一種北斗導(dǎo)航系統(tǒng)d1導(dǎo)航電文的捕獲方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及導(dǎo)航信號檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種北斗導(dǎo)航系統(tǒng)D1導(dǎo)航電文的 捕獲方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 北斗衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)（BeiDouNavigationSatelliteSystem,BDS)是中國自 主研發(fā)，獨(dú)立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)。北 斗接收機(jī)負(fù)責(zé)接收北斗衛(wèi)星發(fā)射的信號，進(jìn)行處理后獲取導(dǎo)航電文等信息，實現(xiàn)定位功能。 接收機(jī)實現(xiàn)以上功能首先需完成對衛(wèi)星信號的捕獲，信號捕獲過程是對接收信號衛(wèi)星編 號、載波多普勒頻偏和測距碼相位延遲的三維搜索過程，當(dāng)本地參考序列與對應(yīng)編號的衛(wèi) 星信號達(dá)到粗同步且頻率近似相等時，通過相關(guān)運(yùn)算會產(chǎn)生相關(guān)峰，作為捕獲成功的依據(jù)。 衛(wèi)星信號捕獲的主要方法有串行搜索、并行頻域搜索、并行碼相位搜索和匹配濾波等，其中 應(yīng)用快速傅里葉變換（FastFourierTransform,FFT)的并行碼相位搜索方法硬件利用率 高，捕獲速度快，在實際接收機(jī)中被廣泛應(yīng)用。
[0003] 北斗導(dǎo)航系統(tǒng)D1導(dǎo)航電文調(diào)制有二次編碼，即在速率為50bps的D1導(dǎo)航電文上 調(diào)制有20比特的Neumann-Hoffman(NH)碼。調(diào)制后的信號碼速率為lkbps，碼寬為1毫秒， 與導(dǎo)航信息碼和擴(kuò)頻碼同步調(diào)制。應(yīng)用NH碼有提高定位性能、增加互相關(guān)增益和增強(qiáng)抗窄 帶干擾等優(yōu)勢，但由于調(diào)制后信號碼寬與常用相干積分時間相同，比特跳變可能在相干積 分內(nèi)的任意時刻發(fā)生，且發(fā)生頻率頻繁。比特跳變會導(dǎo)致并行碼相位搜索的輸出相關(guān)峰在 頻率軸分裂，相關(guān)增益降低，導(dǎo)致錯誤的多普勒估計或捕獲失敗，不利于接收機(jī)實現(xiàn)快速定 位。
[0004] 為解決北斗導(dǎo)航系統(tǒng)D1導(dǎo)航電文捕獲過程中的比特跳變問題，目前提出的方法 有零拓展法、兩步捕獲法和NH碼同步捕獲法等。零拓展法可以消除比特跳變引起的相關(guān)峰 分裂，但算法特性限制了相干積分增益，在輸入信號載噪比較低時捕獲效果不理想。兩步捕 獲法可以減輕比特跳變對捕獲的影響，但耗時較長計算量較大，且在載噪比較低時捕獲效 果不理想。NH碼同步捕獲法減輕比特跳變的影響，可獲得較大增益，但計算量大，不利于硬 件實現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種北斗導(dǎo)航系統(tǒng)D1導(dǎo)航電文的捕獲方法，能夠適應(yīng)各 種比特跳變情況，增加了相干積分增益，并消除了相關(guān)峰分裂導(dǎo)致的載波頻率錯誤估計，可 以有效、可靠地捕獲北斗導(dǎo)航系統(tǒng)D1導(dǎo)航電文。
[0006] 本發(fā)明的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)D1導(dǎo)航電文的捕獲方法，包括如下步驟：
[0007] 步驟1，地面接收包含干擾的D1導(dǎo)航電文的信號序列，對接收信號序列進(jìn)行補(bǔ)零， 將補(bǔ)零后的接收信號序列與根據(jù)載波多普勒頻偏粗估計值獲得的本地載波復(fù)序列相乘進(jìn) 行混頻，實現(xiàn)載波多普勒頻偏剝離；
[0008] 步驟2,對本地復(fù)現(xiàn)碼按照兩種方式同時進(jìn)行拓展，獲得本地復(fù)現(xiàn)碼A和本地復(fù)現(xiàn) 碼B，其中，本地復(fù)現(xiàn)碼A由兩個周期的相同偽隨機(jī)碼構(gòu)成，本地復(fù)現(xiàn)碼B由一個周期的偽隨 機(jī)碼和一個周期的反向偽隨機(jī)碼構(gòu)成，其中反向偽隨機(jī)碼由原偽隨機(jī)碼各位取反獲得；分 別對本地復(fù)現(xiàn)碼A和本地復(fù)現(xiàn)碼B進(jìn)行補(bǔ)零；
[0009] 步驟3,將步驟1中獲得的混頻結(jié)果分別與步驟2中的兩個本地復(fù)現(xiàn)碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn) 算；
[0010] 步驟4,將步驟3中得到的兩路相關(guān)運(yùn)算結(jié)果送入判決器，根據(jù)判決規(guī)則獲得載波 多普勒頻偏估計值尤和測距碼相位延遲估計值f，其中，判決規(guī)則如下：
[0011] mdPm2分別為本地復(fù)現(xiàn)碼A和本地復(fù)現(xiàn)碼B得到的最大相關(guān)峰幅值；
[0012] 當(dāng)叫彡m2時，最大相關(guān)峰幅值即由本地復(fù)現(xiàn)碼A形成，本地復(fù)現(xiàn)碼A最大相關(guān) 峰幅值的對應(yīng)位置為（fdl，^)，當(dāng)時，（fdl，Tl)即為捕獲結(jié)果，當(dāng)Tl>N時， (fdl，丁JN-L)即為捕獲結(jié)果；其中，fd為載波多普勒頻偏，丁為測距碼相位延遲，下標(biāo)1表 示本地復(fù)現(xiàn)碼A的相關(guān)參數(shù)，下標(biāo)2表示本地復(fù)現(xiàn)碼B的相關(guān)參數(shù)，N為一個碼周期內(nèi)接收 信號序列的采樣點(diǎn)數(shù)，L為FFT運(yùn)算長度；
[0013] 當(dāng)，最大相關(guān)峰幅值由本地復(fù)現(xiàn)碼B形成，本地復(fù)現(xiàn)碼B最大相關(guān)峰幅值 的對應(yīng)位置為（fd2,t2)，當(dāng)t2彡N時，（fd2,t2)即為捕獲結(jié)果，當(dāng)t2>N時，（fd2,t2+N-L) 即為捕獲結(jié)果。
[0014] 進(jìn)一步地，所述補(bǔ)零方法為：對接收信號序列或本地復(fù)現(xiàn)碼序列進(jìn)行少量補(bǔ)零，使 得補(bǔ)零后的序列長度為2的整數(shù)次冪，且長度最短。
[0015] 有益效果：
[0016] (1)本發(fā)明針對現(xiàn)有GNSS信號捕獲方法應(yīng)用于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)D1導(dǎo)航電文捕獲 時存在如捕獲結(jié)果存在相關(guān)峰衰減、相關(guān)峰分裂、捕獲算法計算量大耗時長、效率不高等問 題，采用本地碼拓展方法消除比特跳變的影響，針對增加相干積分時間后導(dǎo)致積分時間內(nèi) 存在多種比特跳變情況的問題，將本地復(fù)現(xiàn)碼以兩種方式拓展，以適應(yīng)各比特跳變情況，同 時增加了相干積分增益；根據(jù)兩路相關(guān)結(jié)果的序列特性，設(shè)計判決器，可以獲得后續(xù)處理所 需的載波多普勒頻偏估計值和測距碼相位延遲估計值。本發(fā)明能夠增加捕獲增益，減少硬 件負(fù)擔(dān)同時增加算法效率，能夠適應(yīng)各種比特跳變情況。
[0017] (2)本發(fā)明采用部分補(bǔ)零法使序列長度滿足為2的整數(shù)次冪，雖會導(dǎo)致部分序列 混疊，但同時會進(jìn)一步消除相干積分時間內(nèi)發(fā)生一次比特跳變時可能導(dǎo)致的相關(guān)峰分裂， 同時減少計算復(fù)雜度，進(jìn)而提高系統(tǒng)整體性能。
[0018] (3)與常規(guī)方法直接根據(jù)捕獲結(jié)果獲得載波多普勒頻偏估計值和測距碼相位延遲 估計值不同，本發(fā)明使用判決器根據(jù)各相關(guān)峰位置及幅值判斷相關(guān)運(yùn)算結(jié)果合理性，降低 虛警概率，提高捕獲準(zhǔn)確度。
【附圖說明】
[0019] 圖1為本地復(fù)現(xiàn)碼拓展法模塊圖。
[0020] 圖2為本地復(fù)現(xiàn)碼拓展法在各比特跳變情況下的相關(guān)結(jié)果示意圖。
[0021] 圖3為三種不同捕獲方法獲得的相干積分后信噪比曲線。
[0022] 圖 4 為兩種方法接收機(jī)性能特性（ReceiverOperatingCharacteristic,R0C)曲 線。
[0023] 圖5為兩種方法捕獲結(jié)果統(tǒng)計直方圖。
【具體實施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。
[0025] 本發(fā)明提供了一種北斗導(dǎo)航系統(tǒng)D1導(dǎo)航電文的捕獲方法。
[0026] 北斗接收機(jī)通過接收天線接收淹沒在加性高斯白噪聲中的衛(wèi)星信號，經(jīng)過射頻前 端的下變頻、濾波放大和模擬 -數(shù)字轉(zhuǎn)換（Analog-to-DigitalConverter，ADC)的處理，不 考慮濾波器損耗和量化噪聲的影響，假設(shè)加性高斯白噪聲序列獨(dú)立不相關(guān)，根據(jù)北斗導(dǎo)航 系統(tǒng)D1導(dǎo)航電文產(chǎn)生規(guī)則和常規(guī)北斗接收機(jī)射頻部分工作原理，可得到基帶信號處理模 塊接收到的信號表達(dá)式為：
[0027]
[0028] s[k]為待處理的信號序列，A為衛(wèi)星測距信號幅值（V)，t為測距碼相位延遲值 (ms)，TS為采樣周期（ms)，fD為下變頻后的載波頻率值（Hz)，表示載波中頻（Intermediate Frequency，IF)fIF為載波多普勒頻偏值fd的和，為載波初始相位值，d[k_ t/Ts]表示數(shù) 據(jù)碼序列，cPRN[k- t/TJ表示偽隨機(jī)碼序列，cNH[k- t/Ts]表示參與二次調(diào)制的NH碼序列， n[k]表示噪聲序列。
[0029] 若不考慮比特跳變的影響，常規(guī)并行碼相位搜索方法相關(guān)峰的產(chǎn)生過程為輸入信 號分別與本地同相和正交復(fù)現(xiàn)序列相乘，使用循環(huán)相關(guān)進(jìn)行1毫秒相干積分后進(jìn)行非相干 積分，進(jìn)而獲得各載波多普勒頻偏測試值和測距碼相位延遲測試值對應(yīng)的相關(guān)峰峰值，根 據(jù)最大峰值位置得出所需參數(shù)的估計值。相干積分過程表達(dá)式為：