CN105759288A - 基于特征序列的北斗b1i弱信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法，用于解决现有北斗B1I弱信号捕获方法中存在的捕获效率低和捕获能力差的技术问题；包括如下步骤：1设置特征序列长度，获取特征序列库；2读取北斗B1I数字中频信号；3将读取数据按毫秒进行奇偶分组；4利用特征序列进行NH解调，并将每组解调数据块累加；5奇偶补零；6生成本地复现信号，进行相关运算；7比较相关结果中峰值的大小，提取检测值；8门限判定，若低于门限则执行步骤9，否则结束；9循环判定，若循环次数低于20，读取延迟1ms的数据，执行步骤4，否则结束。本发明的捕获性能高且捕获速度快，可用于北斗B1I弱信号的捕获。

Description

基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种卫星信号的捕获方法，具体涉及一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法，适用于北斗B1I弱信号的捕获。

技术背景

卫星导航定位是现代社会中应用最广泛的导航定位方式，目前全球四大卫星导航***有美国的GPS、俄罗斯的GLONASS、欧盟的Galileo以及我国的北斗卫星导航***。我国正在建设的北斗二号卫星导航***，以提供海、陆、空全方位的全球导航定位服务为目标，目前已经成功发射21颗北斗导航卫星，向北斗***全球组网不断迈进。

北斗B1I信号播发D1导航电文，D1导航电文速率为50bps，并调制有速率为1kbps的二次编码，其二次编码采用Neumann-Hoffman码(简称NH码)。D1导航电文一个信息位宽度为20毫秒，测距码周期为1毫秒，采用20比特的NH码(00000100110101001110)与导航信息码和测距码同步调制。为此每1比特导航信息码对应一个NH码周期，每1比特NH码对应一个测距码周期，这使得每1毫秒导航数据中都有比特跳变可能。

捕获，是搜索可视卫星，并粗略地确定卫星信号的载波频率和测距码相位的过程。需利用测距码的相关性特点来实现，即将输入的卫星信号与接收机本地复现信号进行相关运算，将运算结果峰值和门限进行比较，以确定是否捕获到卫星，并根据峰值所在位置确定载波频率和测距码相位。但在丛林、室内、隧道等复杂环境中，信号能量由于多径反射、障碍物遮挡等因素会严重削弱，直接进行相关处理是无法捕获到此类弱信号的。此时需要延长相关运算时间，对相关运算结果进行累积来达到足够大的积分增益，以捕获到卫星信号。

传统的捕获弱信号的方法主要有相干积分法和非相干积分法。相干积分法是将多个连续的测距码周期的相关运算结果对应位累加，来提高信号增益，但由于导航信息码跳变，存在累加值相互抵消的情况，积分增益衰减，限制了积分时长。非相干积分法，将相关运算结果取模后相加，以此消除导航信息码跳变影响，但取模过程中将噪声进行了平方运算，引入新的噪声，削弱输出信噪比，带来平方损耗。对于北斗B1I信号，存在导航信息码跳变的同时，由于二次编码的存在，每一毫秒都有比特跳变的可能，上述方法直接使用会带来更大的增益损失，因此不能直接用于北斗B1I弱信号的捕获。

为了降低二次编码对弱信号捕获的影响，通常采用在传统捕获方法的基础上增加对NH码的解调过程来实现，具体为循环多次遍历长度为20比特的NH码序列的所有可能组合进行相关运算，选取所有相关运算结果中的峰值进行捕获判决。但此类方法在遍历20比特NH码序列所有组合的过程中会增加计算量，导致捕获速度降低。如中国专利申请，申请公布号CN102928853A，发明名称为“一种捕获北斗D1卫星导航***弱信号的方法”，公开了一种捕获北斗D1卫星导航***弱信号的方法。该方法首先对弱信号进行测距码相位、多普勒频率二维搜索，然后进行相干积分并收集20个相干积分结果，选取一种NH序列，与20个积分结果逐个相乘，并进行非相干积分，重复上述步骤，直到20种NH二次编码序列遍历完毕，将最大值进行门限判定以确定是否捕获到信号，达到存在NH二次编码的情况下，获取较高的处理增益达的效果。该发明虽能剥离NH二次编码，但需循环遍历长度为20的NH码序列的所有组合来实现解调，计算量大，捕获处理时间长。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的不足，提出了一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法，用于解决现有北斗B1I弱信号捕获方法中存在的捕获效率低和捕获能力差的技术问题。

本发明实现的基本思路是：将线性生成空间的概念扩展到NH码，选取NH码中一定长度的特征序列，快速有效的进行NH解调，消除NH码极性跳变对积分时长的限制，以在确定信号测距码相位和多普勒频移的同时确定卫星信号NH码的相位。并将每1ms导航数据进行奇偶分组运算，以此避免相关运算时长内比特反转，且可将NH解调后的数据块直接累加然后进行奇偶补零，利用快速傅里叶变换进行并行相关运算，降低运算量，提高运算速度。

根据以上技术思路，实现本发明目的采用的技术方案，包括如下步骤：

步骤1，根据计算所得的北斗B1I信号中NH码的特征长度k，设置特征序列长度为K，并从NH码中依次截取长度为K的20个特征序列，组成特征序列库C_K，其中k≤K≤20；

步骤2，输入北斗B1I数字中频信号，从该数字中频信号中读取任意N毫秒数据，N≥K+20；

步骤3，对所述读取的数据按毫秒进行奇偶分组，分别得到包含N个数据块的奇数组S_odd＝{D₁,D₂,...,D_i,...,D_N}和偶数组S_even＝{E₁,E₂,...,E_i,...,E_N}，其中D_i表示奇数组中第i个数据块，E_i表示偶数组中第i个数据块，每个数据块中包含0.5ms的数据量；

步骤4，进行NH解调及解调数据块累加：

步骤4a)从所述奇数组S_odd和偶数组S_even中第j个数据块开始，分别顺次提取K个数据块，其中j为标记量，记录每组中从哪个数据块开始提取数据块；

步骤4b)将每组提取的K个数据块乘以特征序列库C_K中第一个特征序列的对应值，得到K个奇数组解调数据块和K个偶数组解调数据块；

步骤4c)将每组中K个解调数据块对应位进行累加，得到奇数数据块和偶数数据块：

$S_o=\underset{n=1}{\overset{K}{\Σ}}{D}_{j+n-1}\×C_{K1}\left(n\right)$

$S_e=\underset{n=1}{\overset{K}{\Σ}}{E}_{j+n-1}\×C_{K1}\left(n\right)$

其中S_o是奇数组中提取的K个数据块进行NH解调后，对应位累加得到的奇数数据块，S_e是偶数组中提取的K个数据块进行NH解调后，对应位累加得到的偶数数据块，C_K1(n)表示C_K中第一个特征序列中的第n位NH码；

步骤5，对所述S_o和S_e分别进行奇偶补零，得到时长为1ms的奇数块和时长为1ms的偶数块；

步骤6，将所述时长为1ms的奇数块和时长为1ms的偶数块分别与本地复现信号进行基于快速傅里叶变换的并行相关运算，得到奇数组结果矩阵和偶数组结果矩阵；

步骤7，比较奇数组结果矩阵和偶数组结果矩阵中峰值的大小，提取大的峰值为检测值；

步骤8，判断所述检测值是否达到了捕获门限，若检测值达到了设定的捕获门限，则捕获成功，否则执行步骤9；

步骤9，若循环次数低于20次，则延迟1ms的数据即j加1，执行步骤(4)，否则判定捕获失败。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

1)本发明由于在进行NH解调时，通过长度为K的特征序列与分组数据块相乘来实现，且K的取值大于等于NH码的特征长度并小于等于20，与现有技术中采用的循环多次遍历长度为20的NH码所有可能组合来进行NH解调的方法相比，降低了解调过程中的计算量，从而提高了捕获速度。

2)本发明将每1ms数据进行了奇偶分组，并将奇数组和偶数组分别进行解调和相关运算，这样奇偶组中必然有一组是不包含比特反转的，避免了现有技术中长时间相关运算时高比特反转率对积分增益的削弱，提高了信号检测概率，更高效完成北斗B1I弱信号的捕获，有效的提高捕获性能。

3)本发明中设置的特征序列长度K，可在其取值范围内根据具体环境选择不同的K值，可适应不同强度弱信号的捕获，进一步提高了捕获性能。

附图说明

图1是本发明的流程框图；

图2是本发明中对所读取数据的奇偶分组示意图；

图3是本发明中奇数数据块和偶数数据块的补零示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明采取的技术方案作进一步描述：

参照附图1，本发明的实施步骤如下：

步骤1，根据计算所得的北斗B1I信号中NH码的特征长度k，设置特征序列长度为K，并从NH码中依次截取长度为K的20个特征序列，组成特征序列库C_K，其中k≤K≤20。

其中NH码的特征长度k以及特征序列库C_K，是将线性生成空间的概念扩展到NH码中而得到的，其中将NH码的线性生成空间的长度称为特征长度。对于同一序列其特征长度是定值，一次计算后可直接使用。对于北斗B1I信号中采用的NH码，计算得其特征长度k＝7，特征长度k通过以下步骤得到：

步骤1a)输入二次编码序列的具体取值，对于北斗B1I信号，其NH序列为(00000100110101001110)；

步骤1b)序列长度用N_s表示，k表示该序列中最长的连续的1或0的个数；

步骤1c)用长度为k的子序列得到一个N_s×k的M矩阵，每行在上一行基础上左移一位；

步骤1d)计算矩阵M的行相关系数，检查矩阵M中是否有完全相同的行，如果有任意两行是相同的，则将k值增加1，重复步骤1c构建M矩阵，直到矩阵M中没有任意两行是相同的，得到该NH码序列的特征长度k＝7；

特征序列库是一定数目特征序列的集合，特征序列库C_K通过以下步骤生成：首先设置特征序列长度K，k≤K≤20，然后从NH序列中顺次移位截取长度为K的子序列，由20个子序列组成特征序列库C_K＝{C_K1,C_K2,...,C_Ki,...,C_K20}。其中C_K为特征序列长度为K时的特征序列库，C_Ki表示从NH码第i个码片开始的，长度为K的子序列，这些子序列称为NH码的特征序列。因为北斗B1I信号中NH码序列长度为20，所以由20个特征序列组成特征序列库。

在设置K值时，在其取值范围内可根据具体环境选择不同的长度，以适应不同强度的弱信号的捕获。

步骤2，输入北斗B1I数字中频信号，从该数字中频信号中读取任意N毫秒数据，N≥K+20。

其中，输入的北斗B1I数字中频信号，是采用接收机接收到的北斗B1I信号，经过射频放大、下变频和采样处理后获取的。

步骤3，对读取的数据按毫秒进行奇偶分组，分别得到包含N个数据块的奇数组S_odd＝{D₁,D₂,...,D_i,...,D_N}和偶数组S_even＝{E₁,E₂,...,E_i,...,E_N}，其中D_i表示奇数组中第i个数据块，E_i表示偶数组中第i个数据块，每个数据块中包含0.5ms的数据量。

其中将读取的数据按毫秒进行奇偶分组，具体操作为：将读取的数据以1ms为单位，将每1ms的数据分为两部分，前0.5ms的数据为奇数组中的一个数据块，后0.5ms的数据为偶数组中的一个数据块。具体奇偶分组示意图如图2。

将每1ms的数据进行奇偶分组可避免由于比特反转对捕获带来的影响。因为对于北斗B1I信号，由于NH码调制，每1ms数据都有比特反转的可能，进行1毫秒奇偶分组后，必然有一组数据是不包含比特反转的。

步骤4，进行NH解调及解调数据块累加：

步骤4a)从奇数组S_odd和偶数组S_even中第j个数据块开始，分别顺次提取K个数据块，其中j为标记量，记录每组中从哪个数据块开始提取数据块；

步骤4b)将每组提取的K个数据块乘以特征序列库C_K中第一个特征序列的对应值，得到K个奇数组解调数据块和K个偶数组解调数据块；

步骤4c)将每组中K个解调数据块对应位进行累加，得到奇数数据块和偶数数据块：

$S_o=\underset{n=1}{\overset{K}{\Σ}}{D}_{j+n-1}\×C_{K1}\left(n\right)$

$S_e=\underset{n=1}{\overset{K}{\Σ}}{E}_{j+n-1}\×C_{K1}\left(n\right)$

其中S_o是奇数组中提取的K个数据块进行NH解调后，对应位累加得到的奇数数据块，S_e是偶数组中提取的K个数据块进行NH解调后，对应位累加得到的偶数数据块，C_K1(n)表示C_K中第一个特征序列中的第n位NH码；

其中标记量j，第一次使用时其取值满足j+19+K≤N，避免需要进行多次循环时，所提取数据块超过读取数据量的情况。

其中NH解调的过程具体为：对于从每组中提取的K个数据块，将其中第n个数据块的数据乘以C_K中第一个特征序列C_K1的第n个NH码，得到解调数据块，1≤n≤K。

步骤5，对S_o和S_e分别进行奇偶补零，得到时长为1ms的奇数块和时长为1ms的偶数块。

其中奇偶补零按如下步骤进行，具体示意图如图3：

步骤5a)对奇数数据块S_o，在数据块的后面补零至时长为1ms的数据量；

步骤5b)对偶数数据块S_e，在数据块的前面补零至时长为1ms的数据量；

步骤6，将时长为1ms的奇数块和时长为1ms的偶数块分别与本地复现信号进行基于快速傅里叶变换的并行相关运算，得到奇数组结果矩阵和偶数组结果矩阵，相关运算步骤如下：

步骤6a)利用matlab软件中的sin函数和cos函数分别生成同相载波和正交载波，其中本地载波频率需以步长f_step，遍历中频频率f_IF附近多普勒频移范围[f_min,f_max]内的所有频率，f_min，f_max分别为多普勒频移的下限和上限，这里可取f_step＝500Hz，f_min＝-10KHz，f_max＝10KHz，f_IF根据输入信号的中频频率确定；

步骤6b)根据北斗B1I信号测距码结构生成本地测距码，用本地测距码分别乘以生成的同相载波和正交载波，得到调制后的同相载波和调制后的正交载波；

步骤6c)对调制后的同相载波和调制后的正交载波进行采样，采样频率要和读取的卫星信号的采样频率一致；

步骤6d)将调制后的同相载波的采样数据作为实部，将调制后的正交载波的采样数据作为虚部，得到本地复现信号。

步骤6e)对本地复现信号进行快速傅里叶变换，得到本地复现信号的频域数据；

步骤6f)对数据块进行快速傅里叶变换，得到数据块的频域数据；

步骤6g)将本地复现信号的频域数据取复共轭后乘以数据块的频域数据，然后将相乘结果进行快速傅里叶逆变换，得到每个数据块与本地复现信号的相关运算结果。

步骤7，比较奇数组结果矩阵和偶数组结果矩阵中峰值的大小，提取大的峰值为检测值；

步骤8，判断检测值是否达到了捕获门限，若检测值达到了设定的捕获门限，则捕获成功，否则执行步骤9；

这里捕获门限根据信号强度和需求设定，本发明中对信号检测的判断使用了峰值与平均值的比值，根据常规经验设置捕获门限为4。

捕获成功后，根据峰值所在矩阵中的位置可得到信号的多普勒频移和测距码相位。实现在捕获测距码相位和载波频率的同时确定卫星信号NH码相位。

步骤9，若循环次数低于20次，则延迟1ms的数据即j加1，执行步骤4，否则判定捕获失败。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，对本发明所作的修改均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法，包括如下步骤：

(1)根据计算所得的北斗B1I信号中NH码的特征长度k，设置特征序列长度为K，并从NH码中依次截取长度为K的20个特征序列，组成特征序列库C_K，其中k≤K≤20；

(2)输入北斗B1I数字中频信号，从该数字中频信号中读取任意N毫秒数据，N≥K+20；

(3)对所述读取的数据按毫秒进行奇偶分组，分别得到包含N个数据块的奇数组S_odd＝{D₁,D₂,...,D_i,...,D_N}和偶数组S_even＝{E₁,E₂,...,E_i,...,E_N}，其中D_i表示奇数组中第i个数据块，E_i表示偶数组中第i个数据块，每个数据块中包含0.5ms的数据量；

(4)进行NH解调及解调数据块累加：

(4a)从所述奇数组S_odd和偶数组S_even中第j个数据块开始，分别顺次提取K个数据块，其中j为标记量，记录每组中从哪个数据块开始提取数据块；

(4b)将每组提取的K个数据块乘以特征序列库C_K中第一个特征序列的对应值，得到K个奇数组解调数据块和K个偶数组解调数据块；

(4c)将每组中K个解调数据块对应位进行累加，得到奇数数据块和偶数数据块：

其中S_o是奇数组中提取的K个数据块进行NH解调后，对应位累加得到的奇数数据块，S_e是偶数组中提取的K个数据块进行NH解调后，对应位累加得到的偶数数据块，C_K1(n)表示C_K中第一个特征序列中的第n位NH码；

(5)对所述S_o和S_e分别进行奇偶补零，得到时长为1ms的奇数块和时长为1ms的偶数块；

(6)将所述时长为1ms的奇数块和时长为1ms的偶数块分别与本地复现信号进行基于快速傅里叶变换的并行相关运算，得到奇数组结果矩阵和偶数组结果矩阵；

(7)比较奇数组结果矩阵和偶数组结果矩阵中峰值的大小，提取大的峰值为检测值；

(8)判断所述检测值是否达到了捕获门限，若检测值达到了设定的捕获门限，则捕获成功，否则执行步骤(9)；

(9)若循环次数低于20次，则延迟1ms的数据即j加1，执行步骤(4)，否则判定捕获失败。

2.根据权利要求1所述的一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法，其特征在于，步骤(1)中所述的NH码的特征长度k，根据如下步骤进行计算：

(1a)输入二次编码序列的具体取值；

(1b)序列长度用N_s表示，k表示该序列中最长的连续的1或0的个数；

(1c)用长度为k的子序列得到一个N_s×k的M矩阵，每行在上一行基础上左移一位；

(1d)计算矩阵M的行相关系数，检查矩阵M中是否有完全相同的行，如果有任意两行是相同的，则将k值增加1，重复步骤(1c)构建M矩阵，直到矩阵M中没有任何两行是相同的，得到该NH码序列的特征长度k＝7。

3.根据权利要求1所述的一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法，其特征在于，步骤(1)中所述的截取长度为K的20个特征序列，是指依次从NH码序列的第t个码片开始，截取的长度为K的子序列，其中t＝1，2，……，20。

4.根据权利要求1所述的一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法其特征在于，步骤(3)中所述的奇偶分组为：将所读取的数据以1ms为单位，将每1ms的数据分为两部分，前0.5ms的数据为奇数组中的一个数据块，后0.5ms的数据为偶数组中的一个数据块。

5.根据权利要求1所述的一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法，其特征在于，步骤(4a)中所述标记量j，第一次使用时需保证其取值满足j+19+K≤N。

6.根据权利要求1所述的一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法，其特征在于，步骤(4b)中所述的K个数据块乘以特征序列库C_K中第一个特征序列的对应值，具体步骤为：对于从每组中提取的K个数据块，将其中第n个数据块的数据乘以C_K中第一个特征序列C_K1的第n个NH码，得到解调数据块，其中1≤n≤K。

7.根据权利要求1所述的一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法，其特征在于，步骤(5)中所述的奇偶补零，按如下步骤进行：

(5a)对奇数数据块，在数据块的后面补零至时长为1ms的数据量；

(5b)对偶数数据块，在数据块的前面补零至时长为1ms的数据量。

8.根据权利要求1所述的一种基于特征序列的北斗B1I弱信号捕获方法，其特征在于，步骤(6)中所述的与本地复现信号进行基于快速傅里叶变换的并行相关运算，按如下步骤生成：

(6a)利用matlab软件中的sin函数和cos函数分别生成同相载波和正交载波，其中本地载波频率需以步长f_step，遍历中频频率f_IF附近多普勒频移范围[f_min,f_max]内的所有频率，f_min，f_max分别为多普勒频移的下限和上限；

(6b)根据北斗B1I信号测距码结构生成本地测距码，用本地测距码分别乘以生成的同相载波和正交载波，得到调制后的同相载波和调制后的正交载波；

(6c)对调制后的同相载波和调制后的正交载波进行采样，采样频率要和读取的卫星信号的采样频率一致；

(6d)将调制后的同相载波的采样数据作为实部，将调制后的正交载波的采样数据作为虚部，得到本地复现信号。

(6e)对本地复现信号进行快速傅里叶变换，得到本地复现信号的频域数据；

(6f)对数据块进行快速傅里叶变换，得到数据块的频域数据；

(6g)将本地复现信号的频域数据取复共轭后乘以数据块的频域数据，然后将相乘结果进行快速傅里叶逆变换，得到每个数据块与本地复现信号的相关运算结果。