CN108983261B - 一种基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型，通过盲分离技术，采用倍频采样方法，通道序列化后利用欧拉公式建立盲分离矩阵卫星信号模型，利用子空间分离对卫星信号进行盲分离，具体实现步骤为：S1.采用倍频采样方式，将接收机接收的卫星信号转换为一个多通道输出的混叠正弦模型；S2.序列化卫星接收信号；S3.利用欧拉公式将倍频采样后的卫星载波信号hsat(j)展开为盲分离矩阵模型；S4.求解卫星载波信号的多普勒效应频率；S5.对卫星载波信号的初始相位进行求解；S6.确定卫星信号的幅值Asat。本发明可减少卫星信号搜索范围局限性和相关估计带来的误差，实现快速精确的捕获。

Description

一种基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型
技术领域
本发明涉及卫星信号捕获领域，更具体地，涉及一种基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型。
背景技术
GNSS接收机按照其工作流程，通常分成三大部分，射频前端模块、基带信号处理模块和定位导航模块。基带信号处理模块的功能是：通过处理射频前端输出的数字中频信号，复现与卫星信号一致的本地载波码和伪码，达到对GNSS信号的捕获和跟踪，进而提取原始观测量和原始电文。基带信号处理模块是导航接收机的核心部分，而捕获是基带信号处理模块中至关重要的一步。因此，对捕获算法提出以下要求：(1)快速性，有效缩小搜索范围和搜捕时间，提高捕获效率；(2)准确性，捕获的精度决定跟踪的精度，捕获的结果必须准确。
现有的卫星信号FFT并行捕获算法是卫星信号接收机接收并在射频前端处理后，数字下变频为数字中频信号，数字中频信号与本地I之路载波和Q支路载波相乘进行去载波过程，得到I支路信号和Q支路信号，I支路信号和Q支路信号组成复数形式的去载波结果I+jQ，并对这个结果进行傅里叶变换，然后将变换结果与本地复现信号傅里叶变换的共轭值相乘，将所有的乘积经傅里叶反变换得到在时域内的相关结果，在变换过程中，将傅里叶变换分为两部分的和，以减少傅里叶变换的点数，若无位翻转对上一步所得相关结果进行检测判断卫星信号是否存在，若存在位翻转对数字中频信号和本地浮现信号进行奇偶块的相关，得到相关结果，将两种情况的相关结果进行相干合成，得到较大的相关峰值，即可得到峰值处对应的频率和码相位。
上述方法虽然能有效克服位翻转问题，延长相干积分时间，但是搜索精度主要取决于搜索步长，频率搜索步长横跨几百赫兹，求得的频率精度并不高，且确定频率和相位的搜索区间和步长后，需要将接收机产生的信号与接收的信号求它们的相关系数，计算速度慢，且需要相关估计会带来较大误差。
发明内容
本发明针对带有噪声的卫星弱信号模型，解决卫星信号盲分离和快速精确捕获问题，提供一种基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型。
所述模型通过盲分离技术，采用倍频采样方法，通道序列化后利用欧拉公式建立盲分离矩阵卫星信号模型，利用子空间分离对卫星信号进行盲分离，具体实现步骤如下：
S1.采用倍频采样方式，将接收机接收的卫星信号转换为一个多通道输出的混叠正弦模型；
S2.序列化卫星接收信号；
S3.利用欧拉公式将倍频采样后的卫星载波信号模型hsat(j)展开为盲分离矩阵模型；
S4.求解卫星载波信号的多普勒效应频率；
S5.对卫星载波信号的初始相位进行求解；
S6.确定卫星信号的幅值Asat。
其中，(1)所述步骤S1如下：
S1.1设卫星接收机接收到的信号模型为：
Figure BDA0001763069970000021
其中，An为每个卫星C/A码的幅度，C(t)为C/A码，D(t)为导航数据码，fIF为中频载波频率，fn和θn,0为每个卫星信号的多普勒效应频率以及相位，该参数表征卫星的特征及卫星间的拓扑关系，n(t)为背景噪声；
S1.2采集卫星信号后,通过倍频采样方式，将接收机接收到的卫星信号转换为多通道输出的混叠正弦形式：
Figure BDA0001763069970000022
上式中，Psat(tkj)＝Csat(tkj)·Dsat(tkj),Fsat＝fIF+fsat；下标j＝1,2,…,M代表通道,时间下标k表示采样点；hsat(tkj)代表倍频采样后的卫星载波信号。
(2)所述步骤S2序列化过程如下：
S2.1只看某一采样点k时，S1所得方程可隐去采样点k坐标形式，化简为：
Figure BDA0001763069970000031
上式中，下标j＝1,2,…,M代表通道；Psat为C/A码与导航电文码的乘积，由于倍频过采样，Psat与采样通道无关，可看作常量。
S2.2假设同一时刻，通道之间的采样点呈等间距分布，则S2.1所得方程中的tj可写为：
Figure BDA0001763069970000032
代回S2.1所得方程中得到序列化后的卫星接收信号：
Figure BDA0001763069970000033
(3)所述步骤S3利用欧拉公式将倍频采样后卫星载波信号模型hsat(j)展开为盲分离矩阵模型，展开过程为：
r＝A·x+n,
Figure BDA0001763069970000034
Figure BDA0001763069970000035
Figure BDA0001763069970000036
Figure BDA0001763069970000037
上式中，T表示转置，H表示赫米特转置。r＝[r(1) r(2) … r(M)]代表同一采样点，不同通道采集的北斗卫星信号；系数矩阵A未知参数，Fn＝fIF+fn，列向量x未知参数A，θ分别为北斗卫星载波信号强度和初始相位；P为C/A码与导航电文码的乘积，由于倍频过采样，P与采样通道无关。
(4)所述步骤S4卫星载波信号的多普勒效应频率的求解过程为：
S4.1基于子空间分离对卫星多普勒频移进行盲估计；
S4.2对卫星信号进行时延构造新卫星信号矩阵；
S4.3根据S3所得方程得到两个信号系数矩阵的关系，分别求原信号的自相关矩阵和两个信号的互相关矩阵；
S4.4求自相关矩阵关于互相关矩阵的广义特征值；
S4.5通过广义特征值求解卫星载波信号的多普勒效应频率得到：
Figure BDA0001763069970000041
上式中，Im表示对复数求虚部，Re表示对复数求实部。
(5)所述步骤S5求解初始相位的求解过程为：
对卫星载波信号的初始相位进行盲估计，对S3所得方程作线性最小二乘得到：
Figure BDA0001763069970000042
上式中，
Figure BDA0001763069970000043
为矩阵A的伪逆矩阵，
于是初始相位可求解如下：
Figure BDA0001763069970000044
(6)所述步骤S6卫星信号的幅值Asat可由下式确定：
Figure BDA0001763069970000045
上式中，xsat为向量x中的元素，||表示对复数求模长，Csat代表C/A码，Dsat代表导航数据码，由于多普勒效应频率和相位能得到数学精确解析解，C/A码和导航电文均可以精确得到。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明技术方案对卫星信号进行盲分离，不需要进行二维搜索和相关估计，建立了单输入多输出的正弦信号盲分离模型，通过盲分离求解频率和初始相位，减少搜索范围局限性和相关估计带来的误差，实现快速精确的捕获。
附图说明
图1为基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型实现步骤流程框图。图2接收机接收到的卫星载波信号。
图3倍频采样和噪声分离后的卫星载波信号。
图4卫星载波信号自相关矩阵的特征分解。
图5卫星多普勒效应频率的盲估计。
图6卫星载波信号初始相位的盲估计。
图7卫星载波信号强度的盲估计。
图8八颗卫星的多普勒效应频率、载波信号相位以及载波信号强度。
图9基于方差比盲分离技术分离出的一号北斗卫星载波信号。
图10基于方差比盲分离技术分离出的二号北斗卫星载波信号。
图11基于方差比盲分离技术分离出的三号北斗卫星载波信号。
图12基于方差比盲分离技术分离出的四号北斗卫星载波信号。
图13基于方差比盲分离技术分离出的五号北斗卫星载波信号。
图14基于方差比盲分离技术分离出的六号北斗卫星载波信号。
图15基于方差比盲分离技术分离出的七号北斗卫星载波信号。
图16基于方差比盲分离技术分离出的八号北斗卫星载波信号。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
本发明技术方案通过盲分离技术，采用倍频采样方法，通道序列化后利用欧拉公式建立盲分离矩阵卫星信号模型，利用子空间分离对卫星信号进行盲分离。
参见图1，本发明的方法包括以下步骤：
步骤1过程如下：
S1.1如图2所示，接收机接收到的卫星信号模型为：
Figure BDA0001763069970000051
其中，An为每个卫星C/A码的幅度，C(t)为C/A码，D(t)为导航数据码，本例中CA码频率为1.023MHz，fIF＝4.092MHz为中频载波频率，fn和θn,0为每个卫星信号的多普勒效应频率以及相位，该参数表征卫星的特征及卫星间的拓扑关系，n(t)为背景噪声。
S1.2采集卫星信号后,倍频采样1000个点，如图3所示，将接收机接收到的卫星信号转换为多通道输出的混叠正弦形式：
Figure BDA0001763069970000061
上式中，Psat(tkj)＝Csat(tkj)·Dsat(tkj),Fsat＝fIF+fsat；下标j＝1,2,…,M代表通道,时间下标k表示采样点；hsat(tkj)代表倍频采样后的卫星载波信号。
图1中步骤2描述序列化卫星接收信号，序列化过程为：
S2.1只看某一采样点k时，S1所得方程可隐去采样点k坐标形式，化简为：
Figure BDA0001763069970000062
上式中，下标j＝1,2,…,M代表通道；Psat为C/A码与导航电文码的乘积，由于倍频过采样，Psat与采样通道无关，可看作常量。
S2.2假设同一时刻，通道之间的采样点呈等间距分布，则S2.1所得方程中的tj可写为：
Figure BDA0001763069970000063
代回S2.1所得方程中得到序列化后的卫星接收信号：
Figure BDA0001763069970000064
图1中步骤3利用欧拉公式将倍频采样后的卫星载波信号模型hsat(j)展开为盲分离矩阵模型，展开过程为：
r＝A·x+n，
Figure BDA0001763069970000065
Figure BDA0001763069970000071
Figure BDA0001763069970000072
Figure BDA0001763069970000073
上式中，T表示转置，H表示赫米特转置。r＝[r(1) r(2) … r(M)]代表同一采样点，不同通道采集的北斗卫星信号；系数矩阵A未知参数，Fn＝fIF+fn，列向量x未知参数A，θ分别为北斗卫星载波信号强度和初始相位；P为C/A码与导航电文码的乘积，由于倍频过采样，P与采样通道无关。
图1中步骤4描述卫星载波信号的多普勒效应频率的求解过程：
基于子空间分离对卫星多普勒频移进行盲估计，对卫星信号进行时延构造新卫星信号矩阵，根据步骤3所得方程得到两个信号系数矩阵的关系，分别求原信号的自相关矩阵和两个信号的互相关矩阵，对自相关矩阵作特征分解，得图4所示，可知卫星个数为8个。求得自相关矩阵关于互相关矩阵的广义特征值，如图5所示，卫星载波信号的多普勒效应频率通过广义特征值求解得到：
Figure BDA0001763069970000074
上式中，Im表示对复数求虚部，Re表示对复数求实部。求得结果
图1中步骤5描述对卫星载波信号的初始相位进行求解的过程和方法：
对卫星载波信号的初始相位进行盲估计，对步骤3所得方程作线性最小二乘得到：
Figure BDA0001763069970000075
上式中，
Figure BDA0001763069970000076
为矩阵A的伪逆矩阵。如图6所示，初始相位可求解如下：
Figure BDA0001763069970000081
图1中步骤6描述卫星信号的幅值Asat由下式确定：
Figure BDA0001763069970000082
上式中，xsat为向量x中的元素，||表示对复数求模长，Csat代表C/A码，Dsat代表导航数据码，由于多普勒效应频率和相位能得到数学精确解析解，C/A码和导航电文均可以精确得到。图7中实线分别代表8颗卫星的载波信号强度。
如图8所示的八颗卫星载波信号的多普勒效应频率、载波信号以及载波信号强度，当卫星载波信号的幅值、多普勒效应频率和初始相位确定后，便可分离出每个卫星载波信号，如图9至图16所示。
在仿真北斗卫星信号捕获实验中，一共捕获到了8个可见的北斗卫星，综合仿真实验结果，可以证明本发明提出的基于方差比盲分离技术的北斗卫星信号捕获方法具备精确度高，捕获速度快等特点，实现了高精度快速捕获北斗卫星的功能，满足北斗卫星接收机的捕获需求。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型，其特征在于，所述模型通过盲分离技术，采用倍频采样方法，通道序列化后利用欧拉公式建立盲分离矩阵卫星信号模型，利用子空间分离对卫星信号进行盲分离，具体实现步骤如下：
S1.采用倍频采样方式，将接收机接收的卫星信号转换为一个多通道输出的混叠正弦模型；
S2.序列化卫星接收信号；
S3.利用欧拉公式将倍频采样后的卫星载波信号模型hsat(j)展开为盲分离矩阵模型；
S4.求解卫星载波信号的多普勒效应频率；
S5.对卫星载波信号的初始相位进行求解；
S6.确定卫星信号的幅值Asat。
2.根据权利要求1所述的基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：
S1.1设卫星接收机接收到的信号模型为：
Figure FDA0002789780050000011
其中，An为每个卫星C/A码的幅度，Cn(t)为C/A码，Dn(t)为导航数据码，fIF为中频载波频率，fn和θn,0为每个卫星信号的多普勒效应频率以及相位，所述fn和θn，0表征卫星的特征及卫星间的拓扑关系，n(t)为背景噪声；
S1.2采集卫星信号后，通过倍频采样方式，将接收机接收到的卫星信号转换为多通道输出的混叠正弦形式：
Figure FDA0002789780050000012
上式中，Psat(tkj)＝Csat(tkj)·Dsat(tkj)，Fsat＝fIF+fsat；下标j＝1，2，…，M代表通道，时间下标k表示采样点；hsat(tkj)代表倍频采样后的卫星载波信号。
3.根据权利要求2所述的基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型，其特征在于，所述步骤S2序列化过程如下：
S2.1只看某一采样点k时，S1所得方程隐去采样点k坐标形式，化简为：
Figure FDA0002789780050000021
上式中，下标j＝1，2，…，M代表通道；Psat为C/A码与导航电文码的乘积，由于倍频过采样，Psat与采样通道无关，看作常量；
S2.2假设同一时刻，通道之间的采样点呈等间距分布，则S2.1方程中的tj写为：
Figure FDA0002789780050000022
代回S2.1所得方程中得到序列化后的卫星接收信号：
Figure FDA0002789780050000023
4.根据权利要求1所述的基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型，其特征在于，所述步骤S3利用欧拉公式将倍频采样后的卫星载波信号模型hsat(j)展开为盲分离矩阵模型，具体过程为：
r＝A·x+n，
Figure FDA0002789780050000024
Figure FDA0002789780050000025
Figure FDA0002789780050000026
Figure FDA0002789780050000027
上式中，N表示卫星总数，M表示通道，T表示转置，H表示赫米特转置；r＝[r(1) r(2)…r(M)]代表同一采样点，不同通道采集的北斗卫星信号；系数矩阵A未知参数，FN＝fIF+fN，fIF表示中频载波频率，fN表示第N个卫星信号的多普勒效应频率，列向量x未知参数AN、θN分别为北斗卫星载波信号强度和初始相位；PN为C/A码与导航电文码的乘积，由于倍频过采样，PN与采样通道无关。
5.根据权利要求4所述的基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型，其特征在于，所述步骤S4卫星载波信号的多普勒效应频率的求解过程为：
S4.1基于子空间分离对卫星多普勒频移进行盲估计；
S4.2对卫星信号进行时延构造新卫星信号矩阵；
S4.3根据S3所得方程得到两个信号系数矩阵的关系，分别求原信号的自相关矩阵和两个信号的互相关矩阵；
S4.4求自相关矩阵关于互相关矩阵的广义特征值；
S4.5通过广义特征值求解卫星载波信号的多普勒效应频率得到：
Figure FDA0002789780050000031
上式中，Im表示对复数求虚部，Re表示对复数求实部。
6.根据权利要求4所述的基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型，其特征在于，所述步骤S5求解初始相位的求解过程为：
对卫星载波信号的初始相位进行盲估计，对S3所得方程作线性最小二乘得到：
Figure FDA0002789780050000032
上式中，
Figure FDA0002789780050000033
为矩阵A的伪逆矩阵，
于是初始相位求解如下：
Figure FDA0002789780050000034
7.根据权利要求4所述的基于方差比盲分离的北斗卫星信号高精度捕获模型，其特征在于，所述步骤S6卫星信号的幅值Asat由下式确定：
Figure FDA0002789780050000041
上式中，xsat为列向量x中的元素，||表示对复数求模长，Csat代表C/A码，Dsat代表导航数据码，由于多普勒效应频率和相位能得到数学精确解析解，C/A码和导航电文均精确得到。
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