CN114280639A - 一种基于比特遍历的弹载高动态北斗b3i信号捕获方法及装置 - Google Patents

一种基于比特遍历的弹载高动态北斗b3i信号捕获方法及装置 Download PDF

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冯双记
杨伟新
彭洁茹
马晓
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Abstract

本发明涉及一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法及装置，该方法首先同时读取降采样后的零中频数据和接收机缓存的伪随机码序列，并进行分段相关积分运算；将分段相关积分结果等分为前后两组，分别与(‑1，+1)和(+1，+1)相乘以进行比特遍历处理；将比特遍历后的两组相关积分结果分别补零后进行FFT运算并将FFT结果取模求峰值；通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决。通过上述本发明可以削弱频繁比特跳变对相干积分检测峰值造成的恶劣影响，并且算法复杂度低，硬件资源消耗少，适用于弹载高动态的北斗B3I信号捕获处理。

Description

一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法及 装置
技术领域
本发明涉及卫星导航信号处理技术领域，尤其涉及一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法及装置。
背景技术
北斗B3I信号既可由北斗二号系统卫星播发，也可由北斗三号系统卫星播发，对北斗卫星导航接收机而言是不可或缺的重要导航信号。
在弹载高动态场景下，卫星信号的快速有效捕获是实现卫星接收机跟踪、定位的前提。根据北斗B3I信号的ICD文件，北斗卫星导航电文的数据率较高，且北斗D1电文存在NH码调制，使北斗接收机在对卫星信号进行捕获过程中存在频繁的电文数据比特跳变，引起相干积分检测峰值发生分裂，降低峰值对应的多普勒频率估计精度，甚至会导致检测峰值低于预设门限造成捕获失败，严重影响弹载北斗接收机的捕获性能。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的弹载高动态下北斗B3I信号频繁比特跳变导致相干积分检测峰值分裂影响接收机捕获性能的技术问题，提供一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法，削弱频繁比特跳变对相干积分检测峰值造成的恶劣影响，并且算法复杂度低，硬件资源消耗少，适用于弹载高动态的北斗B3I信号捕获处理。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法，包括：
S1，同时读取降采样后的零中频数据和接收机缓存的伪随机码序列，并进行分段相关积分运算；
S2，将分段相关积分结果等分为前后两组，分别与(-1，+1)和(+1，+1)相乘以进行比特遍历处理；
S3，将比特遍历后的两组相关积分结果分别补零后进行FFT运算并将FFT结果取模求峰值；
S4，通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决。
进一步的，该方法还包括北斗B3I接收机对弹载高动态北斗B3I信号进行捕获时，针对1个码不确定度，首先读取2ms的数字中频数据与北斗接收机复制的载波数据进行混频下变频，并将生成的零中频数据按照两倍码速率进行降采样处理。
进一步的，所述的分别读取降采样后的零中频数据和接收机缓存的伪随机码序列，并进行分段相关积分运算，包括：
读取降采样后的零中频数据与接收机缓存的伪随机码序列首先进行相关运算，生成L×K个相关数据；所述零中频数据和伪随机码序列均包含L×K个采样点，再分K段进行积分运算，得到SUM(1),SUM(2)，…,SUM(K)共计K个相关积分结果：
Figure BDA0003370863140000021
其中，SUM(N)为分段相关积分的第N个结果；SIF(i)为降采样后的零中频数据中的第i个数据；PN(i)为接收机缓存的伪随机码序列中的第i个数据。
进一步的，所述的通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决，包括：
若峰值大于门限则捕获结束，否则调整接收机本地复制的载波频率和伪随机码相位，重复步骤S1～S4，直到所有载波频率不确定度和伪随机码不确定度搜索完毕。
第二方面，本发明提供一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获装置，包括：
积分运算模块，分别读取降采样后的零中频数据和接收机缓存的伪随机码序列，并进行分段相关积分运算；
比特遍历模块，将分段相关积分结果等分为前后两组，分别与(-1，+1)和(+1，+1)相乘以进行比特遍历处理；
峰值计算模块，将比特遍历后的两组相关积分结果分别补零后进行FFT运算并将FFT结果取模求峰值；
比较判决模块，通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决。
进一步的，该装置还包括采样模块，用于在北斗B3I接收机对弹载高动态北斗B3I信号进行捕获时，针对1个码不确定度，首先读取2ms的数字中频数据与北斗接收机复制的载波数据进行混频下变频，并将生成的零中频数据按照两倍码速率进行降采样处理。
进一步的，所述的积分运算模块具体用于：
读取降采样后的零中频数据与接收机缓存的伪随机码序列首先进行相关运算，生成L×K个相关数据；所述零中频数据和伪随机码序列均包含L×K个采样点，再分K段进行积分运算，得到SUM(1),SUM(2)，…,SUM(K)共计K个相关积分结果：
Figure BDA0003370863140000031
其中，SUM(N)为分段相关积分的第N个结果；SIF(i)为降采样后的零中频数据中的第i个数据；PN(i)为接收机缓存的伪随机码序列中的第i个数据。
进一步的，所述的门限判决，包括：若峰值大于门限则捕获结束，否则调整接收机本地复制的载波频率和伪随机码相位，重复步骤S1～S4，直到所有载波频率不确定度和伪随机码不确定度搜索完毕。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括：
存储器，用于存储计算机软件程序；
处理器，用于读取并执行所述存储器中存储的计算机软件程序，进而实现本发明第一方面所述的一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法。
第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，该存储介质中存储有用于实现本发明第一方面所述的一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法的计算机软件程序。
本发明的有益效果是：在基于比特遍历的分段相关积分+FFT快速捕获算法中，针对1个码不确定度，仅在分段相关积分运算后分前后两组进行比特遍历处理，可有效削弱相关积分检测时间中间位置发生比特跳变对捕获结果造成的最恶劣的影响，而在算法复杂度方面相比于传统算法只并行多做1次FFT运算，硬件资源消耗程度增加少，易于工程实现，可适用于弹载高动态下北斗B3I卫星接收机的快速捕获。
附图说明
图1为评价函数随本地载波与接收信号的频率差值变化的关系曲线图；
图2图3均为本发明实施例提供的一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法原理图；
图4为本发明实施例提供的一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获装置结构原理图；
图5为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图；
图6为本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
在弹载高动态北斗B3I信号捕获过程中，假设接收到的卫星导航信号为s(t)，不考虑噪声和量化误差，则有
Figure BDA0003370863140000041
其中，t表示天线接收卫星导航信号的时间；A表示信号幅度；c(t)和d(t)分别表示伪随机码和伪随机码上调制的数据码；ω0和θ0分别表示接收信号的载波频率和初始载波相位。
假设卫星接收机生成的本地信号为x(t)，则有
Figure BDA0003370863140000051
其中，τ为本地伪随机码相位与接收卫星信号伪随机码相位的差值；
Figure BDA0003370863140000052
和
Figure BDA0003370863140000053
分别为接收机本地复制产生的载波频率和载波相位。
弹载北斗B3I卫星接收机中对单颗卫星信号的捕获，本质上可表示为求取s(t)和x(t)积分最大值的过程，则有
Figure BDA0003370863140000054
其中，T表示相干积分时间，
Figure BDA0003370863140000055
表示积分结果。而在捕获过程中，常采用
Figure BDA0003370863140000056
作为评价函数，则有
Figure BDA0003370863140000057
式中，R(τ)为伪随机码自相关函数。假设本地码相位和接收卫星信号的码相位完全对齐，即τ为零，则R(τ)＝1。上式可简化为
Figure BDA0003370863140000058
在弹载高动态场景中，接收机捕获的检测积分时间通常不会超过1个符号周期，在此期间只可能存在一次信息跳变，假设发生在αT(0≤α≤1)时刻，则上式可改为
Figure BDA0003370863140000059
定义
Figure BDA00033708631400000510
表示本地载波与接收信号的频率差值，将上式进行归一化处理，则有
Figure BDA0003370863140000061
为了更加直观的分析比特跳变对卫星信号捕获的影响，图1给出了当α分别为0、0.25和0.5时，
Figure BDA0003370863140000062
随Δω的变化关系曲线。
当相干积分时间内存在比特跳变时，捕获相关器输出的检测变量不仅仅是简单符号位的变化，新的变量是比特跳变位置的函数，其峰值的大小和位置都随比特跳变位置的变化而改变。因此，比特跳变导致多普勒频率估计精度降低，从而影响捕获性能。
本发明实施例针对弹载高动态下北斗B3I信号频繁比特跳变导致相干积分检测峰值分裂影响接收机捕获性能的问题，提出一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法，削弱频繁比特跳变对相干积分检测峰值造成的恶劣影响，并且算法复杂度低，硬件资源消耗少，适用于弹载高动态的北斗B3I信号捕获处理。
所述方法的应用场景为弹载高动态北斗B3I接收机的捕获处理环节，主要功能为削弱相关积分检测时间中间位置发生比特跳变对捕获结果造成的最恶劣的影响。该方法在弹载高动态北斗信号捕获过程中，首先读取降采样后的零中频数据与接收机缓存的伪随机码序列进行分段相关积分运算，然后将分段相关积分结果等分为前后两组，分别与(-1，+1)和(+1，+1)相乘以进行比特遍历处理，再将比特遍历后的两组相关积分结果分别补零后进行FFT运算并将FFT结果取模求峰值，最后通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决。
具体的如图2-3所示，该方法包括以下内容：
(1)在弹载高动态北斗B3I卫星导航接收机中，当对天上某颗北斗B3I卫星信号进行捕获时，针对1个伪随机码不确定度，首先读取2ms的数字中频数据，将读取的数字中频数据与北斗接收机复制的载波数据进行混频下变频，生成2ms的零中频数据；并将生成的零中频数据按照两倍码速率进行降采样处理。
(2)读取降采样后的零中频数据(共L×K个采样点)与接收机缓存的伪随机码序列(共L×K个采样点)，首先进行相关运算，生成L×K个相关数据，再分K段进行积分运算，得到SUM(1),SUM(2)，…,SUM(K)共计K个相关积分结果：
Figure BDA0003370863140000071
其中，SUM(N)为分段相关积分的第N个结果；SIF(i)为降采样后的零中频数据中的第i个数据；PN(i)为接收机缓存的伪随机码序列中的第i个数据。
(3)将分段相关积分结果等分为前后两组，分别与(-1，+1)和(+1，+1)相乘以进行比特遍历处理，得到：
序列1：-SUM(1),…,-SUM(K/2),+SUM(K/2+1),…,+SUM(K)；
序列2：+SUM(1),…,+SUM(K/2),+SUM(K/2+1),…,+SUM(K)。
(4)将比特遍历后的序列1和序列2分别补零后做FFT运算，并将FFT结果取模求峰值，得到对应于序列1的峰值MAX1和对应于序列2的峰值MAX2。
(5)将比特遍历后得到的序列1和序列2的峰值MAX1与MAX2进行比较大小，取MAX1与MAX2中的最大值进行捕获门限判决，即完成该次捕获运算。
(6)调整接收机本地复制的载波频率和伪随机码相位，重复上述过程，直到所有载波频率不确定度和伪随机码不确定搜索完毕，即完成对弹载高动态北斗B3I信号的捕获。
在基于比特遍历的分段相关积分+FFT快速捕获算法中，针对1个码不确定度，仅在分段相关积分运算后分前后两组进行比特遍历处理，可有效削弱相关积分检测时间中间位置发生比特跳变对捕获结果造成的最恶劣的影响，而在算法复杂度方面相比于传统算法只并行多做1次FFT运算，硬件资源消耗程度增加少，易于工程实现，可适用于弹载高动态下北斗B3I卫星接收机的快速捕获。
图4为本发明实施例提供的一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获装置结构原理图，如图4所示，该装置包括：
降采样模块，用于在北斗B3I接收机对弹载高动态北斗B3I信号进行捕获时，针对1个码不确定度，首先读取2ms的数字中频数据与北斗接收机复制的载波数据进行混频下变频，并将生成的零中频数据按照两倍码速率进行降采样处理；
积分运算模块，分别读取降采样后的零中频数据和接收机缓存的伪随机码序列，并进行分段相关积分运算；具体的，读取降采样后的零中频数据与接收机缓存的伪随机码序列首先进行相关运算，生成L×K个相关数据；所述零中频数据和伪随机码序列均包含L×K个采样点，再分K段进行积分运算，得到SUM(1),SUM(2)，…,SUM(K)共计K个相关积分结果：
Figure BDA0003370863140000081
其中，SUM(N)为分段相关积分的第N个结果；SIF(i)为降采样后的零中频数据中的第i个数据；PN(i)为接收机缓存的伪随机码序列中的第i个数据；
比特遍历模块，将分段相关积分结果等分为前后两组，分别与(-1，+1)和(+1，+1)相乘以进行比特遍历处理；
峰值计算模块，将比特遍历后的两组相关积分结果分别补零后进行FFT运算并将FFT结果取模求峰值；
比较判决模块，通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决。
所述的门限判决，包括：若峰值大于门限则捕获结束，否则调整接收机本地复制的载波频率和伪随机码相位，重复步骤S1～S4，直到所有载波频率不确定度和伪随机码不确定度搜索完毕。
请参阅图5，图5为本发明实施例提供的电子设备的实施例示意图。如图5所示，本发明实施例提了一种电子设备500，包括存储器510、处理器520及存储在存储器520上并可在处理器520上运行的计算机程序511，处理器520执行计算机程序511时实现以下步骤：
S1，同时读取降采样后的零中频数据和接收机缓存的伪随机码序列，并进行分段相关积分运算；
S2，将分段相关积分结果等分为前后两组，分别与(-1，+1)和(+1，+1)相乘以进行比特遍历处理；
S3，将比特遍历后的两组相关积分结果分别补零后进行FFT运算并将FFT结果取模求峰值；
S4，通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决。
请参阅图6，图6为本发明实施例提供的一种计算机可读存储介质的实施例示意图。如图6所示，本实施例提供了一种计算机可读存储介质600，其上存储有计算机程序611，该计算机程序611被处理器执行时实现如下步骤：
S1，同时读取降采样后的零中频数据和接收机缓存的伪随机码序列，并进行分段相关积分运算；
S2，将分段相关积分结果等分为前后两组，分别与(-1，+1)和(+1，+1)相乘以进行比特遍历处理；
S3，将比特遍历后的两组相关积分结果分别补零后进行FFT运算并将FFT结果取模求峰值；
S4，通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决。
需要说明的是，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细描述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式计算机或者其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法，其特征在于，包括：
S1，同时读取降采样后的零中频数据和接收机缓存的伪随机码序列，并进行分段相关积分运算；
S2，将分段相关积分结果等分为前后两组，分别与(-1，+1)和(+1，+1)相乘以进行比特遍历处理；
S3，将比特遍历后的两组相关积分结果分别补零后进行FFT运算并将FFT结果取模求峰值；
S4，通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括北斗B3I接收机对弹载高动态北斗B3I信号进行捕获时，针对1个码不确定度，首先读取2ms的数字中频数据与北斗接收机复制的载波数据进行混频下变频，并将生成的零中频数据按照两倍码速率进行降采样处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的分别读取降采样后的零中频数据和接收机缓存的伪随机码序列，并进行分段相关积分运算，包括：
读取降采样后的零中频数据与接收机缓存的伪随机码序列首先进行相关运算，生成L×K个相关数据；所述零中频数据和伪随机码序列均包含L×K个采样点，再分K段进行积分运算，得到SUM(1),SUM(2)，…,SUM(K)共计K个相关积分结果：
Figure FDA0003370863130000011
其中，SUM(N)为分段相关积分的第N个结果；SIF(i)为降采样后的零中频数据中的第i个数据；PN(i)为接收机缓存的伪随机码序列中的第i个数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决，包括：
若峰值大于门限则捕获结束，否则调整接收机本地复制的载波频率和伪随机码相位，重复步骤S1～S4，直到所有载波频率不确定度和伪随机码不确定度搜索完毕。
5.一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获装置，其特征在于，包括：
积分运算模块，分别读取降采样后的零中频数据和接收机缓存的伪随机码序列，并进行分段相关积分运算；
比特遍历模块，将分段相关积分结果等分为前后两组，分别与(-1，+1)和(+1，+1)相乘以进行比特遍历处理；
峰值计算模块，将比特遍历后的两组相关积分结果分别补零后进行FFT运算并将FFT结果取模求峰值；
比较判决模块，通过比较大小选取峰值最大值并进行门限判决。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，还包括降采样模块，用于在北斗B3I接收机对弹载高动态北斗B3I信号进行捕获时，针对1个码不确定度，首先读取2ms的数字中频数据与北斗接收机复制的载波数据进行混频下变频，并将生成的零中频数据按照两倍码速率进行降采样处理。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的积分运算模块具体用于：
读取降采样后的零中频数据与接收机缓存的伪随机码序列首先进行相关运算，生成L×K个相关数据；所述零中频数据和伪随机码序列均包含L×K个采样点，再分K段进行积分运算，得到SUM(1),SUM(2)，…,SUM(K)共计K个相关积分结果：
Figure FDA0003370863130000021
其中，SUM(N)为分段相关积分的第N个结果；SIF(i)为降采样后的零中频数据中的第i个数据；PN(i)为接收机缓存的伪随机码序列中的第i个数据。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述的门限判决，包括：若峰值大于门限则捕获结束，否则调整接收机本地复制的载波频率和伪随机码相位，重复步骤S1～S4，直到所有载波频率不确定度和伪随机码不确定度搜索完毕。
9.一种电子设备，其特征在于，包括：
存储器，用于存储计算机软件程序；
处理器，用于读取并执行所述存储器中存储的计算机软件程序，进而实现权利要求1-4任一项所述的一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，该存储介质中存储有用于实现权利要求1-4任一项所述的一种基于比特遍历的弹载高动态北斗B3I信号捕获方法的计算机软件程序。
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