本發(fā)明涉及一種基于差分相關(guān)積分的北斗弱信號捕獲方法，屬于衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)信號基帶處理技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，高性能接收機(jī)的研制成為國內(nèi)外研究熱點，針對弱信號的高靈敏度接收機(jī)是其中的熱點之一。近年來國內(nèi)外許多專家學(xué)者開展高靈敏度GPS接收機(jī)的研究。隨著北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的發(fā)展，針對弱信號的高靈敏度北斗導(dǎo)航接收機(jī)具有一定的理論價值和應(yīng)用前景。

延長相干積分時間是高靈敏度接收機(jī)常用的提高信噪比的方法，同時可以降低環(huán)路中的數(shù)據(jù)率和所需的運算量。但是延長積分時間受到數(shù)據(jù)比特跳變的限制，針對北斗信號需要考慮以下兩個方面：

一方面，北斗MEO(中圓地球軌道)和IGSO(傾斜地球同步軌道)衛(wèi)星播發(fā)D1導(dǎo)航電文，速率為50bps；GEO(地球靜止軌道)衛(wèi)星播發(fā)D2導(dǎo)航電文，為500bps；數(shù)據(jù)比特跳變決定相干積分時間最大為20ms和2ms，且必須在信號位同步后，以避免數(shù)據(jù)比特跳變的影響。

另一方面，北斗MEO和IGSO衛(wèi)星信號播發(fā)的D1導(dǎo)航電文二次編碼調(diào)制了速率為1kbps的NH碼(紐霍夫曼碼)，能夠提高窄帶干擾的抵抗能力，并改善衛(wèi)星信號間的互相關(guān)特性，但同時導(dǎo)致相干積分時間受NH碼相位跳變的影響，在不去除NH碼的情況下相干積分時間被限制為1ms。

因此，較GPS信號，北斗信號中包含更多的數(shù)據(jù)比特跳變和NH碼相位變化，需要針對北斗信號的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計合適的捕獲算法消除或削弱數(shù)據(jù)比特跳變和NH碼相位變化的影響，以延長積分時間來提高北斗弱信號捕獲的靈敏度。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于差分相關(guān)積分的北斗弱信號捕獲方法，對傳統(tǒng)的差分相關(guān)積分進(jìn)行改進(jìn)，采用按采樣點進(jìn)行延遲的形式，能夠極大地削弱NH碼跳變和比特跳變的影響，延長積分時間，提高信號信噪比。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案：

一種基于差分相關(guān)積分的北斗弱信號捕獲方法，包括如下步驟：

步驟1，利用北斗接收機(jī)天線接收北斗衛(wèi)星信號，對北斗衛(wèi)星信號進(jìn)行混頻下變頻到中頻，并進(jìn)行正交采樣，獲得復(fù)數(shù)型正交采樣信號；

步驟2，對步驟1正交采樣信號按采樣點進(jìn)行延遲，并做差分相關(guān)積分運算，得到碼相位估計值；具體如下：

步驟21，對正交采樣信號序列按采樣點進(jìn)行延遲，得到延遲信號，將正交采樣信號與上述延遲信號進(jìn)行共軛相乘，得到乘積1；

步驟22，對本地碼序列按步驟21相同的采樣點進(jìn)行延遲，得到本地碼延遲信號，將本地碼延遲信號與本地碼相乘，得到乘積2；

步驟23，將乘積1和乘積2分別進(jìn)行傅里葉變換，再將傅里葉變換后的結(jié)果進(jìn)行共軛相乘，得到乘積3；

步驟24，將乘積3進(jìn)行反傅里葉變換，得到結(jié)果4，對結(jié)果4進(jìn)行取模，并進(jìn)行閾值判斷，若峰值超過第一預(yù)設(shè)閾值，則認(rèn)為衛(wèi)星可見，根據(jù)峰值位置獲得碼相位估計值；

步驟3，在得到碼相位估計值的基礎(chǔ)上，對載波多普勒頻率進(jìn)行估計，得到載波多普勒頻率估計值，捕獲完成。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟3的具體過程如下：

步驟31，根據(jù)步驟2獲得的碼相位估計值生成當(dāng)前本地碼序列，將當(dāng)前本地碼與步驟1正交采樣信號相乘，得到乘積5；

步驟32，對乘積5進(jìn)行傅里葉變換得到結(jié)果6，對結(jié)果6進(jìn)行取模，并進(jìn)行閾值判斷，若峰值超過第二預(yù)設(shè)閾值，則根據(jù)峰值位置獲得載波多普勒頻率估計值，捕獲完成。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，在步驟3之后，根據(jù)得到的載波多普勒頻率估計值，進(jìn)行北斗衛(wèi)星信號的載波環(huán)和碼環(huán)的跟蹤。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，步驟2所述對正交采樣信號序列按采樣點進(jìn)行延遲，具體為將正交采樣信號序列延遲1個采樣點或者10個采樣點。

作為本發(fā)明的一種優(yōu)選方案，所述步驟2利用FFT算法對碼相位進(jìn)行并行搜索，步驟3利用FFT算法對載波多普勒頻率進(jìn)行并行搜索。

本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果：

1、本發(fā)明針對北斗信號比特跳變和NH碼跳變頻繁的特殊性，對傳統(tǒng)的差分相關(guān)積分進(jìn)行改進(jìn)，提出通過按采樣點延遲的方式進(jìn)行差分相關(guān)運算，能夠極大地削弱NH碼跳變和比特跳變的影響，延長積分時間，提高信號信噪比。

2、本發(fā)明采用FFT算法實現(xiàn)碼相位和載波頻率的并行搜索，相比傳統(tǒng)捕獲算法極大地縮減捕獲時間。

3、本發(fā)明適用于全部北斗民用信號，無需考慮GEO和非GEO導(dǎo)航電文的差異。

附圖說明

圖1是本發(fā)明基于差分相關(guān)積分的北斗弱信號捕獲方法的步驟流程圖。

圖2是實施本發(fā)明捕獲方法的裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明捕獲方法仿真得到的碼相位估計結(jié)果圖。

圖4是本發(fā)明捕獲方法仿真得到的載波頻率估計結(jié)果圖。

圖5是本發(fā)明捕獲方法仿真得到的各衛(wèi)星捕獲結(jié)果圖。

具體實施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種基于差分相關(guān)積分的北斗弱信號捕獲方法，該方法采用按采樣點延遲的方式進(jìn)行差分相關(guān)運算，將正交采樣信號進(jìn)行延遲共軛相乘，再與經(jīng)過相同操作的本地碼進(jìn)行相乘，通過傅里葉變換及反傅里葉變換對采樣信號與碼序列的相關(guān)情況進(jìn)行檢測，獲得衛(wèi)星碼相位估計值；再將采樣信號與本地碼進(jìn)行相乘，通過傅里葉變換和閾值判斷獲得載波多普勒頻率的估計值。

如圖2所示，為本發(fā)明實施例的裝置結(jié)構(gòu)示意圖，本發(fā)明捕獲方法可以用圖2所示裝置實現(xiàn)，但不局限于圖2所示裝置。整個裝置包括：天線、射頻模塊和基帶處理模塊?；鶐幚砟K由DSP(數(shù)字信號處理器)、FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)及外圍芯片組成。其中FPGA和DSP共同配合完成本發(fā)明的信號捕獲功能，由FPGA實現(xiàn)多通道并行處理，DSP控制流程的運行和外圍信息的收發(fā)。由北斗天線接收衛(wèi)星信號，經(jīng)過射頻處理得到數(shù)字中頻采樣信號，進(jìn)入基帶處理模塊進(jìn)行捕獲過程，實現(xiàn)對碼相位和載波多普勒頻率的估計。

具體的步驟如下：

步驟1、北斗接收機(jī)由天線接收北斗衛(wèi)星信號，在射頻前端進(jìn)行混頻下變頻到中頻后，進(jìn)行正交采樣獲得復(fù)數(shù)型正交采樣信號。

步驟2、進(jìn)行基于采樣點延遲的差分相關(guān)積分運算，對采樣信號按采樣點進(jìn)行延遲，并與當(dāng)前信號共軛相乘；本地碼也進(jìn)行延遲相乘；再對兩乘積進(jìn)行傅里葉變換、共軛相乘、反傅里葉變換，對結(jié)果的絕對值進(jìn)行閾值判斷，根據(jù)峰值情況獲得碼相位的估計值。具體為：

21)將采樣信號序列進(jìn)行延遲，例如延遲1個采樣點或10個采樣點；

22)將采樣信號與上述延遲信號進(jìn)行共軛相乘，得到乘積1；

23)將本地碼序列按相同的采樣點進(jìn)行延遲，并與原本地碼相乘，得到乘積2；

24)將乘積1和乘積2分別進(jìn)行傅里葉變換，再將傅里葉變換后的結(jié)果進(jìn)行共軛相乘，得到乘積3；

25)將乘積3進(jìn)行反傅里葉變換，得到結(jié)果4；

26)對結(jié)果4進(jìn)行取模，并進(jìn)行閾值判斷，其中閾值根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)置，如果唯一峰值超過閾值，則認(rèn)為衛(wèi)星可見，根據(jù)峰值位置獲得碼相位估計值。

步驟3、在步驟2獲得的碼相位估計值的基礎(chǔ)上，將采樣信號與本地碼相乘，對乘積進(jìn)行傅里葉變換后，對結(jié)果進(jìn)行取模和閾值判斷，根據(jù)峰值情況獲得載波多普勒頻率估計值。具體為：

31)按照獲得的碼相位估計值生成當(dāng)前本地碼序列，與采樣信號相乘，獲得乘積5；

32)對乘積5進(jìn)行傅里葉變換得到結(jié)果6；

33)對結(jié)果6進(jìn)行取模，并進(jìn)行閾值判斷，其中閾值根據(jù)經(jīng)驗值設(shè)置，如果唯一峰值超過閾值，則根據(jù)峰值位置獲得載波多普勒頻率估計值，捕獲過程完成。

在獲得的載波多普勒頻率的基礎(chǔ)上，進(jìn)行信號的載波環(huán)和碼環(huán)的跟蹤。

基于以上裝置和方法步驟，利用CCS軟件進(jìn)行在線仿真，碼相位估計、載波頻率估計、各衛(wèi)星捕獲仿真結(jié)果如圖3、圖4和圖5所示。由仿真結(jié)果可以看出本發(fā)明的捕獲方法能夠穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)北斗信號碼相位和載波頻率的估計，實現(xiàn)衛(wèi)星捕獲功能。

綜上，本發(fā)明針對北斗信號比特跳變和NH碼跳變頻繁的特殊性，對傳統(tǒng)的差分相關(guān)積分進(jìn)行改進(jìn)，提出通過按采樣點延遲的方式進(jìn)行差分相關(guān)運算，能夠極大地削弱NH碼跳變和比特跳變的影響，延長積分時間，提高信號信噪比；采用FFT算法實現(xiàn)碼相位和載波頻率的并行搜索，相比傳統(tǒng)捕獲算法極大地縮減捕獲時間；并適用于全部北斗民用信號，無需考慮GEO和非GEO導(dǎo)航電文的差異。

以上實施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想，不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想，在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動，均落入本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。