CN104483684A - 一种快速捕获北斗d1卫星导航***弱信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速捕获北斗D1卫星导航***弱信号的方法，包括以下步骤：S1.将通道搜索的卫星PRN号分别置为1-6；S2.对接收信号进行第一次采样；S3.选取NH码构成匹配滤波器对接收信号的再采样数据进行相关累加；S4.将步骤S2中相关累加的结果分为N段，并与本地码逐点相关累加；S5.对步骤S3中相关累加的结果进行M点FFT；S6.计算信噪比，根据信噪比门限检测捕获与否，若未捕获，更换NH码的相位，重复以上S1-S6步骤。本发明能够剥离NH二次编码，实现20ms的相关累加，提高捕获北斗D1卫星导航***弱信号的能力。

Description

一种快速捕获北斗D1卫星导航***弱信号的方法

技术领域

本发明涉及***传输信号的捕获或跟踪，具体涉及一种捕获北斗D1卫星导航***弱信号的快速捕获方法。

背景技术

扩频通信技术在现代通信***中得到了广泛的使用，特别是在卫星导航领域。中国自主研发的北斗卫星导航***(以下简称北斗)，其信号体制和美国的GPS***、欧盟的伽利略***类似。对于北斗***，在高信噪比的场合(如室外开阔环境)，可以比较容易的捕获成功卫星信号，得到码相位和载波频率等信息。但是在弱信号的场合，如室内、城市浓密树荫下的街道等环境，此时卫星信号载噪比往往会低于30dB-Hz甚至20dB-Hz以下，此时需要获取足够大的积分增益，以检测到卫星信号。

图2给出的方法为基于匹配滤波的时间串行频率并行搜索方法，被广泛地应用在卫星导航的快速信号捕获中，但因为卫星信号中调制有50BPS的导航电文，致使只能进行1ms的相关累加，该方法所对应的捕获算法为普通灵敏度捕获算法，为提高捕获灵敏度，核心解决的问题是采用多ms数据的相干累加，为此需要消除数据位的影响，2013年袁火平提出采用多ms的非相干累加进行北斗和GPS信号的弱信号捕获，该算法较好地解决了数据存贮和捕获速度之间的矛盾，但因为只能采用20ms的非相干累加，对灵敏度提高效果不是很明显。

发明内容

本发明的目的是提供一种快速捕获北斗D1卫星导航***弱信号的方法。

本发明的目的是通过这样的技术方案实现的，一种快速捕获北斗D1卫星导航***弱信号的方法，包括以下步骤：

S1.将通道搜索的卫星PRN号分别置为1-6；

S2.对接收信号进行第一次采样；

S3.选取NH码构成匹配滤波器对接收信号的再采样数据进行相关累加；

S4.将步骤S2中相关累加的结果分为n段，并与本地码逐点相关累加；

S5.对步骤S3中相关累加的结果进行m点FFT；

S6.计算信噪比，根据信噪比门限检测捕获与否；

若未捕获，更换NH码的相位，重复以上S1-S6步骤。

进一步，步骤S5中m点FFT的结果为：

$z=\underset{m=0}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{64\mathrm{mk}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left\{{\mathrm{AD}}_{\mathrm{NHi}}{D}_{i}G(i*1\mathrm{ms}+64m+n)e^{j\frac{2\mathrm{\π}{f}_r(i*1\mathrm{ms}+64m+n)T_s}{f_s}}\right\}G(64m+n-a)w_{\mathrm{kn}}$

其中，A表示接收信号幅度，D_NHi表示北斗的NH码，D_i表示导航电文，G(t)表示PRN码，T_s表示采样时间间隔，f_s表示采样频率，τ表示本地码与接收码之间的进间差，w_kn＝exp(-j2πknF/f_s)为FFT中的频率因子，F表示FFT的频率分辨率，f_r为接收卫星信号频率；w_64mk表示对应n＝64m时的w_kn。

由于采用上述技术方案，本发明具有如下的优点：

1、本发明能够剥离NH二次编码，实现20ms的相关累加，提高捕获北斗D1卫星导航***弱信号的能力；(2)本发明可提高捕获灵敏度13dB；

2、该发明不影响正常北斗信号的接收。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1为本发明快速捕获方法的流程图；

图2为普通快捕算法示意图；

图3为GPS高灵敏度快捕算法；

图4为北斗导航电文与扩频码同步调制图；

图5为本发明算法示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。

图1为本发明快速捕获方法的流程图，如图所示，一种快速捕获北斗D1卫星导航***弱信号的方法，包括以下步骤：

S1.将通道搜索的卫星PRN号分别置为1-6；

S2.对接收信号进行第一次采样；

S3.选取NH码构成匹配滤波器对接收信号的再采样数据进行相关累加；

S4.将步骤S2中相关累加的结果分为n段，并与本地码逐点相关累加；

S5.对步骤S3中相关累加的结果进行m点FFT；

S6.计算信噪比，根据信噪比门限检测捕获与否；

若未捕获，更换NH码的相位，重复以上S1-S6步骤。

下面对本发明作具体说明，

图2为普通快捕算法示意图，其过程为：将接收信号与本地码逐点相乘累加，将累加值与门限比较，如果超过门限值则认为捕获到了信号，同时得到了大致的多普勒频偏与码相位值，这就完成了捕获。

记接收信号为： $s\left(t\right)=\mathrm{AD}\left(t\right)G\left(t\right)e^{j{\mathrm{\ω}}_{r}t}+n\left(t\right)$

式中，s(t)为接收信号，A为信号幅度，D(t)为导航电文，G(t)为PRN码，n(t)为接收机的噪声，ω_r为接收信号频率。对接收信号进行再采样，采样频率为2.046MHZ。

设本振频率为ω，本地码与接收码之间的时间差为τ，进行相关累加时，暂不考虑接收机低噪声的影响，相关累加器的输出为：

式中，因e^-jωτ仅仅影响相位，不影响幅值，进行信号捕获勿需考虑。

在上式中，第一次采样频率为2.046MHZ，31点相关累加等效为32点FFT，频率分辨率为2.046M/32＝64K；第二次等效采样率为2.046M/64＝32K，64点FFT的频率分辨率为32K/64＝0.5KHZ，即FFT的频率分辨率为F＝2.046M/64/64＝0.5K，频率f＝kF,记w_kn＝exp(-j2πknF/f_s)，上式可以表示为：

$R(\mathrm{kF},\mathrm{\α}{T}_s)=\underset{m=0}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{64\mathrm{mk}}\underset{n=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AD}\left(t\right)G\left(t\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}{f}_{r}t}{f_s}}G(64m+n-a)w_{\mathrm{kn}}---\left(1\right)$

图3为GPS高灵敏度快捕算法示意图；GPS的数据率为50HZ(20ms)，为提高灵敏度，需要进行多ms相关累加，记t＝(i+64m+n)T_s，i为1ms的整数部分，式(1)可以表示为：

$R(\mathrm{kF},\mathrm{\α}{T}_s,i)=D_i\underset{m=0}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{64\mathrm{mk}}\underset{n=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{AD}\left(t\right)G\left(t\right)e^{j\frac{2\mathrm{\π}{f}_{r}t}{f_s}}G(64m+n-a)w_{\mathrm{kn}}---\left(2\right)$

对i进行相关累加，

$\begin{array}{c}z=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}R(\mathrm{kF},a{T}_s,i)\\ =\underset{m=0}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}{W}_{64\mathrm{mk}}\underset{n=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}\left\{\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{D}_i\mathrm{AG}(i*1\mathrm{ms}+64m+n)e^{j\frac{2\mathrm{\π}{f}_r(i*1\mathrm{ms}+64m+n)T_s}{f_s}}\right\}G(64m+n-a)w_{\mathrm{kn}}\end{array}---\left(3\right)$

因为GPS数据位宽为20ms，以上相邻2个10ms的相关累加必有一路数据位不受影响，为此取算法为：

$Z(p,\mathrm{kF},a{T}_s)=\left|\underset{i=0}{\overset{9}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{i}R(\mathrm{kF},a{T}_s)\right|+\left|\underset{i=10}{\overset{29}{\mathrm{\Σ}}}{D}_{i}R(\mathrm{kF},a{T}_s)\right|---\left(4\right)$

北斗的数据率也是50HZ(20ms)，与GPS不同的是，北斗的导航电文上调制了一个Neumann-Hoffman码(简称NH码)。采用码宽为1ms的20比特NH码(0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0)，码速为1kbps，与导航信息和扩频码进行同步调制如图4所示。

对北斗卫星信号的捕获，同GPS中对C/A码的捕获一样，根据其C/A码良好的自相关性质，对其进行相关运算，当复制码与卫星当中的数据相同时，将会出现峰值。在北斗的高灵敏度算法中，同样采用多ms相关累加来提高其灵敏度，则，上式中的z可表示为：

$\begin{array}{c}z=\underset{i=0}{\overset{19}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{64}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{AD}}_i{G}_i(i*1\mathrm{ms}+64m+n)G_L(i*1\mathrm{ms}+64m+n-\mathrm{\τ})\\ *\exp \left(j\frac{w_r(i*1\mathrm{ms}+64m+n)}{f_s}\right)\exp (-j\frac{w_L(i*1\mathrm{ms}+64m+n-\mathrm{\τ})}{f_s})\\ ={\mathrm{AD}}_i\underset{m=0}{\overset{64}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}\underset{i=0}{\overset{19}{\mathrm{\Σ}}}{G}_i(i*1\mathrm{ms}+64m+n)G_L(i*1\mathrm{ms}+64m+n-\mathrm{\τ})\exp \left(\frac{j(w_r-w_L)(i*1\mathrm{ms}+64m+n)}{f_s}\right)\exp \left(\frac{-j{w}_L\mathrm{\τ}}{f_s}\right)\end{array}---\left(5\right)$

式中，G_L表示本地码，w_r＝2πf_r为接收频率，w_L＝2πf_L为本地复制载波频率，记w_r-w_L＝w_d，取w_d＝10k，在i＝0和i＝10之间，有该结果可以忽略不计，

由GPS可推算出在北斗中，

$z=\underset{m=0}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{64\mathrm{mk}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left\{{\mathrm{AD}}_{\mathrm{NHi}}{D}_{i}G(i*1\mathrm{ms}+64m+n)e^{j\frac{2\mathrm{\π}{f}_r(i*1\mathrm{ms}+64m+n)T_s}{f_s}}\right\}G(64m+n-a)w_{\mathrm{kn}}$

式中，D_NHi表示北斗的NH码，算法实现如图5所示。

本发明引入已知BD的NH码，采用先去数据位，再进行相干累加的方法，不增加FPGA的数据存贮负担，实现装置任然保持1ms的数据存贮空间不变；采用1ms的判别，多ms累加的判决机制，不降低捕获正常信号的速度；对弱信号采用NH码滑动，20ms相干累加的判决机制，虽然牺牲了捕获弱信号的速度，最大可能降低到400ms/卫星，但捕获灵敏度能提高13dB，在弱信号场景下具备实用价值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种快速捕获北斗D1卫星导航***弱信号的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.将通道搜索的卫星PRN号分别置为1-6；

S2.对接收信号进行第一次采样；

S3.选取NH码构成匹配滤波器对接收信号的再采样数据进行相关累加；

S4.将步骤S2中相关累加的结果分为n段，并与本地码逐点相关累加；

S5.对步骤S3中相关累加的结果进行m点FFT；

S6.计算信噪比，根据信噪比门限检测捕获与否；

若未捕获，更换NH码的相位，重复以上S1-S6步骤。

2.根据权利要求1所述的捕获北斗D1卫星导航***弱信号的快速捕获方法，其特征在于：步骤S5中m点FFT的结果为：

$z=\underset{m=0}{\overset{63}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=0}{\overset{31}{\mathrm{\Σ}}}{w}_{64\mathrm{mk}}\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\left\{{\mathrm{AD}}_{\mathrm{NHi}}{D}_{i}G(i*1\mathrm{ms}+64m+n)e^{j\frac{{2\mathrm{\πf}}_r(i*1\mathrm{ms}+64m+n)T_s}{f_s}}\right\}G(64m+n-a)w_{\mathrm{kn}}$

其中，A表示接收信号幅度，D_NHi表示北斗的NH码，D_i表示导航电文，G(t)表示PRN码，T_s表示采样时间间隔，f_s表示采样频率，τ表示本地码与接收码之间的进间差，w_kn＝exp(-j2πknF/f_s)为FFT中的频率因子，F表示FFT的频率分辨率，f_r为接收卫星信号频率。