CN114814902A - 一种码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于北斗卫星导航技术领域，公开了一种码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法及系统，包括数字下变频模块、码合并模块、数据块拼接模块、多普勒剥离模块、本地补零模块、码并行相干模块、码间差分模块、多普勒补偿模块、逐级相干模块与逐级非相干模块、峰值判决模块、普勒搜索完成判断模块、多普勒调控模块和结果输出模块。本发明采用码间差分算法避免D1导航数据中NH码跳变和D2导航电文速率过快对相干积分时长的影响，通过提高相干积分时长来提高北斗信号的捕获灵敏度；采用补零块与数据块相干，避免了NH码跳变和导航数据跳变对相干值的影响，获得完整1毫秒相干值；采用逐级相干与逐级非相干算法，实现了强弱信号的兼容捕获。

Description

一种码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法及系统
技术领域
本发明属于北斗卫星导航技术领域，尤其涉及一种码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法及系统。
背景技术
目前，随着我国北斗卫星导航系统的发展，卫星导航接收机逐步应用于各个领域。导航接收机慢慢从陆地、航海与航空等领域逐步向航天领域发展。在卫星或航天器上搭载卫星导航接收机可以提高其自主性，同时可以大大降低地面测控站的监测成本。因此应用于高轨环境的北斗卫星导航接收机成为研究者们重点研究的对象，同时发展适用于高轨环境的北斗导航接收机有利于我国未来在航天领域的快速发展，进一步提升我国在航天以及深空探索领域的优势。
传统高灵敏度北斗导航接收机通过延时差分与补零块避免D1导航电文中NH码对相干积分值的影响，但是这种方式在差分的过程需要存储大量的数据，导致设计成本和迭代成本非常高。如韩志凤“基于改进补零/差分的北斗弱信号捕获算法”一文中所提的改进型差分算法，该算法在进行延时差分时需要存储20毫秒的相干数据，并且该算法捕获灵敏度较低。同时由于北斗D2导航电文速率过快，这种算法对于D2导航电文的差分结果符号依然未知，导致无法延长相干积分时长，导致无法捕获微弱的D2导航电文信号。再如专利“用于捕获BDS信号的方法和设备”中提到的NH码半比特搜索法来避免NH码对相干数据的影响，其在实现过程中需要遍历搜索所有NH码码相位，导致捕获时间较长。同时在对NH码进行半比特搜索时，相干值会受到一定的抑制，导致捕获灵敏度不高。因此，亟需设计一种新的高轨北斗信号捕获方法及系统。
通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
(1)传统高灵敏度北斗导航接收机采用的延时差分与补零块的方式，在差分的过程需要存储大量的数据，会导致设计成本和迭代成本非常高。
(2)现有的改进型差分算法在进行延时差分时需要存储20毫秒的相干数据，并且该算法捕获灵敏度较低；且对于D2导航电文的差分结果符号依然未知，导致无法延长相干积分时长，导致无法捕获微弱的D2导航电文信号。
(3)现有的NH码半比特搜索法在实现过程中需要遍历搜索所有NH码的码相位，导致捕获时间较长；同时在对NH码进行半比特搜索时，相干值会受到一定的抑制，导致捕获灵敏度不高。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法及系统，尤其涉及一种基于码间差分与补零块的高轨北斗信号捕获方法、系统、介质、设备及终端，旨在解决高轨北斗导航接收机以极少的硬件资源实现D1、D2导航电文的快速、高灵敏度捕获问题。
本发明是这样实现的，一种码间差分与补零块的北斗弱信号捕获系统，所述码间差分与补零块的北斗弱信号捕获系统包括：
数字下变频模块，用于将基带数据进行数字下变频，去除数据中的残余载波，获得零中频数据，并将数据传送至码合并模块；
码合并模块，用于将零中频数据进行累加合并，获得半码数据后将数据传输至数据块拼接模块；
数据块拼接模块，用于将码片数据进行存储并交叠组合，组成2毫秒数据块，并将数据块传输至多普勒剥离模块；
多普勒剥离模块，用于将2毫秒数据块中的多普勒频率进行剥离，获得零多普勒数据，随后将数据送入码并行相干模块进行FFT处理；
本地补零模块，用于将本地伪码经过补零，得到长度与2毫秒数据块长度一样的补零块，并将本地补零模块送入FFT核进行傅里叶变换；
码并行相干模块，用于利用FFT和IFFT将2毫秒数据块和本地补零块进行相干，获得不同码相位的相干值，并将前4096个相干数据送入至码间差分模块；
码间差分模块，用于将不同码相位的相干值进行差分，差分采用码间差分法避免D1导航电文中NH码跳变、D2导航电文速率过快以及导航数据跳变对捕获灵敏度的影响，随后将差分数据送入多普勒补偿模块；
多普勒补偿模块，用于补偿因多普勒效应在相干时长内产生的码相位偏移，经过相位修正的数据送入逐级相干模块与逐级非相干模块；
逐级相干模块与逐级非相干模块，用于将多普勒补偿模块所得的结果进行N次逐级相干，得到不同信噪比的相干值；随后对相干累积值取模后再进行M次逐级非相干，将不同相干次数的结果送入峰值判决模块；
峰值判决模块，用于将不同相干次数的码相位相干值进行峰值检测，判断是否捕获到卫星信号，并根据判决结果选择进行下一步操作；
普勒搜索完成判断模块，当峰值判决模块判决到未成功捕获卫星信号时，判断多普勒频率是否搜索完成；如果搜索完成则结束捕获程序，如果未搜索完成则进入多普勒调控模块并进行下一轮捕获，直至多普勒搜索完成或者捕获到当前卫星信号；
多普勒调控模块，用于调控当前所要搜索的多普勒频率并传输至多普勒剥离模块；
结果输出模块，用于根据峰值判决模块和多普勒搜索完成判断模块的处理结果，将捕获得到的多普勒信息、卫星号和码相位传送至跟踪模块。
进一步，所述码并行相干模块还用于将本地补零块与2毫秒数据块进行频域复乘，实现码并行相干，包括：
本地补零块，用于通过将本地伪码进行补零，使长度与2毫秒数据块长度一致，在捕获开始时，本地补零块被送入FFT单元；
FFT单元，用于将2毫秒的零多普勒数据和本地补零块进行傅里叶变换，其中本地补零块经过傅里叶变换后取共轭并送入至存储单元，2毫秒的零多普勒数据经过傅里叶变换后送入复乘单元；
存储单元，用于存储本本地补零块的FFT共轭值，以备后续复乘时使用；
复乘单元，用于将2毫秒数据块的傅里叶变换值和本地补零块的傅里叶变换共轭值进行复乘，用频域相乘代替时域卷积，采用补零块与2毫秒数据块相干避免NH码跳变和导航数据跳变对相干积分的影响，得到完整的1毫秒频域相干值，并将频域相干值送入至IFFT单元；
IFFT单元，用于将复乘结果进行逆傅里叶变换，将相干结果从频域转换到时域，准换后的时域相干值送入码间差分模块。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获系统的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法，所述码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法包括以下步骤：
步骤一，通过数字下变频模块将基带数据残余载波信号进行去除，获到零中频数据；利用码合并模块将零中频数据合并为半码数据，并利用2毫秒数据拼接模块将半码数据存储并交叠组成2毫秒数据块；
步骤二，利用多普勒剥离模块将2毫秒数据块中的多普勒频率进行剥离，并送往码并行相干模块与本地补零块进行滑动相干，得到不同码相位的相干值；
步骤三，利用相干值经过码间差分处理避免NH码跳变以及导航数据跳变的影响，并通过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；
步骤四，通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。
进一步，所述码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法还包括：
利用多普勒补偿模块补偿因多普勒效应在相干时长内产生的码相位偏移；
当峰值判决模块判决到未成功捕获卫星信号时，判断多普勒频率是否搜索完成，如果搜索完成将结束捕获程序，如果未搜索完成将进入多普勒调控模块并进行下一轮捕获，直至多普勒搜索完成或者捕获到当前卫星信号；
利用多普勒调控模块调控当前所要搜索的多普勒频率并传输至多普勒剥离模块；利用结果输出模块根据峰值判决模块和多普勒搜索完成判断模块的处理结果，将捕获得到的多普勒信息、卫星号和码相位传送至跟踪模块。
进一步，所述数据块拼接模块是将码片数据进行存储并组成为2毫秒数据块，在数据存储时以1毫秒数据为单位，将两个相邻的1毫秒数据块合并组成2毫秒数据块；在组成2毫秒数据时，中间的每个1毫秒数据块被交叠使用两次。
进一步，所述码间差分模块将码并行相干模块得到前4096个相干值进行码间差分，由于补零块与2毫秒数据相干后得到8192个码相位相干值，而码并行搜索时码相位仅出现在前4096个位置，故在进行码间差分时只截取前4096个相干值进行差分；差分方式采用码间差分法，将相邻码相位的相干值进行差分，得到4095个差分结果，并将最后一个码相位相干值与第一个码相位相干值进行差分，共得到4096个差分结果。
进一步，所述逐级相干模块与逐级非相干模块将码间差分模块得到的数据进行逐次相干与逐次非相干，其中逐次相干次数为N，逐次非相干次数为M；经过逐次相干与逐次非相干，获得不同捕获时长的相干值，通过峰值判决实现不同强度信号的捕获。
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过数字下变频模块将基带数据残余载波信号进行去除，获到零中频数据；利用码合并模块将零中频数据合并为半码数据，并利用2毫秒数据拼接模块将半码数据存储并交叠组成2毫秒数据块；利用多普勒剥离模块将2毫秒数据块中的多普勒频率进行剥离，并送往码并行相干模块与本地补零块进行滑动相干，得到不同码相位的相干值；
利用相干值经过码间差分处理避免NH码跳变以及导航数据跳变的影响，并通过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过数字下变频模块将基带数据残余载波信号进行去除，获到零中频数据；利用码合并模块将零中频数据合并为半码数据，并利用2毫秒数据拼接模块将半码数据存储并交叠组成2毫秒数据块；利用多普勒剥离模块将2毫秒数据块中的多普勒频率进行剥离，并送往码并行相干模块与本地补零块进行滑动相干，得到不同码相位的相干值；
利用相干值经过码间差分处理避免NH码跳变以及导航数据跳变的影响，并通过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获系统。
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
本发明提供的码间差分与补零块的高轨北斗信号捕获系统，通过数字下变频模块将基带数据残余载波信号进行去除，获到零中频数据；利用码合并模块将零中频数据合并为半码数据，2毫秒数据拼接模块将半码数据存储并交叠组成2毫秒数据块；利用多普勒剥离模块将2毫秒数据块中的多普勒频率进行剥离，并送往码并行相干模块与本地补零块进行滑动相干，得到不同码相位的相干值；利用相干值经过码间差分处理避免了NH码跳变以及导航数据跳变的影响，并通过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；最后通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。
本发明还具有如下优点：
(1)本发明采用码间差分算法避免了D1导航数据中NH码跳变和D2导航电文速率过快对相干积分时长的影响，通过提高相干积分时长来提高北斗信号的捕获灵敏度。
(2)本发明采用补零块与数据块相干，避免了NH码跳变和导航数据跳变对相干值的影响，获得完整1毫秒相干值。
(3)本发明采用逐级相干与逐级非相干算法，实现了强弱信号的兼容捕获。
(4)本发明采用码间差分算法，避免了传统算法中需要存储大量数据的问题，同时解决了传统高灵敏度接收机无法提高D2导航数据捕获灵敏度的问题。
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
本发明提出了一种基于码间差分与补零块的高轨北斗信号捕获方法，为导航接收机提供硬件资源消耗少、捕获速度快、灵敏度高的捕获算法。
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：本发明采用了码间差分算法，通过该算法避免了NH码跳变和导航数据跳变对长时间相干累积的影响，使得算法可以加长相干积分时长，提升信号的信噪比，进而提升北斗卫星信号的捕获灵敏度。同时码间差分算法不需要存储大量数据，为导航接收机节省了大量的资源，另外码间差分避免了导航数据的跳变影响，这对于码速率过快的D2导航电文而言，可以极大的延长相干积分时长，提高捕获灵敏度。从根本上解决了传统导航接收机对于D2导航电文捕获灵敏度不足的问题，同时兼顾了D1导航电文的高灵敏度捕获。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述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是本发明实施例提供的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法流程图；
图2是本发明实施例提供的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获系统结构框图；
图3是本发明实施例提供的数据块拼接结构框图；
图4是本发明实施例提供的码间差分结构框图；
图5是本发明实施例提供的在强度为-145dBm的情况下北斗3号卫星的捕获结果图；
图6是本发明实施例提供的在强度为-146dBm的情况下对北斗24号卫星的捕获结果图；
图7是本发明实施例提供的在信号强度为-143dBm的情况下北斗卫星捕获的码相位结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
如图1所示，本发明实施例提供的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法包括以下步骤：
S101，通过数字下变频模块将基带数据残余载波信号进行去除，获到零中频数据；利用码合并模块将零中频数据合并为半码数据，并利用2毫秒数据拼接模块将半码数据存储并交叠组成2毫秒数据块；
S102，利用多普勒剥离模块将2毫秒数据块中的多普勒频率进行剥离，并送往码并行相干模块与本地补零块进行滑动相干，得到不同码相位的相干值；
S103，利用相干值经过码间差分处理避免NH码跳变以及导航数据跳变的影响，并通过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；
S104，通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。
如图2所示，本发明实施例提供的基于码间差分与补零块的高轨北斗信号捕获系统，包括数字下变频模块、码合并模块、2毫秒数据拼接模块、多普勒剥离模块、本地补零模块、码并行相干模块、码间差分模块、多普勒补偿模块、逐级相干模块与逐级非相干模块、峰值判决模块、普勒搜索完成判断模块、多普勒调控模块、结果输出模块。数字下变频模块是用于将基带数据进行数字下变频，去除数据中的残余载波，获得零中频数据。码合并模块是将零中频信号通过累加的方式合并为半码数据，合并后的码速率为4.096MHz。数据块拼接模块是将码片数据进行存储，并组合成数据块。在此过程中，RAM可存储3毫秒数据，同时RAM被分割为3个1毫秒数据块，初次存储时存满2毫秒数据便会将数据进行读取处理，在后续存储过程中，会读取当前存储数据块的前两个数据块，并将其作为一个数据块进行处理。这样便可将数据交叠组合成数据块，提高数据的利用率，并且可以缩短捕获时长。多普勒剥离模块是将2毫秒数据块与本地生成的多普勒频率进行混频，去除数据中的多普勒频率，得到零多普勒数据。本地补零模块是将本地伪码进行补零操作，得到与2毫秒数据块等长的补零块，当2毫秒数据块中出现NH码跳变或者导航数据跳变时，利用补零块与2毫秒数据进行滑动相干依然可以得到完整的1毫秒相干值，降低了NH码和导航数据跳变对1毫秒相干值的影响。码并行相干模块是利用FFT和IFFT将2毫秒数据块与本地补零块进行码并行相干，得到不同码相位的相干值。码间差分模块是将码并行相干模块得到的前4096个码相位相干值进行差分，差分采用相邻数据差分的形式，这种差分方式可以避免NH码跳变或导航数据跳变对长时相干积分的影响。多普勒补偿模块是将差分数据进行多普勒补偿，对码相位进行修正。逐级相干模块与逐级非相干模块是将相位修正后的数据进行逐次相干与非相干，得到不同捕获时长的相干数据。峰值判决模块是将不同相干时长数据结果进行比较，并通过门限判断是否捕获到卫星信号。普勒搜索完成判断模块是在未捕获到卫星信号的情况下判断当前卫星的多普勒搜索是否完成，如果多普勒频率搜素完成则结束捕获流程，如果多普勒频率未搜索完成，则继续搜索剩余多普勒频率。多普勒调控模块是根据当前要搜索的多普勒范围生成多普勒控制字，并通过多普勒控制字产生相应的多普勒频率。结果输出模块是将捕获结束时所得到的多普勒频率、码相位、相干数据最大值和相干数据均值等信息传送至跟踪模块。
如图3所示，本发明采用交叠分配的方式组成2ms数据块，这种分配方式在数据存储时消耗的存储空间小，同时提高数据的利用率，缩短捕获时间。并且利用2毫秒的数据与本地补零块相干时可以避免NH码和导航数据的影响，得到完整的1毫秒相干积分值。
其中，数据块拼接模块是将码片数据进行存储并组成为2毫秒数据块，其在数据存储时以1毫秒数据为单位，将两个相邻的1毫秒数据块合并组成2毫秒数据块。在组成2毫秒数据时，中间的每个1毫秒数据块会被交叠使用两次，以此提高数据的利用率，缩短捕获时长。
如图4所示，本发明采用码间差分方式，对前4096个码相位的相干值进行差分，避免导航数据跳变和NH码跳变对长时间相干累积的影响。经过码间差分之后可以提高相干积分时长来提高信噪比，进而提高捕获灵敏度，同时只利用前4096个相干数据完成所有码相位的搜索的情况下可减小计算量。
其中，码间差分模块将码并行相干模块得到前4096个相干值进行码间差分，由于补零块与2毫秒数据相干后会得到8192个码相位相干值，而码并行搜索时码相位只会出现在前4096个位置，因此在进行码间差分时只截取前4096个相干值进行差分。差分方式采用码间差分法，即将相邻码相位的相干值进行差分，此时会得到4095个差分结果，并将最后一个码相位相干值与第一个码相位相干值进行差分，总共得到4096个差分结果。码间差分结果不受NH码跳变和导航数据跳变影响，因此在捕获过程中可以延长相干积分时间，实现D1和D2导航电文的高灵敏度捕获，同时码间差分算法不需要存储大量数据，为导航接收机节省了大量的存储资源。
本发明利用码并行相干模块将本地补零块与2毫秒数据块进行频域复乘，实现码并行相干，其包括：本地补零块，通过将本地伪码进行补零，使其长度与2毫秒数据块长度一致，在捕获开始时，本地补零块会被送入FFT模块；FFT模块，用于将2毫秒的零多普勒数据和本地补零块进行傅里叶变换，其中本地补零块经过傅里叶变换后取共轭并送入至存储模块，2毫秒的零多普勒数据经过傅里叶变换后送入复乘模块；存储模块，用于存储本本地补零块的FFT共轭值，以备后续复乘时使用；复乘模块，用于将2毫秒数据块的傅里叶变换值和本地补零块的傅里叶变换共轭值进行复乘，用频域相乘代替时域卷积，采用补零块与2毫秒数据块相干可以避免NH码跳变和导航数据跳变对相干积分的影响，得到完整的1毫秒频域相干值，并将频域相干值送入至IFFT模块。
IFFT模块，用于将复乘结果进行逆傅里叶变换，将相干结果从频域转换到时域，准换后的时域相干值送入码间差分模块。
本发明利用逐级相干模块与逐级非相干模块将码间差分模块得到的数据进行逐次相干与逐次非相干，其中逐次相干次数为N，逐次非相干次数为M。经过逐次相干与逐次非相干，可获得不同捕获时长的相干值，通过峰值判决可实现不同强度信号的捕获。
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
卫星导航接收机通常通过可编程逻辑门阵列(FPGA)搭配DSP或者ASIC搭配DSP来实现卫星信号的接收，在本发明中，卫星导航接收机采用可编程逻辑门阵列(FPGA)搭配DSP来实现卫星信号的捕获。其具体实施方案如下：
导航接收机首先通过天线接收卫星发射的导航信号，随后经过射频电路对信号进行放大、滤波、下变频的处理，使信号变为中频信号。随后通过模数转换器将中频信号转化数字信号，并通过基带信号处理获得卫星信息。
卫星基带信号处理主要包括卫星信号的捕获、跟踪和结算，本发明主要针对基带信号处理中卫星信号的捕获，首先中频板上的可编程逻辑门阵列收到来自DSP的捕获启动信号时将模数转换器传送过来的数字信号和本地载波进行混频，去除信号中的中频载波，得到零中频信号。随后将零中频信号进行码片合并，得到码速率为4.096MHz的半码数据，并将半码数据进行存储。存储模块可存储3毫秒数据，在数据存储的过程中，通过控制数据的读取，将半码数据以2毫秒交叠块的形式读取出来。并将数据块与本地多普勒频率进行混频，去除数据中的多普勒频率。随后将数据块和本地补零块转换至频域复乘，并将复乘数据转换至时域，得到码并行相干值。
由于D1导航电文中含有NH码，同时由于D2导航电文速率过快，导航数据跳变过度，导致此时获得的相干值只是1毫秒数据的相干值。此时通过码间差分算法对不同码相位的相干值进行处理，避免NH码跳变和导航数据跳变的影响，随后对其进行多普勒补偿并进行相干处理，提升数据的信噪比。当相干时长达到一定时间后对其进行非相干积分，提升捕获灵敏度。同时峰值判决模块会对不同码相位的1毫秒相干值、码间差分后的相干值以及非相干累积值进行实时判断，判断是否捕获到卫星信号。当捕获结束时，捕获模块会将当前捕获的多普勒频率、码相位等信息传送至跟踪模块，倘若当前卫星捕获完成之后，DSP会通过改变卫星号来控制捕获模块搜索下一颗卫星。
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
首先通过卫星信号采集卡采集卫星模拟器发出的北斗信号，并对采集的数据进行仿真，在强度为-145dBm的情况下北斗3号卫星的捕获结果如图5所示。此时能够清晰的分辨出捕获算法对D2导航数据在弱信号下的捕获结果。
在强度为-146dBm的情况下对北斗24号卫星的进行捕获，捕获结果如图6所示。根据仿真结果可知，本发明同时对北斗D1、D2导航电文的弱信号有着较高的捕获灵敏度，解决了传统导航接收机对D2导航数据捕获灵敏度严重不足的问题。
随后通过导航接收机对卫星模拟器发出的信号进行实时捕获，捕获结果如图7所示，该图所示的是在信号强度为-143dBm的情况下北斗卫星捕获的码相位结果，从图中可以清晰看出准确的码相位相干值高于其他码相位相干值。
本发明较传统导航接收机有着极少的资源消耗，同时对于北斗信号有着较高的捕获灵敏度，
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，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种码间差分与补零块的北斗弱信号捕获系统，其特征在于，所述码间差分与补零块的北斗弱信号捕获系统包括：
数字下变频模块，用于将基带数据进行数字下变频，去除数据中的残余载波，获得零中频数据，并将数据传送至码合并模块；
码合并模块，用于将零中频数据进行累加合并，获得半码数据后将数据传输至数据块拼接模块；
数据块拼接模块，用于将码片数据进行存储并交叠组合，组成2毫秒数据块，并将数据块传输至多普勒剥离模块；
多普勒剥离模块，用于将2毫秒数据块中的多普勒频率进行剥离，获得零多普勒数据，随后将数据送入码并行相干模块进行FFT处理；
本地补零模块，用于将本地伪码经过补零，得到长度与2毫秒数据块长度一样的补零块，并将本地补零模块送入FFT核进行傅里叶变换；
码并行相干模块，用于利用FFT和IFFT将2毫秒数据块和本地补零块进行相干，获得不同码相位的相干值，并将前4096个相干数据送入至码间差分模块；
码间差分模块，用于将不同码相位的相干值进行差分，差分采用码间差分法避免D1导航电文中NH码跳变、D2导航电文速率过快以及导航数据跳变对捕获灵敏度的影响，随后将差分数据送入多普勒补偿模块；
多普勒补偿模块，用于补偿因多普勒效应在相干时长内产生的码相位偏移，经过相位修正的数据送入逐级相干模块与逐级非相干模块；
逐级相干模块与逐级非相干模块，用于将多普勒补偿模块所得的结果进行N次逐级相干，得到不同信噪比的相干值；随后对相干累积值取模后再进行M次逐级非相干，将不同相干次数的结果送入峰值判决模块；
峰值判决模块，用于将不同相干次数的码相位相干值进行峰值检测，判断是否捕获到卫星信号，并根据判决结果选择进行下一步操作；
普勒搜索完成判断模块，当峰值判决模块判决到未成功捕获卫星信号时，判断多普勒频率是否搜索完成；如果搜索完成则结束捕获程序，如果未搜索完成则进入多普勒调控模块并进行下一轮捕获，直至多普勒搜索完成或者捕获到当前卫星信号；
多普勒调控模块，用于调控当前所要搜索的多普勒频率并传输至多普勒剥离模块；
结果输出模块，用于根据峰值判决模块和多普勒搜索完成判断模块的处理结果，将捕获得到的多普勒信息、卫星号和码相位传送至跟踪模块。
2.如权利要求1所述的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获系统，其特征在于，所述码并行相干模块还用于将本地补零块与2毫秒数据块进行频域复乘，实现码并行相干，包括：
本地补零块，用于通过将本地伪码进行补零，使长度与2毫秒数据块长度一致，在捕获开始时，本地补零块被送入FFT单元；
FFT单元，用于将2毫秒的零多普勒数据和本地补零块进行傅里叶变换，其中本地补零块经过傅里叶变换后取共轭并送入至存储单元，2毫秒的零多普勒数据经过傅里叶变换后送入复乘单元；
存储单元，用于存储本本地补零块的FFT共轭值，以备后续复乘时使用；
复乘单元，用于将2毫秒数据块的傅里叶变换值和本地补零块的傅里叶变换共轭值进行复乘，用频域相乘代替时域卷积，采用补零块与2毫秒数据块相干避免NH码跳变和导航数据跳变对相干积分的影响，得到完整的1毫秒频域相干值，并将频域相干值送入至IFFT单元；
IFFT单元，用于将复乘结果进行逆傅里叶变换，将相干结果从频域转换到时域，准换后的时域相干值送入码间差分模块。
3.一种应用如权利要求1～2任意一项所述的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获系统的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法，其特征在于，所述码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法包括以下步骤：
步骤一，通过数字下变频模块将基带数据残余载波信号进行去除，获到零中频数据；利用码合并模块将零中频数据合并为半码数据，并利用2毫秒数据拼接模块将半码数据存储并交叠组成2毫秒数据块；
步骤二，利用多普勒剥离模块将2毫秒数据块中的多普勒频率进行剥离，并送往码并行相干模块与本地补零块进行滑动相干，得到不同码相位的相干值；
步骤三，利用相干值经过码间差分处理避免NH码跳变以及导航数据跳变的影响，并通过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；
步骤四，通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。
4.如权利要求3所述的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法，其特征在于，所述码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法还包括：
利用多普勒补偿模块补偿因多普勒效应在相干时长内产生的码相位偏移；
当峰值判决模块判决到未成功捕获卫星信号时，判断多普勒频率是否搜索完成，如果搜索完成将结束捕获程序，如果未搜索完成将进入多普勒调控模块并进行下一轮捕获，直至多普勒搜索完成或者捕获到当前卫星信号；
利用多普勒调控模块调控当前所要搜索的多普勒频率并传输至多普勒剥离模块；利用结果输出模块根据峰值判决模块和多普勒搜索完成判断模块的处理结果，将捕获得到的多普勒信息、卫星号和码相位传送至跟踪模块。
5.如权利要求3所述的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法，其特征在于，所述数据块拼接模块是将码片数据进行存储并组成为2毫秒数据块，在数据存储时以1毫秒数据为单位，将两个相邻的1毫秒数据块合并组成2毫秒数据块；在组成2毫秒数据时，中间的每个1毫秒数据块被交叠使用两次。
6.如权利要求3所述的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法，其特征在于，所述码间差分模块将码并行相干模块得到前4096个相干值进行码间差分，由于补零块与2毫秒数据相干后得到8192个码相位相干值，而码并行搜索时码相位仅出现在前4096个位置，故在进行码间差分时只截取前4096个相干值进行差分；差分方式采用码间差分法，将相邻码相位的相干值进行差分，得到4095个差分结果，并将最后一个码相位相干值与第一个码相位相干值进行差分，共得到4096个差分结果。
7.如权利要求3所述的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获方法，其特征在于，所述逐级相干模块与逐级非相干模块将码间差分模块得到的数据进行逐次相干与逐次非相干，其中逐次相干次数为N，逐次非相干次数为M；经过逐次相干与逐次非相干，获得不同捕获时长的相干值，通过峰值判决实现不同强度信号的捕获。
8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过数字下变频模块将基带数据残余载波信号进行去除，获到零中频数据；利用码合并模块将零中频数据合并为半码数据，并利用2毫秒数据拼接模块将半码数据存储并交叠组成2毫秒数据块；利用多普勒剥离模块将2毫秒数据块中的多普勒频率进行剥离，并送往码并行相干模块与本地补零块进行滑动相干，得到不同码相位的相干值；
利用相干值经过码间差分处理避免NH码跳变以及导航数据跳变的影响，并通过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
通过数字下变频模块将基带数据残余载波信号进行去除，获到零中频数据；利用码合并模块将零中频数据合并为半码数据，并利用2毫秒数据拼接模块将半码数据存储并交叠组成2毫秒数据块；利用多普勒剥离模块将2毫秒数据块中的多普勒频率进行剥离，并送往码并行相干模块与本地补零块进行滑动相干，得到不同码相位的相干值；
利用相干值经过码间差分处理避免NH码跳变以及导航数据跳变的影响，并通过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。
10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1～2任意一项所述的码间差分与补零块的北斗弱信号捕获系统。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN115603800A (zh) * 2022-12-14 2023-01-13 成都川美新技术股份有限公司（Cn） 一种基于多维特征发现与识别卫星弱信号的方法

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