CN115980798A - 一种快速无模糊信号捕获算法 - Google Patents

一种快速无模糊信号捕获算法 Download PDF

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CN115980798A CN202211426501.7A CN202211426501A CN115980798A CN 115980798 A CN115980798 A CN 115980798A CN 202211426501 A CN202211426501 A CN 202211426501A CN 115980798 A CN115980798 A CN 115980798A
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张迎春
周华东
宋皓文
王战
张志扬
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Abstract

本发明公开了一种快速无模糊信号捕获算法，属于卫星导航信号接收领域，包括以下步骤：S1：设置接收信号；S2：将信号z、z’与BOC调制信号分别进行相关运算得到Rb1、Rb2；S3：采用测距码序列与序列x，y分别进行乘积，根据调制阶数分别运算生成信号z2、z2’、z3、z3’。本算法作用于信号的导频分量，明显提高了主峰峰值，消除了副峰，提升了无模糊捕获性能，能准确快速地捕获北斗B1C信号；对于BOC调制的信号，自相关函数的波形主峰两侧有较明显的副峰，且主峰与两侧的副峰在峰宽上基本一致，副峰峰值归一化后接近0.6，而伪相关函数的波形则没有副峰，主峰峰宽小且峰值大，其主峰峰值归一化后接近1.4，明显更适合信号捕获，更利于稳定的跟踪信号。

Description

一种快速无模糊信号捕获算法
技术领域
本发明涉及卫星导航信号接收领域，更具体地说，涉及一种快速无模糊信号捕获算法。
背景技术
卫星信号的捕获是接收机信号处理的首要步骤，是进行信号跟踪的前提，具有较大的研究意义。对于全球卫星导航系统的信号捕获已经拥有了较为经典的方法，比如部分抽取串行捕获、平均相关串行捕获等时域方法，以及差分相干捕获、非相干累加捕获等频域方法。
串行捕获算法作用于数字中频信号及载波，将二者取混频运算，然后与C/A码进行相关运算并进行门限判决，其通过二维搜索码相位及多普勒频移，具有较好的硬件适配性，但其运算量较大，往往需要较长的捕获时间。部分抽取串行捕获相较于普通串行捕获能够减少一定的运算量，其主要思想是在丢失的码相不影响一个周期的数据信息完整性的前提下，尽可能的减少累加及乘积的运算次数，从而提升捕获速度。平均相关串行捕获的核心是降低采样信号的点数，根据具体情况将多个采样点组合成一个，从而减少运算量。
相干积分捕获是一种信号有相位信息的捕获方法，其通过累加的方式提升信噪比，信号混频后滤除载波，并累加去除伪随机信号，但不能多次累加。差分相干捕获的原理是对相干积分的前后两次运算结果取共轭乘积运算，从而有效消除噪声的平方项，使得数据位跳变的问题得以克服，也避免了相干积分的数据翻转现象，不过信噪比增益指标不及相干积分捕获方法。非相干积分捕获算法是将相干积分求模并平方，然后累加，使得幅度信息保留，相位信息消除，但出现了噪声的平方项。
因此，综上所述，传统的卫星信号捕获算法对于北斗B1C信号的捕获效果不佳，尤其是B1C信号所采用的BOC调制方式会导致副峰的存在，因此基于伪相关函数算法及其改进的算法具有了一定的应用价值。
为此，提出一种快速无模糊信号捕获算法。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种快速无模糊信号捕获算法，可以实现。
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种快速无模糊信号捕获算法，包括以下步骤：
S1：设置接收信号：
北斗B1C信号载波频率为1575.42MHz，带宽32.736MHz，按照功率归一化的复包络形式，B1C信号可以描述为：
sB1C(t)＝sB1C_data(t)+jsB1C_pilot(t)
式中，实部为数据分量，虚部为导频分量；
对于类BOC信号，采用测距码序列与序列x，y分别进行乘积，根据调制阶数分别运算生成信号z、z’；
x＝[x0,x1,...,xn]
式中x0为1，其余为0，n为调制阶；
y＝[y0,y1,...,yn]
式中yn为-1，其余为0，n为调制阶数；
Figure BDA0003942543440000021
Figure BDA0003942543440000022
式中，τ为相位延时，p(τ)为测距码序列；
S2：将信号z、z’与BOC调制信号分别进行相关运算得到Rb1、Rb2；
根据伪相关函数法，可以得到BOC(1,1)信号的伪相关函数表达式如下：
RB＝|Rb1|+|Rb2|-|Rb1+Rb2|
S3：采用测距码序列与序列x，y分别进行乘积，根据调制阶数分别运算生成信号z2、z2’、z3、z3’：
将此与BOC调制信号分别进行相关运算得到Rq1、Rq2、Rq3、Rq4，此时，QMBOC(6,1,4/33)信号的伪相关函数表示为：
RQ＝|Rq1|+|Rq2|+|Rq3|+|Rq4|-|Rq1+Rq2|-|Rq3+Rq4|；
QMBOC(6,1,4/33)信号的伪相关函数式中所示使用绝对幅值运算可以更改过零点一侧线的方向，使用矩阵元素平方根运算可以平滑主峰，此时伪相关函数表达式如下：
Figure BDA0003942543440000031
捕获结果R为：
R＝RQ+RQ’
即两者的叠加，叠加后的峰值增大，且主峰平滑；
北斗B1C信号的导频分量使用的是QMBOC调制方式，此时，可以将QMBOC(6,1,4/33)调制的信号进行分解，并且按照特定的功率，变成BOC(1,1)信号与BOC(6,1)信号的叠加，且BOC(1,1)信号的功率是BOC(6,1)信号功率的
Figure BDA0003942543440000032
倍。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明提供一种改进伪相关函数的信号快速捕获算法，算法作用于信号的导频分量，明显提高了主峰峰值，消除了副峰，提升了无模糊捕获性能，能准确快速地捕获北斗B1C信号；
对于BOC调制的信号，自相关函数的波形主峰两侧有较明显的副峰，且主峰与两侧的副峰在峰宽上基本一致，副峰峰值归一化后接近0.6，而伪相关函数的波形则几乎没有副峰，主峰峰宽小且峰值大，其主峰峰值归一化后接近1.4，明显更适合信号捕获，更利于稳定的跟踪信号；
对于QMBOC调制的信号，自相关函数的波形主峰不平滑，存在弯折，且主峰两侧有较明显的副峰，副峰峰值归一化后接近0.5，而伪相关函数的波形则没有副峰，主峰峰宽小且峰值大，其主峰峰值归一化后接近1.8，明显更适合信号捕获，信号跟踪结果也会更稳定。
附图说明
图1为本发明Rb1及Rb2的归一化值折线示意图；
图2为本发明B1C信号自相关函数及伪相关函数的归一化值折线示意图；
图3为本发明类BOC信号自相关函数及伪相关函数的归一化值折线示意图；
图4为本发明Rq1、Rq2、Rq3、Rq4归一化值折线示意图；
图5为本发明RQ、RQ’归一化值折线示意图；
图6为本发明的改进算法与传统算法的比较折线示意图。
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。
实施例1：
请参阅图1至图6，一种快速无模糊信号捕获算法，提出了北斗B1C信号载波频率为1575.42MHz，带宽32.736MHz，按照功率归一化的复包络形式，B1C信号可以描述为：
sB1C(t)＝sB1C_data(t)+jsB1C_pilot(t)
式中，实部为数据分量，虚部为导频分量。
对于类BOC信号，采用测距码序列与序列x，y分别进行乘积，根据调制阶数分别运算生成信号z、z’。
x＝[x0,x1,...,xn]
式中x0为1，其余为0，n为调制阶数。
y＝[y0,y1,...,yn]
式中yn为-1，其余为0，n为调制阶数。
Figure BDA0003942543440000051
Figure BDA0003942543440000052
式中，τ为相位延时，p(τ)为测距码序列。
伪相关函数法作用于产生在本地的两个特定的信号，并将此分别与基带信号互相关，其结果具有无模糊性。伪相关函数虽然在信号捕获及跟踪的无模糊性指标上具备一定的优势，但其需要进行数个互相关运算，然后再进行非相干运算，这就导致了在多径信号上的效果不佳。
伪相关函数法只适用于BOC调制信号的捕获，对于类BOC信号，采用测距码序列与序列x，y分别进行乘积运算，根据调制阶数分别生成信号z1、z1’，将此与BOC调制信号分别进行相关运算得到Rb1、Rb2，根据伪相关函数法，可以得到BOC(1,1)信号的伪相关函数表达式如下：
RB＝|Rb1|+|Rb2|-|Rb1+Rb2|
北斗B1C信号的导频分量使用的是QMBOC调制方式，此时，可以将QMBOC(6,1,4/33)调制的信号进行分解，并且按照特定的功率，变成BOC(1,1)信号与BOC(6,1)信号的叠加，且BOC(1,1)信号的功率是BOC(6,1)信号功率的
Figure BDA0003942543440000053
倍。
采用测距码序列与序列x，y分别进行乘积，根据调制阶数分别运算生成信号z2、z2’、z3、z3’，将此与BOC调制信号分别进行相关运算得到Rq1、Rq2、Rq3、Rq4，此时，QMBOC(6,1,4/33)信号的伪相关函数表示为：
RQ＝|Rq1|+|Rq2|+|Rq3|+|Rq4|-|Rq1+Rq2|-|Rq3+Rq4|
式中所示使用绝对幅值运算可以更改过零点一侧线的方向，使用矩阵元素平方根运算可以平滑主峰，此时伪相关函数表达式如下：
Figure BDA0003942543440000061
捕获结果R为：
R＝RQ+RQ’
即两者的叠加，叠加后的峰值增大，且主峰平滑。
MATLAB仿真实验参数进行了如下设置：采样频率fs为36×1.023×106Hz，数据分量子载波速率fB为1.023×106bps，导频分量子载波速率fQ为6×1.023×106bps，主码码速率Rc为1.023×106bps，中频频率为24.58×106Hz，多普勒频移为1240Hz。
实验中的接收信号由PRN为2的扩频码序列调制产生，并将Weil码变换成极性码，0表示高电平‘+1’，1表示低电平‘-1’，将-25dB的高斯白噪声添加到信号中，以此模拟产生接收信号，模拟产生步骤如下：
定义S1如下：
S1＝sign[sin(2πfBt)]
式中，fB为数据分量子载波速率。
数据分量的副载波Bp为
Bp＝Cr.*S1
式中，Cr为经采样后的扩频码。
现有序列xa、ya，定义如下：
xa＝[1,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,0]
ya＝[0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1]
将测距码序列p(τ)与序列xa，ya分别进行乘积运算，根据调制阶数分别生成信号z1、z1’，MATLAB矩阵运算如下：
z1＝xa(I).*p(τ)
z1'＝ya(I).*p(τ)
其中，I由下式定义：
Figure BDA0003942543440000071
式中，
Figure BDA0003942543440000078
表示向下取整，Rc为主码码速率。
将此与BOC调制信号分别进行相关运算得到Rb1、Rb2，对序列进行归一化，使零滞后时的自相关系数等于1.0。
Figure BDA0003942543440000072
Figure BDA0003942543440000073
定义S2如下：
S2＝sign[sin(2πfQt)]
式中，fQ为导频分量子载波速率。
导频分量的副载波Qp为
Figure BDA0003942543440000074
式中，Cr为经采样后的扩频码。
现有序列xb、xc、yb、yc，定义如下：
Figure BDA0003942543440000075
Figure BDA0003942543440000076
Figure BDA0003942543440000077
Figure BDA0003942543440000081
采用测距码序列p(τ)与序列xb、xc、yb、yc分别进行乘积，根据调制阶数分别运算生成信号z2、z2’、z3、z3’：
z2＝xb(I).*p(τ)
z3＝xc(I).*p(τ)
z2'＝yb(I).*p(τ)
z3'＝yc(I).*p(τ)
将此与BOC调制信号分别进行相关运算得到Rq1、Rq2、Rq3、Rq4，对序列进行归一化，使零滞后时的自相关系数等于1.0：
Figure BDA0003942543440000082
Figure BDA0003942543440000083
Figure BDA0003942543440000084
Figure BDA0003942543440000085
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；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，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种快速无模糊信号捕获算法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1：设置接收信号：
北斗B1C信号载波频率为1575.42MHz，带宽32.736MHz，按照功率归一化的复包络形式，B1C信号可以描述为：
sB1C(t)＝sB1C_data(t)+jsB1C_pilot(t)
式中，实部为数据分量，虚部为导频分量；
对于类BOC信号，采用测距码序列与序列x，y分别进行乘积，根据调制阶数分别运算生成信号z、z’；
x＝[x0,x1,...,xn]
式中x0为1，其余为0，n为调制阶；
y＝[y0,y1,...,yn]
式中yn为-1，其余为0，n为调制阶数；
Figure FDA0003942543430000011
Figure FDA0003942543430000012
式中，τ为相位延时，p(τ)为测距码序列；
S2：将信号z、z’与BOC调制信号分别进行相关运算得到Rb1、Rb2；
根据伪相关函数法，可以得到BOC(1,1)信号的伪相关函数表达式如下：
RB＝|Rb1|+|Rb2|-|Rb1+Rb2|
S3：采用测距码序列与序列x，y分别进行乘积，根据调制阶数分别运算生成信号z2、z2’、z3、z3’：
将此与BOC调制信号分别进行相关运算得到Rq1、Rq2、Rq3、Rq4，此时，QMBOC(6,1,4/33)信号的伪相关函数表示为：
RQ＝|Rq1|+|Rq2|+|Rq3|+|Rq4|-|Rq1+Rq2|-|Rq3+Rq4|。
2.根据权利要求1所述的一种快速无模糊信号捕获算法，其特征在于：QMBOC(6,1,4/33)信号的伪相关函数式中所示使用绝对幅值运算可以更改过零点一侧线的方向，使用矩阵元素平方根运算可以平滑主峰，此时伪相关函数表达式如下：
Figure FDA0003942543430000021
捕获结果R为：
R＝RQ+RQ’
即两者的叠加，叠加后的峰值增大，且主峰平滑。
3.根据权利要求1所述的一种快速无模糊信号捕获算法，其特征在于：北斗B1C信号的导频分量使用的是QMBOC调制方式，此时，可以将QMBOC(6,1,4/33)调制的信号进行分解，并且按照特定的功率，变成BOC(1,1)信号与BOC(6,1)信号的叠加，且BOC(1,1)信号的功率是BOC(6,1)信号功率的
Figure FDA0003942543430000022
倍。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116338740A (zh) * 2023-05-30 2023-06-27 中国民航大学 一种基于pcf重构的北斗b1c信号无模糊捕获计算方法
CN117270002A (zh) * 2023-11-23 2023-12-22 中国民航大学 一种新体制北斗信号无模糊度快速捕获方法、系统及设备

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