CN110018500B - 一种基于圆周移位的北斗卫星信号捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于圆周移位的北斗卫星信号捕获方法，包括以下步骤：S1:对输入的每个积分时间内的数字中频信号分别与本地载波发生器的同相和正交分量相乘并进行载波剥离得到基带复信号序列x(n)，再对其进行快速傅里叶变换FFT得到其频谱序列X(k)；S2：本地经NH码二次调制后得到测距码c(n)，经过快速傅立叶变换FFT并复共轭得到C^*(k)；S3:每次对序列X(k)圆周移位一次，移位l位表示为序列X(k‑l),将其与C^*(k)相乘；S4:对S3中的结果进行快速傅立叶逆变换IFFT得到对应该l移位的多普勒频移f_d的相关结果r_l(m)；S5:进入S1，读取下一个积分时间内的数字中频信号并按以上步骤得到下一个相邻积分时间的相关矩阵，对两个相邻积分时间的相关矩阵进行共轭相乘并累加，得到差分相干积分结果。

Description

一种基于圆周移位的北斗卫星信号捕获方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于圆周移位的北斗卫星信号捕获方法。

背景技术

随着我国北斗卫星导航***的实施，卫星通信技术应用越来越重要。卫星信号的捕获是卫星数字信号处理的第一步。目的是获得所有可见北斗卫星的粗略载波多普勒频移和测距码相位两个参数，为后续跟踪模块提供较为准确的条件。

载波多普勒频率和测距码相位的捕获是一个二维搜索的过程，传统卫星信号捕获算法主要有串行搜索算法、并行频率域搜索算法和并行码相位捕获算法。串行搜索捕获算法是卫星导航***为解决捕获问题提出的最早的传统方法。该方法是对测距码码相位和多普勒频移分别进行串行搜索。由于码相位搜索的步长通常为半个码片，而一个码元周期较长，所以串行搜索效率低。多普勒频率搜索步长是根据相干积分时间而定，通常为相干积分时间的倒数，传统的硬件接收机大多采用串行搜索算法。并行码相位搜索捕获方法是为了解决串行搜索速度慢的问题而提出的。该方法基于快速傅里叶变换(Fast FourierTransform，FFT)与快速傅立叶反变换(IFFT)将卫星信号在时域的相关运算转换到频域的乘法运算，降低了捕获所用时间，为实时处理的实现奠定了基础。

并行码相位捕获算法是一种并行处理方法，其原理图如图1所示。输入的数字中频信号分别与本地载波发生器的同相和正交分量相乘，进行载波剥离，分别得到I路、Q路信号。得到的复信号经过快速傅立叶变换后，再与本地测距码傅立叶变换的复共轭相乘，之后将得到的结果进行快速傅立叶反变换(IFFT)，取模得到相关值结果。当峰值超过预设门限时，则表明捕获成功。从中获得该输入信号粗略的测距码相位和多普勒频移两个参数值。若没有明显峰值，则需要调整频率使本地载波发生器产生下一个频点的正余弦信号，重复以上操作，直到搜索完所有可能的频率单元。通过仿真可以得出，采用并行码相位搜索算法在-15dB时能够捕获到积分时间为1ms的信号。但弱信号环境下就很难捕获到卫星信号的多普勒频率和测距码相位。

由于空间卫星的高速运动导致卫星信号载波频率发生多普勒频移，使得卫星信号的捕获变得复杂和困难。同时在北斗卫星B1频点信号存在NH(Neumann-Hoffman)码调制的影响，在不去除NH码相位跳变的影响下，相关积分时间不能超过1ms。因此在低信噪比下不能通过延长积分时间来提高信号的增益，捕获灵敏度较低。同时由于并行码相位算法中FFT运算次数过多导致相关运算量过大，因此在速度和灵敏度上仍需改善。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种基于圆周移位的北斗卫星信号捕获方法，具体采用如下步骤：

S1:对输入的每个积分时间内的数字中频信号分别与本地载波发生器的同相和正交分量相乘并进行载波剥离得到基带复信号序列x(n)，再对其进行快速傅里叶变换FFT得到其频谱序列X(k)；

S2：本地经NH码二次调制后得到测距码c(n)，经过快速傅立叶变换FFT并复共轭得到C^*(k)；

S3:每次对序列X(k)圆周移位一次，移位l位表示为序列X(k-l),将其与C^*(k)相乘；

S4:对S3中的结果进行快速傅立叶逆变换IFFT得到对应该l移位的多普勒频移f_d的相关结果r_l(m)，重复S3直到l＝N-1，合并所有的r_l(m)得到相关矩阵Y(m,l),其中m为对应的测距码相位，l为圆周移位位数。相关矩阵还可表示为Y(τ,f_d)，其中τ为码相位延迟，由τ＝m/f_s确定，f_d为多普勒频移，由f_d＝l·f_s/N确定，其中f_s为抽样频率；

S5:进入S1，读取下一个积分时间内的数字中频信号并按以上步骤得到下一个相邻积分时间的相关矩阵，对两个相邻积分时间的相关矩阵进行共轭相乘并累加，得到差分相干积分结果判断得到的矩阵Z(τ,f_d)中最大相关值是否大于捕获门限，如果超过捕获门限则当前卫星可见，记录并保存对应的多普勒频率值和码相位延迟值；如果矩阵Z(τ,f_d)中最大相关值小于捕获门限则断定捕获失败。

以上步骤中，S2中的输入频域信号的循环圆周移位操作等价于其时域信号进行频率移动后的快速傅立叶变换，其中圆周移位如式所示：

其中，X(k)为x(n)的FFT，N为x(n)的数据长度，n＝0,1,...N-1，l是圆周移位的位数，其中输入的数字信号x(n)与本地测距码c(n)的相关性r_l(m)如下所示：

其中，N是x(n)位数，m＝0,1,...N-1，l是循环圆周移位的位数，对相关序列结果r_l(m)取模完成一个多普勒单元内测距码相关过程。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的一种基于圆周移位的北斗卫星信号捕获方法该方法，是通过对输入中频信号进行载波剥离后的频谱序列进行循环圆周移位，来代替并行码相位捕获算法中对输入信号进行多次载波剥离和快速傅立叶变换(FFT)操作，减少了运算量；同时采用差分积分的思想对每个积分时间内的相干结果进行共轭相乘再累加，增强信噪比，提高了捕获灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明方法的流程图。

图2为不同条件下使用本发明的差分相干积分结果的效果图。

图3为使用非相干积分方法的效果图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案和优点更加清楚，下面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的描述：

如图1所示的一种基于圆周移位的北斗卫星信号捕获方法，实际接收到的卫星信号经过射频前端后，经A/D转换成数字中频信号。北斗卫星信号的捕获算法过程具体如下：

S1:对输入的每个积分时间内的数字中频信号分别与本地载波发生器的同相和正交分量相乘并进行载波剥离得到基带复信号序列x(n)，再对其进行快速傅里叶变换FFT得到其频谱序列X(k)；

S2：本地经NH码二次调制后得到测距码c(n)，经过快速傅立叶变换FFT并复共轭得到C^*(k)；

S3:每次对序列X(k)圆周移位一次，移位l位表示为序列X(k-l),将其与C^*(k)相乘；

S4:对S3中的结果进行快速傅立叶逆变换IFFT得到对应该l移位的多普勒频移f_d的相关结果r_l(m)，重复S3直到l＝N-1，合并所有的r_l(m)得到相关矩阵Y(m,l),其中m为对应的测距码相位，l为圆周移位位数。相关矩阵还可表示为Y(τ,f_d)，其中τ为码相位延迟，由τ＝m/f_s确定，f_d为多普勒频移，由f_d＝l·f_s/N确定，其中f_s为抽样频率；

S5:进入S1，读取下一个积分时间内的数字中频信号并按以上步骤得到下一个相邻积分时间的相关矩阵，对两个相邻积分时间的相关矩阵进行共轭相乘并累加，得到差分相干积分结果判断得到的矩阵Z(τ,f_d)中最大相关值是否大于捕获门限，如果超过捕获门限则当前卫星可见，记录并保存对应的多普勒频率值和码相位延迟值；如果矩阵Z(τ,f_d)中最大相关值小于捕获门限则断定捕获失败。

以上步骤中，对输入频域信号的循环圆周移位操作等价于其时域信号进行频率移动后的快速傅立叶变换，其中圆周移位如式所示：

其中，X(k)为x(n)的FFT，N为x(n)的数据长度，n＝0,1,...N-1，l是圆周移位的位数，其中输入的数字信号x(n)与本地测距码c(n)的相关性r_l(m)如下所示：

其中，N是x(n)位数，m＝0,1,...N-1，l是循环圆周移位的位数，对相关序列结果r_l(m)取模完成一个多普勒单元内测距码相关过程。

因此，在卫星信号进行搜索时，只需要对输入信号进行一次FFT运算，通过循环圆周移位的操作，就可以得到所有可能的多普勒频率单元。较传统并行码相位捕获算法减少了FFT次数，从而提高了搜索速度。

在传统GPS卫星信号捕获算法中，一般采用相干积分和非相干积分的方法来提高信号增益。相干积分可以通过增加数据积分时间提高信噪比，但是会受到导航数据跳变和较长积分时间带来运算量增加的影响。非相干积分可以不受导航数据跳变的限制，但是引进了平方损耗，而且随着积分时间的增加，平方损耗越来越大。因此文章采用差分相干积分算法，其基本思想是将多个积分时间上的相关积分矩阵共轭相乘，再进行累加。其数学模型如式：

式中Y_i,Y_i+1为相临的两个相干积分矩阵，可以表示为有用信号V_i和噪声信号N_i之和，相邻时刻有用信号矩阵结果是相关的，而随机噪声是非相关的，同时具有高斯噪声的特点，可以通过叠加降低噪声的影响。因此通过对相干积分矩阵共轭相乘既可以增强信噪比，又可以抑制非相干积分带来的平方损耗。

使用MATLAB平台对捕获算法进行仿真实验。根据实际北斗卫星信号的测距码结构特性仿真产生20ms模拟中频信号。对每个积分时间内的数据按照算法框图进行运算。其中设中频信号频率为4.092MHz，采样率为20.46MHz，测距码码率为2.046MHz。导航电文速率为50b/s，多普勒频率范围为-10KHz～10KHz，积分时间1ms。信噪比为-32dB下两种捕获算法结果如图2和图3所示。通过比较图2和图3，可以看出通过对20ms仿真数据进行处理，在信噪比为-32dB时，采用差分算法可以得到明显峰值，其峰值为输入信号在伪随机码相位和多普勒频移二维搜索时得到积分的最大值，与仿真中模拟产生的信号参数相同。而非相干算法没有明显峰值，无法确定模拟信号中多普勒频移和测距码相位值。对于20ms的仿真数据，每个积分时间上进行算法运算。当对卫星信号数据采用并行码相位搜索时，若多普勒频率范围为-10KHz～10KHz，频率搜索间隔为250Hz，积分时间为1ms,则需要对数字信号进行20*82次FFT操作和20*81次IFFT操作。改进后的圆周移位算法则需要20*2次FFT操作和20*81次IFFT操作。其中，一次N点的FFT运算需要(Nlg₂N)/2次复数乘法运算和Nlg₂N次复数加法运算。算法运算量比较如表1所示。由此可见，捕获算法的总运算量明显减少。

表1算法运算量比较

如上所述，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发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于圆周移位的北斗卫星信号捕获方法，其特征在于包括以下步骤：

S1:对输入的每个积分时间内的数字中频信号分别与本地载波发生器的同相和正交分量相乘并进行载波剥离得到基带复信号序列x(n)，再对其进行快速傅里叶变换FFT得到其频谱序列X(k)；

S2：本地经NH码二次调制后得到测距码c(n)，经过快速傅立叶变换FFT并复共轭得到C^*(k)；

S3:每次对序列X(k)圆周移位一次，移位l位表示为序列X(k-l),将其与C^*(k)相乘；

S4:对S3中的结果进行快速傅立叶逆变换IFFT得到对应该l移位的多普勒频移f_d的相关结果r_l(m)，重复S3直到l＝N-1，合并所有的r_l(m)得到相关矩阵Y(m,l),其中m为对应的测距码相位，l为圆周移位位数，相关矩阵可转换为Y(τ,f_d)其中τ为码相位延迟，由τ＝m/f_s确定，f_d为多普勒频移，由f_d＝l·f_s/N确定，其中f_s为抽样频率；

S5:进入S1，读取下一个积分时间内的数字中频信号并按以上步骤得到下一个相邻积分时间的相关矩阵，对两个相邻积分时间的相关矩阵进行共轭相乘并累加，得到差分相干积分结果判断得到的矩阵Z(τ,f_d)中最大相关值是否大于捕获门限，如果超过捕获门限则当前卫星可见，记录并保存对应的多普勒频率值和码相位延迟值；如果矩阵Z(τ,f_d)中最大相关值小于捕获门限则断定捕获失败。

2.根据权利要求1所述的一种基于圆周移位的北斗卫星信号捕获方法，其特征还在于：其中输入频域信号的循环圆周移位操作等价于其时域信号进行频率移动后的快速傅立叶变换，其中圆周移位如式所示：

其中，X(k)为x(n)的FFT，N为x(n)的数据长度，n＝0,1,...N-1，l是圆周移位的位数，其中输入的数字信号x(n)与本地测距码c(n)的相关性r_l(m)如下所示：

其中，N是x(n)位数，m＝0,1,...N-1，l是循环圆周移位的位数，对相关序列结果r_l(m)取模完成一个多普勒单元内测距码相关过程。