“北斗二代”b1頻段弱信號捕獲方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星通信技術領域，尤其涉及針對北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS)的快速高效信號捕獲方法。
【背景技術】
[0002] 衛(wèi)星信號捕獲技術隨著我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的實施已經(jīng)成為當前以及未來衛(wèi) 星通信系統(tǒng)中的一項重要技術。北斗二代信號捕獲的目的是為了獲得所有可見北斗二代衛(wèi) 星信號的載波頻率和碼相位。載波頻率和碼相位的搜索過程是一個二維搜索的過程，如果 加上對不同的衛(wèi)星搜索，那么整個捕獲過程就是三維的搜索過程。信號捕獲的基礎是測距 碼的相關性，所以對于搜索來說，只有當接收機內(nèi)部復制的載波和測距碼信號與接收信號 一致時，相關器的輸出才會達到最大值。如圖1所示，每一個頻率分格相對應的是一個載波 頻率搜索值，每一個碼相位分格對應一個碼相位搜索值。兩者的交叉點，就是一個基本的搜 索單元。
[0003] 衛(wèi)星信號捕獲方法主要有兩種。
[0004] 第一種是串行搜索捕獲法。串行搜索捕獲方法是衛(wèi)星導航系統(tǒng)為解決捕獲問題提 出的最早的傳統(tǒng)方法。該方法是對碼相位和多普勒頻移分別進行串行搜索。由于碼相位搜 索的步長通常為半個碼片，而一個碼元周期較長，所以串行搜索效率低。多普勒頻率搜索步 長是根據(jù)相干積分時間而定，通常為相干積分時間的倒數(shù)，其搜索范圍由接收機所在的動 態(tài)狀態(tài)決定。
[0005] 第二種是并行搜索捕獲法。并行搜索捕獲方法是為了解決串行搜索時間長的問題 而提出的。通常實現(xiàn)的是碼相位采取并行搜索，而多普勒頻移采取串行搜索。該方法利用快 速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)與快速傅立葉反變換（IFFT)將相關運算從 時域轉(zhuǎn)換到頻域進行，降低了捕獲所用時間，也為實時處理的實現(xiàn)奠定了基礎。
[0006] 衛(wèi)星導航應用廣泛，在室內(nèi)、城市等人類活動頻繁的環(huán)境下多徑和穿墻因素大大 削弱和衰減了北斗導航信號的功率。并且，由于反射、衍射等因素產(chǎn)生其他干擾信號使接受 信噪非常低，在低信噪比高靈敏度的要求下，須增加相關運算所用的信號長度，而與傳統(tǒng) GPS彳目號不同，北斗衛(wèi)星彳目號米用Neumann-Hoffman碼（簡稱NH碼)進彳丁一次編碼調(diào)制，在提 髙互相關性能的同時也給衛(wèi)星信號的捕獲方法帶來了挑戰(zhàn)，NH碼的調(diào)制使得每間隔lms就 有可能產(chǎn)生符號位跳變，這就限制了 B1信號的相干積分時長，嚴重影響了北斗二代衛(wèi)星B1 信號的捕獲性能。高速移動的導航衛(wèi)星之間的通信往往存在較大的多普勒頻移，需要極大 量級的乘法運算來完成三維全并行搜索。因此，在星上資源有限的前提下，仍然需要尋求一 種新的捕獲和同步算法，在實現(xiàn)大動態(tài)信號快速和可靠捕獲的同時，大幅度降低硬件資源 開銷，以滿足高速運動載體的深空導航定位需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了簡化基于FFT的傳統(tǒng)頻域碼相位搜索算法，針對捕獲相關峰的稀疏特性，本發(fā) 明主要針對"北斗二代" B1頻段微弱信號，利用GPS相關理論和稀疏傅立葉變換理論，結(jié)合北 斗信號特性，提出了一種快速、可靠的信號捕獲算法，實現(xiàn)于SFT的頻域碼相位搜索算法，這 能進一步減少捕獲算法的運算復雜度以及捕獲時間。
[0008] 為了方便的描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先對北斗導航定位系統(tǒng)進行介紹：
[0009] 北斗導航定位系統(tǒng)發(fā)射的信號目前主要包括:B1、B2和B3共三個頻段的信號。
[0010] B1頻段和B2頻段的信號由開放服務的支路I和授權服務的支路Q，其中，B1頻段信 號包含了載波、測距碼和導航電文和3個信號分量，通過正交相移鍵控（簡稱QPSK， Quadrature Phase Shift Keying)的調(diào)制方式將導航數(shù)據(jù)信息、NH碼和測距碼調(diào)制到載波 上，載波頻率為1561.098MHz，調(diào)制在B1頻段兩個支路上的測距碼分別是支路I上的普通測 距碼(簡稱C碼)和支路Q上的精密測距碼(簡稱P碼）。與GPS不同的是，GPS采用的是二進制相 移鍵控(簡稱BPSK，Binary Phase Shift Keying)的調(diào)制方式，且在GPS的L1頻段沒有NH碼 調(diào)制。除了北斗的測距碼與GPS的C/A碼的碼周期都是lms，導航數(shù)據(jù)位周期都是20ms相同 外，北斗B1頻段I支路上測距碼的碼速率是GPS C/A碼的兩倍，即2.046Mcps，也就是該測距 碼的碼長為2046chips。從衛(wèi)星信號發(fā)射角度看，北斗與GPS-樣，都是采用碼分多址(Code Division Multiple Access，CDMA，）和右旋圓極化（Right Hand Circular Polarized， RHCP，）的方式。B1頻點信號采用"測距碼+導航電文"正交（I、Q兩路)調(diào)制在載波的結(jié)構(gòu)，其 表達式可以描述為：S4(7 ⑴(,}cos(2，t 以上信號表達式可知，B1頻點信號由I、Q兩個支路組成，其中I支路是開放服務，用于民用;Q 支路為授權服務，具有較高的測距精度，只有經(jīng)過授權后，才可以使用該頻點的信號。式中， j表示衛(wèi)星的編號;A:表示B1頻點I支路調(diào)制載波的測距碼幅度;AQ表示B1頻點Q支路調(diào)制載 波的測距碼幅度;Q表示I支路測距碼;C Q表示Q支路測距碼;D:表示I支路測距碼上調(diào)制的導 航電文;Dq表示Q支路測距碼上調(diào)制的導航電文;f 〇表示B1頻點的載波頻率;釣表示B1頻點載 波的初始相位;吻表示B1頻點載波Q支路的初始相位。
[0011] 本發(fā)明主要針對的是B1I信號，對開放支路進行研究。
[0012] B1頻段I支路測距碼（簡稱為CB1I碼），采用兩個線性反饋移位寄存器（Linear Feedback Shift Register，LFSR)設計生成，這兩個線性反饋移位寄存器都是11階的用G1 和G2表示。截短1碼片由G1和G2通過模二加的方式產(chǎn)生的平衡Gold碼生成C B1I，具體產(chǎn)生示 意圖如圖2所示。其中，G2序列的移位寄存器不同抽頭與衛(wèi)星編號之間的對應關系參考北斗 衛(wèi)星導航系統(tǒng)空間信號接口控制文件。
[0013] 根據(jù)結(jié)構(gòu)與速率的不同，導航電文分為D1和D2兩種導航電文，其中，D1導航電文是 本發(fā)明所針對的對象，碼速率為50bps的導航電文包含了基本導航信息。在D1導航數(shù)據(jù)內(nèi)存 在霍夫編碼(Neuman-Hoffman碼，NH碼），NH碼是調(diào)制在D1導航電文上的一種二次編碼，它的 碼速率是lkbps，周期時長為20ms。也就是說一個導航電文內(nèi)包含一個周期的NH碼，一個NH 碼周期包含20個碼元。在一個NH碼周期內(nèi)的20個碼元是固定已知的，依次是0，0，0，0，0，1， 0,0，1，1，0，1，0，1，0,0，1，1，1，0。此外，導航數(shù)據(jù)位、NH碼和測距碼三者是同步調(diào)制的，三者 同步調(diào)制載波后將導航信號發(fā)送出去用于衛(wèi)星導航接收機的定位，D1導航電文信號生成如 圖3所示。
[0014]本發(fā)明的技術方案：
[0015]本發(fā)明采用本地經(jīng)過量化的偽隨機碼，通過NH碼二次調(diào)制后，與接收信號進行相 干積分，這種方法優(yōu)點是將NH碼的剝離與碼相位同步同時進行。同時，由于本地偽隨機碼經(jīng) 過NH碼二次調(diào)制，如果接收數(shù)據(jù)中存在導航數(shù)據(jù)位的跳變，經(jīng)過相干積分后，不會出現(xiàn)GPS 那樣相互抵消為零的情況，同樣，可以找到最大峰值及其所在位置，從而求得初始碼相位。 其中，頻率搜索選取的范圍一般與載波多普勒頻率的變化范圍相同。在頻率步長相同的條 件下，載波頻率搜索空間增大，可能搜索到的衛(wèi)星增多，捕獲能力增強，同時計算量增大，捕 獲速度減慢，搜索空間大小對捕獲精度以及捕獲能力沒有影響。而載波頻率搜索的步長和 捕獲時間以及捕獲精度有著直接的關系，通常認為頻率搜索步長選取的最大值是單次相 關運算中數(shù)據(jù)時間長度的倒數(shù)，或者更小的頻率值。
[0016]對于兩個長度為N的數(shù)字信號x(n)與h(n)，其相關可以寫成 r(?) = 壚(/? + m)對r(n)作離散傅立葉變換 m=0 如果x(m)為實數(shù)，則有，(m)=x(m)，于是可以得到:X(K)=X\-K)，其中，X\K)代表X(K)的 共輒。
[0017] 同理可推導得:R(K)=H(_K)X(K)。
[0018] 貝 lJ:R(K)=H(K)X*(K)=H*(K)X(K)。
[0019] 因此，時域相關函數(shù)r ( n )，可由R ( K )作反傅里葉變換得到，BP : N-1 /(/,) = ^.v(/;〇/?{? i-m) - IDFT(DFT(x(n))>DFTt(h(n))), m-i)-
[0020] 完成信號捕獲只需要將相關函數(shù)中的x(n)換成北斗衛(wèi)星信號采樣序列，h(n)換作 本地偽隨機碼經(jīng)過NH碼二次調(diào)制后的碼字即可實現(xiàn)。在實際處理中，離散傅里葉變換(DFT) 一般采用快速傅里葉變換(FFT)實現(xiàn)。
[0021] 由于相關運算后得到的相關信號具有稀疏性，根據(jù)傅里葉變換的性質(zhì)：時域混疊 相當于對應頻域降采樣，反之，頻域降采樣相當于對應時域混疊。因此，用稀疏反傅里葉變 換代替IFFT，即先對頻域進行降采樣然后進行IFFT。而頻域的降采樣過程又可以通過對x (n)和h(n)進行混疊然后FFT得到。
[0022] "北斗二代" B1頻段弱信號捕獲方法，具體步驟如下：
[0023] S1、根據(jù)"北斗二代"信號測距碼的結(jié)果產(chǎn)生第j顆衛(wèi)星1個周期的本地偽隨機碼， 根據(jù)采樣頻率和碼速率的關系對所述本地偽隨機碼進行擴展，將擴展后的lms本地偽隨機 碼復制擴展為20ms，將所述本地20ms的偽隨機碼進行NH碼調(diào)制，得到本地的相關碼序列h (n)，其中，所述一個周期為lms，j = l，2,3,...，所述h(n)的長度為N; p'-y
[0024] S2、對S1所述h(n)進行混疊處理，混疊為/?'[>?]=乏>[/? + .廠列，對混疊得到的h ' ./=0.
[m]做FFT求共輒得到！'^，其中，me …，B-1}，n表示第n個采樣點，…，N-1};
[0025] S 3、接收2 0 m s的中頻采樣信號s ( n )并進行下變頻處理，即， x(h) = A-,. (/?)+ /? A；,(/?) =s(n) cx)s(2,t(./；, - ,/；v -f (/ -1) A/') ? n ? /;)，其中，x(n)表示接收機接收到的中頻信號 + /_. .s'(") ? sin(2;r( -1)40乂） 經(jīng)過降頻后的基帶信號，fIF表示設定的已知中頻載波頻率，A f為頻率搜索步長，fB為接收 信號最大多普勒頻偏，i表示對頻率的第i次搜索，ts表示采樣周期，即采樣頻率的倒數(shù)，所 述x(n)的長度為N; 嚴1
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