法。由于本北斗卫星导航信号的接收终端设备应用第一实施例的载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法，于是第一实施例的相关内容同样适用于本实施例，此处不再赘述。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法，其特征在于，包括以下步骤：
S100、获取北斗导航接收机输出北斗导航信号的每毫秒的相关积分结果；
S200、计算每相邻两个所述相关积分结果的点积和，并对所述点积和的结果取符号运算，得到所述北斗导航信号中每相邻两个所述相关积分结果的差分序列；
S300、根据所述北斗导航信号的格式，获取每个电文符号内每毫秒调制的序列C，将所述每个电文符号内每毫秒调制的序列C对应的差分结果dC作为同步模板；
S400、根据所述同步模板和连续N个电文符号宽度内的差分序列计算同步判决量的最大值；
S500、根据所述同步判决量的最大值，完成所述北斗导航信号的位同步。
2.根据权利要求1所述的载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法，其特征在于，所述N的取值范围为5至10。
3.一种北斗卫星导航信号的接收终端设备，其特征在于，所述北斗卫星导航信号接收终端设备应用有权利要求1或2任一项所述的载体旋转运动下北斗卫星导航信号的快速位同步方法。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102216801A (zh) * 2008-09-17 2011-10-12 意法爱立信有限公司 时间基准系统
CN103091686A (zh) * 2011-10-31 2013-05-08 北京大学 一种兼容北斗卫星导航系统和gps的位同步方法及装置
WO2014089988A1 (zh) * 2012-12-14 2014-06-19 北京东方联星科技有限公司 一种高灵敏度北斗辅助授时装置和授时接收机及授时方法
CN103901444A (zh) * 2014-03-20 2014-07-02 南京航空航天大学 一种北斗卫星导航接收机位同步方法
CN110673177A (zh) * 2019-09-27 2020-01-10 南京理工大学 一种基于柔性基材的高动态gnss接收机及其导航方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102216801A (zh) * 2008-09-17 2011-10-12 意法爱立信有限公司 时间基准系统
CN103091686A (zh) * 2011-10-31 2013-05-08 北京大学 一种兼容北斗卫星导航系统和gps的位同步方法及装置
WO2014089988A1 (zh) * 2012-12-14 2014-06-19 北京东方联星科技有限公司 一种高灵敏度北斗辅助授时装置和授时接收机及授时方法
CN103901444A (zh) * 2014-03-20 2014-07-02 南京航空航天大学 一种北斗卫星导航接收机位同步方法
CN110673177A (zh) * 2019-09-27 2020-01-10 南京理工大学 一种基于柔性基材的高动态gnss接收机及其导航方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Collective Bit Synchronization for Weak GNSS Signals Using Multiple Satellites";Tiantong Ren et al.;《2014 IEEE/ION Position, Location and Navigation Symposium - PLANS 2014》;第547-555页 *
"GPS接收机模糊搜索粗时定位方法";靖守让等;《国防科技大学学报》;第37卷(第3期);第34-38页 *
"北斗导航接收机高增益相干积分算法";李荣冰等;《导航与控制》;第19卷(第3期);第7-13页 *

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