CN103091687B - 北斗接收机多卫星信号联合捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,所述方法将北斗接收机中输入的B1频点中频信号及其延迟信号进行相乘运算,再与多卫星奇偶两路延迟组合测距伪码序列进行相关运算及相关峰值检测,最后利用单颗可见星对应码相位及载波频率判别方法,获得多星搜索结果中单颗可见星码相位及载波频率值,为北斗接收机的信号跟踪模块提供初始参数。所述方法提供了对多颗卫星信号进行并行搜索与捕获的功能;输入信号及延迟信号长度选择可以不再受导航电文数据比特跳变的影响;提高了接收机对卫星信号的捕获处理效率。
Description
技术领域
本发明属于属于卫星导航及信号处理技术领域,具体指的是北斗接收机多卫星信号联合捕获方法。
背景技术
北斗接收机捕获技术实现对可见卫星的搜索与确定,为后续的跟踪模块提供初始码相位及载波频率值。
随着我国北斗卫星导航***(BeiDou Navigation Satellite System)的部署与建设,北斗导航接收机可实现全球范围内全天时、全天候的连续导航,从而成为导航领域近年来以及未来相当长一段时期内应用的主要手段和途径。
目前的卫星捕获方法每次仅可对单颗卫星信号进行搜索及捕获处理,在可见星较少的情况下,传统捕获方法对可见卫星的捕获效率较低,尤其是首颗可见卫星。亟需一项新技术以实现对多颗卫星并行搜索的联合捕获功能,提高对多颗可见星的搜索与捕获速率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,针对目前传统捕获方法对可见卫星捕获效率较低的问题,提出北斗接收机多卫星信号联合捕获方法。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:
北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,所述方法通过将北斗接收机中输入的B1频点中频信号及其延迟信号进行相乘运算;再与多卫星奇偶两路延迟组合测距伪码序列进行相关运算及相关峰值检测,实现北斗接收机对多颗卫星的并行搜索;最后利用单颗可见星对应码相位及载波频率判别方法,获得多星搜索结果中的单颗可见星码相位及载波频率值,为北斗接收机的信号跟踪模块提供初始参数;该方法的具体步骤如下:
(1)北斗接收机将天线接收到的B1频点北斗卫星信号经射频前端处理后变成数字中频信号,为接收机提供输入信号来源;
(2)利用北斗B1频点测距码发生器分别生成1~37颗卫星对应的单周期复制测距伪码序列,称该伪码序列为复制伪码,通过极性转换将复制伪码由单极性码变为双极性码,将转换后的37个复制伪码序列进行本地存储,以便信号捕获处理时直接读取使用;
(3)信号捕获操作,根据采样频率确定单个码周期1ms时间内的采样点数,分别取整倍码周期时间长度(区间为[1,20]ms)的输入信号S1及延迟信号S2,延迟时间长度L或采样点数m利用采样频率及中频频率计算获得,将等序列的输入信号与延迟信号进行相乘,获得混频信号Smix;
(4)读取存储的1~37号卫星复制伪码序列,分别将37个复制伪码序列按奇偶位分为两路并行复制伪码,然后根据采样频率对并行复制伪码进行码片扩展,每颗星均得到奇偶两路扩展并行复制伪码序列CA和CB;
(5)将连续2~4颗卫星的扩展并行复制伪码序列和分别进行相加组合,生成奇偶两路新组合测距码CAcom和CBcom,将两路新组合测距码分别进行与输入信号同延迟时间长度L或采样点数m的延迟变换,再对新组合测距码及其延迟组合测距码进行相乘运算,获得与混频信号中相似的奇偶两路延迟组合测距码CA_dcom和CB_dcom;和为利用北斗B1频点测距码发生器生成的第j颗卫星的奇偶两路扩展并行复制伪码,j为正整数;
(6)将步骤3中获得的混频信号Smix与步骤5中获得的延迟组合测距码CA_dcom和CB_dcom分别进行相关运算,通过将两种信号的时域相关运算转换到频域下的相乘运算来完成相关运算处理,具体方法为利用快速傅里叶变换FFT分别对混频信号及延迟组合测距码进行频域信号转换,再将频域下的延迟组合测距码复数进行共轭转换,然后将频域下的混频信号与共轭转换后的延迟组合测距码相乘,完成两者的相关运算,最后利用反傅里叶变换IFFT方法将频域相关结果转为时域相关结果;
(7)分别对步骤5中生成的奇偶两路延迟组合测距码进行步骤6处理,然后再对奇偶两路的时域相关结果进行峰值检测,如检测到相关峰值,则对两路结果对应峰值的判定参数进行计算,若判定参数均大于设定门限值,则进一步利用两路结果的峰值位置进行验证,若峰值位置差异不超过5个采样点,则判定捕获到可见星,而相关峰值数目对应可见星数,记录峰值处对应的横轴位置即为可见星的码相位值;
(8)如果本次多星联合捕获结果中检测到可见星,则需确定单颗可见星对应码相位及载波频率值,具体判别方法是:读取指定长度(5ms或10ms)的输入信号S3,利用组合测距码中使用过的卫星号生成与输入信号S3同长度的单颗卫星测距伪码奇路序列,利用记录的码相位值调整该星测距伪码相位,并与输入信号S3相乘进行伪码解扩,对解扩后的信号进行FFT操作,采用与步骤7同样的方法,计算峰值判定参数结果,如大于设定载波峰值阈值,则判别该颗星可见,并获得对应的码相位及载波频率值,如小于设定载波峰值阈值,则利用记录的其他码相位及组合卫星号重复以上处理过程;依次确定记录码相位值对应的可见星号后,继续对下一组多星组合测距码进行判别。
其中,步骤(3)所述的延迟时间长度L,或采样点数m利用采样频率及中频频率计算,L单位为秒,方法如下:
其中,fIF为接收机输入的中频信号频率,fs为接收机信号采样频率,int(·)为对括号内的数值进行四舍五入取整操作,N为正整数;通过以上方法设置m取值,使得延迟长度接近为输入载波的整数倍。
其中,步骤(5)所述的组合测距码生成方法如下:
其中,Sv为组合的卫星数目,其中,Sv为组合的卫星数目,由接收卫星的信号强度来决定,当信号载噪比大于40dB-Hz时,组合卫星数设为3颗或4颗;而信号载噪比小于40dB-Hz时,则设定组合卫星数目为2颗。
其中,步骤(7)所述的对奇偶两路的时域相关结果进行峰值检测,检测方法为对奇偶两路的时域相关结果进行幅值计算,判定两路幅值中有无超过一定阈值的峰值,此阈值根据试验经验值设定,如检测到一个峰值,则需跳过指定的采样点数(为20个)再进行下一个峰值的检测,最后对两路结果计算相应峰值的判定参数PAi和PBi,计算方法如下:
其中,和分别为奇偶两路对应第i个峰值的相关幅值,i为正整数;PAavg和PBavg分别为奇偶两路除峰值左右各20个采样点以外的噪声对应相关幅值的平均值,而检测到的峰值数目则表明了该组包含的可见星数量。
本发明的有益效果是:本发明提出了北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,所述方法将北斗接收机中输入的B1频点中频信号及其延迟信号进行相乘运算,再与多卫星奇偶两路延迟组合测距伪码序列进行相关运算及相关峰值检测,最后利用单颗可见星对应码相位及载波频率判别方法,获得多星搜索结果中单颗可见星码相位及载波频率值,为北斗接收机的信号跟踪模块提供初始参数。所述方法提供了对多颗卫星信号进行并行搜索与捕获的功能;输入信号及延迟信号长度选择可以不再受导航电文数据比特跳变的影响;提高了接收机对卫星信号的捕获处理效率。
附图说明
图1是本发明北斗接收机多卫星信号联合捕获方法流程图;
图2是本发明的多星组合测距伪码生成方法流程图;
图3是本发明的单颗可见星对应码相位及载波频率判别方法流程图;
图4是本发明多卫星信号联合捕获实验奇路码相位检测结果图;
图5是本发明多卫星信号联合捕获实验偶路码相位检测结果图;
图6是本发明多卫星信号联合捕获实验单颗可见星奇路码相位检测结果放大图;
图7是本发明多卫星信号联合捕获实验单颗可见星偶路码相位检测结果放大图;
图8是本发明多卫星信号联合捕获实验单颗可见星载波频率检测结果图。
具体实施方式
下面结合附图,对本发明提出的北斗接收机多卫星信号联合捕获方法进行详细说明:
北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,本方法流程如图1所示。本发明的原理是:通过将北斗接收机中输入的B1频点中频信号及其延迟信号进行相乘运算,再与设计的多卫星奇偶两路延迟组合测距伪码序列进行相关运算及相关峰值检测,最后利用设计的单颗可见星对应码相位及载波频率判别方法,获得多星搜索结果中的单颗可见星码相位及载波频率值,实现北斗接收机对多颗卫星的并行搜索及单颗可见星码相位及载波频率的捕获判别功能;北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,具体实施方法如下:
(1)利用北斗接收机FPGA开发板将天线接收到的B1频点北斗卫星信号经射频前端处理后变成数字中频信号,为接收机提供输入信号来源;
(2)利用北斗B1频点测距码发生器分别生成1~37颗卫星对应的单周期复制测距伪码序列(简称复制伪码),通过极性转换将复制伪码由单极性码变为双极性码,将转换后的37个复制伪码序列进行本地存储,以便信号捕获处理时直接读取使用,从而减少北斗接收机捕获过程中生成复制测距伪码所耗时间;
(3)开始接收机中信号捕获操作,根据采样频率确定单个码周期(1ms)时间内的采样点数,分别取整倍码周期时间长度的输入信号S1及延迟信号S2,延迟时间长度L或采样点数m利用采样频率及中频频率计算获得,将等序列的输入信号与延迟信号进行相乘,获得混频信号Smix,延迟时间长度L(单位秒)或采样点数m利用采样频率及中频频率计算,方法如下:
其中,fIF为接收机输入的中频信号频率,fs为接收机信号采样频率,int(·)为对括号内的数值进行四舍五入取整操作,N为由1到任意大的正整数值,通过以上方法设置m取值,使得延迟长度接近为输入载波的整数倍,该步骤中输入信号及延迟信号长度选择可以不再受导航电文数据比特跳变的影响,因为原输入信号中的卫星导航数据比特跳变影响经输入信号与延迟信号相乘(相当于平方运算)后已被基本消除,从而突破了信号捕获处理过程中输入信号长度取值在1~10ms之间的限制,后续相关运算的输入信号长度越长,接收机对弱信号的捕获能力越强,但过长的信号长度也会引入更多的噪声和带来更大的运算量,因此,信号长度一般在1~20ms之间进行选择;
(4)读取存储的1~37号卫星复制测距伪码序列,分别将37个复制伪码序列按奇偶位分为两路并行复制伪码,然后根据采样频率对并行复制伪码进行码片扩展,每颗星均得到奇偶两路扩展并行复制伪码CA和CB,为后续的新组合测距码生成提供复制伪码;
(5)将2~4颗卫星的扩展并行复制伪码序列和分别进行相加组合,生成奇偶两路新组合测距码CAcom和CBcom,将两路新组合测距码分别进行与输入信号同延迟时间长度L或采样点数m的延迟变换,再对新组合测距码及其延迟组合测距码进行相乘运算,获得与混频信号中相似的奇偶两路延迟组合测距码CA_dcom和CB_dcom,奇偶两路新组合测距码生成方法如下:
其中,CAcom和CBcom分别为奇偶两路的新组合测距码,Sv为组合的卫星数目,其中,Sv为组合的卫星数目,由接收卫星的信号强度来决定,当信号载噪比大于40dB-Hz时,组合卫星数设为3颗或4颗;而信号载噪比小于40dB-Hz时,则设定组合卫星数目为2颗;和为利用北斗B1频点测距码发生器生成的第j颗卫星的奇偶两路扩展并行复制伪码;
(6)将步骤2中获得的混频信号Smix与步骤4中获得的延迟组合测距码CA_dcom和CB_dcom分别进行相关运算,通过将两种信号的时域相关运算转换到频域下的相乘运算来完成相关运算处理,具体方法为利用快速傅里叶变换(FFT)分别对混频信号及延迟组合测距码进行频域信号转换,再将频域下的延迟组合测距码复数进行共轭转换,然后将频域下的混频信号与共轭转换后的延迟组合测距码相乘,完成两者的相关运算,最后利用反傅里叶变换(IFFT)方法将频域相关结果转为时域相关结果;
(7)分别对步骤4中生成的奇偶两路延迟组合测距码进行步骤5处理,然后再对奇偶两路的时域相关结果进行峰值检测,检测方法为对奇偶两路的时域相关结果进行幅值计算,判定两路幅值中有无超过一定阈值的峰值,此阈值根据试验经验值设定,如检测到一个峰值,则需跳过一定的采样点数(本发明采用20个采样点)再进行下一个峰值的检测,最后对两路结果计算相应峰值的判定参数PAi和PBi,计算方法如下:
其中,和分别为奇偶两路对应第i个峰值的相关幅值,PAavg和PBavg分别为奇偶两路除峰值区域(峰值左右各20个采样点)以外的噪声对应相关幅值的平均值,而检测到的峰值数目则表明了该组包含的可见星数量,若两路判定参数均大于设定门限值(根据试验经验值设定),则进一步利用两路结果的峰值位置进行验证,若峰值位置差异不超过10个采样点,则判定捕获到可见星,而相关峰值数目对应可见星数,记录峰值处对应的横轴位置(即为可见星的码相位值);
(8)如本次多星组合捕获结果中检测到可见星,则需确定记录码相位值对应的可见星号,具体方法为读取一定长度(如5ms或10ms)的输入信号S3,利用组合测距码中使用过的卫星号生成与输入信号S3同长度的单颗卫星测距伪码奇路序列,利用记录的码相位值调整该星测距伪码相位,并与输入信号S3相乘进行伪码解扩,对解扩后的信号进行FFT操作,利用(7)中方法计算峰值判定参数结果,如大于设定载波峰值阈值,则判别该颗星可见,并获得对应的码相位及载波频率值(峰值处横坐标对应载波频率值),如小于设定阈值,则利用记录的其他码相位及组合卫星号重复以上处理过程,直到确定记录码相位值对应的可见星号后,开始对下一组多星组合测距码进行判别。
本实施例实验仿真过程如下:
北斗接收机FPGA开发板将天线接收到的B1频点北斗卫星信号经射频前端处理后变成数字中频信号(该北斗卫星信号由卫星信号模拟器发射),并对该卫星中频信号进行捕获操作,利用北斗B1频点测距码发生器分别生成1~37颗卫星对应的单周期复制测距伪码序列(简称复制伪码),通过极性转换将复制伪码由单极性码变为双极性码,将转换后的37个复制伪码序列进行本地存储。
然后利用存储的卫星中频信号开始捕获方法实验,首先读取1ms的中频信号数据SIF1,根据采样频率fs=16.367667MHz和中频频率fIF=4.123968MHz计算出可选择的延迟采样点数为4N,读取延迟16(N=4)个采样点的1ms长度中频信号SIF2,将中频信号SIF1及其延迟信号SIF2进行相乘运算,获得混频信号SIF_mix,然后读取存储的1~37号卫星复制测距伪码序列,分别将37个复制伪码序列按奇偶位分为两路并行复制伪码,对并行复制伪码进行码片扩展,按顺序将连续三颗卫星的扩展并行复制伪码序列进行相加组合,生成奇偶两路新组合测距伪码,再将两路新组合测距码分别进行与输入信号相同的16个采样点的延迟变换,再对新组合测距码及其延迟组合测距码进行相乘运算,获得与混频信号中相似的奇偶两路延迟组合测距码,将混频信号SIF_mix与两路延迟组合测距码分别进行相关运算及相关峰值检测,最后利用捕获到的伪码相位进行10ms时间长度信号的伪码解扩,再对解扩信号进行快速傅里叶变换,从而获得精确的载波频率值,实现北斗接收机对多颗卫星的并行搜索、判别及对可见星的码相位及载波频率捕获功能,对基于延迟相关的北斗接收机多卫星信号联合捕获方法进行实验,得出有益的结论,提供捕获方法的相关流程图如图1~3所示,多卫星捕获的实验结果如图4~7所示。
图1是本发明的基于延迟相关北斗接收机多卫星信号联合捕获方法流程图,包括了卫星射频信号处理、中频输入信号获取、输入信号延迟变换、多星组合测距伪码生成方法调用,单颗可见星对应码相位及载波频率判别方法调用等处理;
图2是本发明的多星组合测距伪码生成方法流程图,说明了37个复制伪码序列的存储过程及多星组合测距伪码的生成方法;
图3是本发明的单颗可见星对应码相位及载波频率判别方法流程图,说明了当捕获到可见星时获得单颗可见星对应的码相位及载波频率判别方法;
图4是本发明对应的多卫星信号联合捕获实验的奇路码相位检测结果图,图5是本发明对应的多卫星信号联合捕获实验的偶路码相位检测结果图;通过首次按1~37号卫星顺序捕获后,将已知星号的3颗可见星的扩展并行复制伪码进行组合,生成奇偶两路新组合测距伪码,然后进行多颗卫星信号联合捕获操作,图4、图5表明了基于延迟相关北斗接收机多卫星信号联合捕获方法可有效的对多颗卫星信号进行联合捕获,其奇偶两路的相关峰值结果及对应3颗可见星的码相位值如图4、图5所示。
图6是本发明对应的多卫星信号联合捕获实验单颗可见星奇路码相位检测结果放大图,图7是本发明对应的多卫星信号联合捕获实验单颗可见星偶路码相位检测结果放大图;通过将图4、图5中第一颗可见星的奇偶两路相关峰值及对应横轴码相位值放大,表明单颗可见星对应的奇偶两路捕获码相位结果相同。
图8是本发明对应的多卫星信号联合捕获实验单颗可见星载波频率检测结果图,通过利用图4和图5中第一颗可见星捕获到的伪码相位进行10ms时间长度信号的伪码解扩,再对解扩信号进行快速傅里叶变换,从而得到图8中对应的单颗可见星载波频率检测结果,峰值处即对应该可见星的载波频率。
Claims (7)
1.北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,其特征在于:通过将北斗接收机中输入的B1频点中频信号及其延迟信号进行相乘运算;再与多卫星奇偶两路延迟组合测距伪码序列进行相关运算及相关峰值检测,实现北斗接收机对多颗卫星的并行搜索;最后利用单颗可见星对应码相位及载波频率判别方法,获得多星搜索结果中的单颗可见星码相位及载波频率值,为北斗接收机的信号跟踪模块提供初始参数;该方法的具体步骤如下:
(1)北斗接收机将天线接收到的B1频点北斗卫星信号经射频前端处理后变成数字中频信号,为接收机捕获提供输入信号来源;
(2)利用北斗B1频点测距码发生器分别生成1~37颗卫星对应的单周期复制测距伪码序列,称该伪码序列为复制伪码,通过极性转换将复制伪码由单极性码变为双极性码,将转换后的37个复制伪码序列进行本地存储,以便信号捕获处理时直接读取使用;
(3)开始信号捕获操作,根据采样频率确定单个码周期1ms时间内的采样点数,分别取整倍码周期时间长度的输入信号S1及延迟信号S2,延迟时间长度L或采样点数m利用采样频率及中频频率计算获得,将等序列的输入信号与延迟信号进行相乘,获得混频信号Smix;
(4)读取存储的1~37号卫星复制伪码序列,分别将37个复制伪码序列按奇偶位分为两路并行复制伪码,然后根据采样频率对并行复制伪码进行码片扩展,每颗卫星均得到奇偶两路扩展并行复制伪码序列CA和CB;
(5)将连续2~4颗卫星的扩展并行复制伪码序列和分别进行相加组合,生成奇偶两路新组合测距码CAcom和CBcom,将两路新组合测距码分别进行与输入信号同延迟时间长度L或采样点数m的延迟变换,再对新组合测距码及其延迟组合测距码进行相乘运算,获得与混频信号中相似的奇偶两路延迟组合测距码CA_dcom和CB_dcom;和为利用北斗B1频点测距码发生器生成的第j颗卫星的奇偶两路扩展并行复制伪码,j为正整数;
(6)将步骤3中获得的混频信号Smix与步骤(5)中获得的延迟组合测距码CA_dcom和CB_dcom分别进行相关运算,通过将两种信号的时域相关运算转换到频域下的相乘运算来完成相关运算处理,具体方法为利用快速傅里叶变换FFT分别对混频信号及延迟组合测距码进行频域信号转换,再将频域下的延迟组合测距码复数进行共轭转换,然后将频域下的混频信号与共轭转换后的延迟组合测距码相乘,完成两者的相关运算,最后利用反傅里叶变换IFFT方法将频域相关结果转为时域相关结果;
(7)分别对步骤(5)中生成的奇偶两路延迟组合测距码进行步骤(6)处理,然后再对奇偶两路的时域相关结果进行峰值检测,如检测到相关峰值,则对两路结果对应峰值的判定参数进行计算,若判定参数均大于设定门限值,则进一步利用两路结果的峰值位置进行验证,若峰值位置差异不超过5个采样点,则判定捕获到可见星,而相关峰值数目对应可见星数,记录峰值处对应的横轴位置即为可见星的码相位值;
(8)如果本次多星联合捕获结果中检测到可见星,则需确定单颗可见星对应码相位及载波频率值,具体判别方法是:读取指定长度的输入信号S3,利用组合测距码中使用过的卫星号生成与输入信号S3同长度的单颗卫星测距伪码奇路序列,利用记录的码相位值调整该星测距伪码相位,并与输入信号S3相乘进行伪码解扩,对解扩后的信号进行FFT操作,采用与步骤7同样的方法,计算峰值判定参数结果,如大于设定载波峰值阈值,则判别该颗星可见,并获得对应的码相位及载波频率值,如小于设定载波峰值阈值,则利用记录的其他码相位及组合卫星号重复以上处理过程;依次确定记录码相位值对应的可见星号后,继续对下一组多星组合测距码进行判别。
2.根据权利要求1所述的北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,其特征在于:步骤(3)所述的延迟时间长度L,或采样点数m利用采样频率及中频频率计算,L单位为秒,方法如下:
其中,fIF为接收机输入的中频信号频率,fs为接收机信号采样频率,int(·)为对括号内的数值进行四舍五入取整操作,N为正整数;通过以上方法设置m取值,使得延迟长度接近为输入载波的整数倍。
3.根据权利要求1所述的北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,其特征在于:步骤(3)所述的输入信号及延迟信号长度选择区间为[1,20]ms。
4.根据权利要求1所述的北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,其特征在于:步骤(5)所述的组合测距码生成方法如下:
其中,Sv为组合的卫星数目,由接收卫星的信号强度来决定,当信号载噪比大于40dB-Hz时,组合卫星数设为3颗或4颗;而信号载噪比小于40dB-Hz时,则设定组合卫星数目为2颗。
5.根据权利要求1所述的北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,其特征在于:步骤(7)所述的对奇偶两路的时域相关结果进行峰值检测,检测方法为对奇偶两路的时域相关结果进行幅值计算,判定两路幅值中有无超过一定阈值的峰值,此阈值根据试验经验值设定,如检测到一个峰值,则需跳过指定的采样点数再进行下一个峰值的检测,最后对两路结果计算相应峰值的判定参数PAi和PBi,计算方法如下:
其中,和分别为奇偶两路对应第i个峰值的相关幅值,i为正整数;PAavg和PBavg分别为奇偶两路除峰值左右各20个采样点以外的噪声对应相关幅值的平均值,而检测到的峰值数目则表明了该组包含的可见星数量。
6.根据权利要求1所述的北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,其特征在于:步骤(8)所述的输入信号S3的指定长度为5ms或10ms。
7.根据权利要求5所述的北斗接收机多卫星信号联合捕获方法,其特征在于:所述指定的采样点数为20个。
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