一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法

摘要

本发明提出一种针对BOC调制信号在低信噪比条件下的GNSS-BOC调制信号的捕获方法，包括步骤一：将中频输入信号剥离载波、步骤二：将本地伪随机码Local_PRN信号和经过BOC调制的本地Local_BOC信号中各个相位的值从1改为0、步骤三：得到叠加后的中频输入信号等步骤。本发明能够消除BOC调制信号自相关函数的多峰值特性，避免了多峰值特性给GNSS接收机捕获BOC调制信号时产生的误检和漏检问题。对相关运算、相干累积方法的改进大幅度减小运算量，缩短了GNSS接收机对输入信号的处理时间，增强了接收机的实时性。

说明书

技术领域

本发明属于导航定位技术领域，具体涉及在低信噪比条件下一种GNSS-BOC调制信号的 捕获方法。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)是全球性的位置与时间测定系统，由于能够提供高精度、全 球化、全天候、实时、连续的导航服务，因此在军事、民生的不同领域均具有广泛的应用。 鉴于卫星导航系统的重要作用，世界各军事大国均在大力发展及完善各自的相关系统，如美 国的GPS系统、欧洲的Galileo系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统等。然而， 信号频段不断变得拥挤，信号间相互干扰不断严重，卫星导航系统的抗干扰性、可扩展性和 可用性均难以满足用户对系统的需求。二进制偏移载波(BOC)调制技术是解决这一问题的有 效实施方案。该技术能够使信号能量集中分布在频带边缘，充分利用频带资源，避免信号之 间的频谱混叠导致的相互干扰。BOC调制技术虽然较好的解决了系统不断扩展和完善所引起 的频段拥挤问题，但是由于BOC调制信号存在的相关函数多峰值特性，容易使导航接收机出 现误检和漏检问题。在信号受到严重衰减的情况下，接收信噪比产生一定程度的削弱，所以 接收机定位精度大大降低，总体性能严重恶化，难以捕获和跟踪导航卫星信号。对于GPS系 统，只要使用1ms的数据就可以得到信号的码相位和载波频率，即可以捕获卫星信号。但是 在弱信号环境中，如果只使用1ms的数据是不足以捕获卫星信号的。这样卫星导航接收机需 要用多个周期累积的卫星信号能量获得合适的信噪比，通常有三种方法来提高信噪比：相干 累积、非相干累积和差分相干累积。下面对这三种方法进行表述：

相干累积方法：

$P_{\mathrm{CC}}^N=\underset{m(i,j)}{\max }\left\{{\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{y}^n(i,j)\right|}^2\right\}$

非相干累积方法：

$P_{\mathrm{DCC}}^N=\underset{m(i,j)}{\max }\left\{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left|y^{\left(n\right)}(i,j)\right|}^2\right\}$

差分相干累积方法：

$P_{\mathrm{DFC}}^N=\underset{m(i,j)}{\max }\left\{\right\{\left|\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\left[y^{(n-1)}(i,j)\right]}^{*}{y}^{\left(n\right)}(i,j)\right|\left\}\right\}$

其中，N为循环本地码的周期数，i为本地码码相位，j为输入信号的码相位，y为一个 周期的相关运算。n表示本地码具体的第几个周期，m(i，j)表示所有检测单元，表示相干 累积方法输出检测值，表示非相干累积方法输出检测值，差分相干累积方法输出检 测值，*表示共轭。

相干累积方法：

相干累积方法是将输入信号与本地信号相关运算的结果直接进行累加运算，保留所有的 相位信息。相干累积方法能使信噪比得到明显提高是因为：相干累积使信号幅值呈倍数增长， 信号的功率呈倍数平方增长，而对于噪声基底有平均作用，噪声功率只是简单的累加关系。 相干累积方法不会引起平方损耗，检测峰值的成功率很高，但是导航电文数据位每20ms会发 生翻转，使相干累积产生的信噪比迅速减小。

非相干累积方法：

非相干累积去除了相位信息，只保留幅度信息。因为去除了相位信息，避免了累积时间 受到导航数据位翻转的影响。但是非相干累积方法中对相关值取模，使噪声也进行了平方运 算，取模后的累加运算不但没有将噪声互相抵消，而且使噪声能量相互叠加，从而产生平方 损耗。

差分相干累积方法：

差分相干累积方法是将前1ms的相干累积结果不进行平方运算，而是与上1ms的相干累 积结果进行相乘。因为GPS信号具有周期稳定特性，每个周期的信号经过相关运算后，得到 的结果都具有高度的相关性，根据高斯白噪声的特性，这两毫秒的噪声是没有相关性的，因 此能够抑制噪声能量的叠加，从而获得比非相干累积算法更高的灵敏度。该算法的优点在于 增益损耗降到最低的情况下，获取长时间积分的能力以提高信噪比增益，通常差分相干累积 方法相比于非相干累积方法能够多提供2.5dB的信噪比增益。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有信噪比累积方法消耗时间长并且不适用于新型调制技术的 GNSS信号的问题，提出一种针对BOC调制信号在低信噪比条件下的GNSS-BOC调制信号的捕 获方法。本发明利用互相关算法消除BOC调制信号自相关函数的多峰值特性，以相关结果作 为累积的基本单元，在这个过程中，对相关运算和相干累积算法进行改进，减少运算量，缩 短运算处理时间。同时采用差分相干累积延长相干积分的数据长度，并对检测变量进行修改， 提高处理增益，从而提高接收机的灵敏度。

本发明提出的一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法，包括以下几个步骤：

步骤一：将接收到的中频输入信号剥离载波后，共分为K段，每段为N毫秒的输入数据， 其中K≥2，N≥1。

步骤二：将本地伪随机码Local_PRN信号经过副载波调制后生成BOC调制的本地 Local_BOC信号，分别将本地伪随机码Local_PRN信号和经过BOC调制的本地Local_BOC信 号中各个相位的值从1改为0，得到本地伪随机码Local_PRN’信号和BOC调制的本地 Local_BOC’信号，再分别对处理后的本地伪随机码Local_PRN’信号和BOC调制的本地 Local_BOC’信号做FFT运算，得到FFT(Local_PRN’)信号和FFT(Local_BOC’)信号。

步骤三：将中频输入信号中每段N毫秒的输入数据信号进行对应位的叠加，生成1毫秒的 输入叠加信号，然后对该叠加信号进行FFT运算，得到叠加后的中频输入信号z(k)。

步骤四、将步骤三中叠加后的中频输入信号z(k)分别与步骤二中生成的FFT(Local_PRN’) 信号和FFT(Local_BOC’)信号复共轭相乘后，得到k段中频输入信号与BOC调制的本地 Local_BOC信号的互相关值和k段中频输入信号与本地伪随机码Local_PRN信号的互相关值， 再将叠加后的中频输入信号与BOC调制的本地Local_BOC信号互相关值、本地伪随机码 Local_PRN信号互相关值分别做IFFT运算，然后对IFFT运算后的互相关值分别取模后，将 BOC调制的本地Local_BOC信号互相关值经IFFT运算取模后的值减去本地伪随机码 Local_PRN信号互相关值经IFFT运算取模后的值，得到对应k段N毫秒数据的相关值R_{k_n}， 其中k表示K中任意的一段。

步骤五、将第k段N毫秒数据的相关值R_{k_n}取共轭后，与第k+1段N毫秒数据的相关值 R_{k+1_n}相乘，得到差分累积结果P_k+1，共得到K-1个差分累积结果，对K-1个的差分累积结 果取模后进行逐一累加，得到累加值M_k-1。

步骤六、将差分相干累积的结果M_k-1加上第一段N毫秒数据的相关值R_{1_n}的平方和第K 段Nms数据的相关值R_{K_n}的平方M_k-1+R_{1_n}²+R_{K_n}²作为检测值。

步骤七、将检测值M_k-1+R_{1_n}²+R_{K_n}²通过比较器与设定的信号检测门限值大小进行比较， 若检测值超过检测门限值认为信号被准确捕获，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收 中频输入信号中的结论，其中门限的选取可参见文献：黄倩，陈惠民.一种基于相关检测的自 适应门限控制算法[J].上海大学学报，2002，(1)：11-14]。

步骤八、当发现存在定位所需要的卫星信号，通过GNSS接收机继续正常接收卫星信号， 得到导航电文，实现定位；如果没有发现所需要的卫星信号，则进行更换卫星重复步骤一至 七。

本发明的优点在于：

(1)本发明提出一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法，能够消除BOC调制信号自相关函 数的多峰值特性，避免了多峰值特性给GNSS接收机捕获BOC调制信号时产生的误检和漏检问 题。

(2)本发明提出一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法，对相关运算、相干累积方法的改 进大幅度减小运算量，缩短了GNSS接收机对输入信号的处理时间，增强了接收机的实时性。

(3)本发明提出一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法，采用了差分相干累积方法，使累 积时间不受导航数据位跳变的影响，能够尽可能利用接收到的卫星数据，实现长时间积分， 从而提高处理增益。

(4)本发明提出一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法，对于检测值的修改，使接收机在 没有增加整体运算量的情况下，提高了接收机的灵敏度。

附图说明

图1：本发明提出一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法的流程图；

图2：应用本发明提出的一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法时BOC调制信号的自相关函 数；

图3：未采用本发明提出的一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法时BOC调制信号的自相关 函数；

图4：本发明与相干累积结合差分相干累积方法在运算量上的比较图，其中横坐标为累 积时间，纵坐标为运算量；

图5：本发明与相干累积结合差分相干累积方法的检测概率比较图，其中横坐标为信噪 比，纵坐标为检测概率；

图6：本发明的方法在SNR＝-19dB下20毫秒输入数据的捕获结果图，横坐标为采样点， 纵坐标为多普勒频移，Z坐标为相关值；

图7：是本发明的方法在SNR＝-32dB下80毫秒输入数据的捕获结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细的说明。

本发明提出一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法，如图1所示，包括以下几个步骤：

步骤一、将接收到的中频输入信号剥离载波后，共分为K段，每段为N毫秒的输入数据， 其中K≥2，N≥1；

步骤二、将本地伪随机码Local_PRN信号经过副载波调制后生成BOC调制的本地 Local_BOC信号，本地同时有BOC调制的本地Local_BOC信号和本地伪随机码Local_PRN信 号两路信号。由于PRN码的相关值取决于PRN码中值-1对应数值的累加结果。因此采用傅里 叶变换FFT进行相关运算的过程，将本地复现信号各个相位中值为1改成值为0后，与中频 输入信号相乘所得的相关值等于不改变本地复现信号情况下的相关值。在相关性没有改变的 情况下，虽然频域相关运算中相关点数没有减少，但是接近一半的点为0，运算复杂度大大 降低，频域的运算速度得以较大提高。分别将本地伪随机码Local_PRN信号和经过BOC调制 的本地Local_BOC信号中各个相位的值从1改为0，得到本地伪随机码Local_PRN’信号和 BOC调制的本地Local_BOC’信号，再分别对处理后的本地伪随机码Local_PRN’信号和BOC 调制的本地Local_BOC’信号做FFT(快速傅立叶变换)运算，得到FFT(Local_PRN’)信号 和FFT(Local_BOC’)信号。

步骤三、由于信噪比累积运算中相干累积时间较长时，中频输入信号每段中每1毫秒数 据都需要进行相关运算，其整体运算量相当大。因此本发明采用先叠加后相关的方法，减少 相关运算量，由于：

Y_n(k)＝IFFT(FFT(y_n(k))·FFT^*(x_n(k)))

其中，Y_n(k)为中频输入信号每段第n毫秒输入数据信号的相关值，y_n(k)为中频输入信 号第n毫秒的输入数据信号，x_n(k)为本地信号，为步骤二中本地Local_PRN信号或BOC调制 的本地Local_BOC信号。则中频输入信号中每段N毫秒数据经相关运算后的相关值进行相干 累积后表示为：

$Y\left(k\right)=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{Y}_n\left(k\right)$

$=\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}\mathrm{IFFT}(\mathrm{FFT}\left(y_n\left(k\right)\right)·{\mathrm{FFT}}^{*}\left(x_n\left(k\right)\right))$

$=\mathrm{IFFT}(\mathrm{FFT}\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{y}_n\left(k\right)\right)·{\mathrm{FFT}}^{*}\left(x_n\left(k\right)\right))$

$=\mathrm{IFFT}(\mathrm{FFT}\left(z\left(k\right)\right)·{\mathrm{FFT}}^{*}\left(x_n\left(k\right)\right))$

式中，z(k)是接收到的N毫秒中频输入信号的叠加，Y(k)表示中频输入信号中每段N毫 秒数据经相关运算后的相关值。由上式可以看出当每段N毫秒数据叠加为1毫秒数据后所进 行的一次相关运算能够替代原来每段N毫秒数据分别进行N次1毫秒的相关运算后再累加， 因此N次相关运算缩减为1次相关运算，大幅度的提高了运算效率。因此在本发明中将中频 输入信号中每段N毫秒的输入数据信号进行对应位的叠加，生成1毫秒的输入叠加信号，然 后对该叠加信号进行FFT运算，得到叠加后的中频输入信号z(k)。

步骤四、将步骤三中叠加后的中频输入信号z(k)分别与步骤二中生成的FFT(Local_PRN’) 信号和FFT(Local_BOC’)信号复共轭相乘后，得到k段叠加后的中频输入信号与BOC调制的 本地Local_BOC信号的互相关值和k段叠加后的中频输入信号与本地伪随机码Local_PRN信 号的互相关值，再将叠加后的中频输入信号与BOC调制的本地Local_BOC信号互相关值、本 地伪随机码Local_PRN信号互相关值分别做IFFT(快速傅立叶逆变换)运算，然后对IFFT 运算后的值分别取模后，将BOC调制的本地Local_BOC信号互相关值经IFFT运算取模后的互 相关值减去本地伪随机码Local_PRN信号互相关值经IFFT运算取模后的互相关值，得到对应 k段N毫秒数据的相关值R_{k_n}，其中k表示K中任意的一段，所生成的相关值R_{k_n}只出现一 个主峰，消除了BOC调制的本地Local_BOC信号自相关函数的多峰值特性，R_{k_n}不具有BOC 调制的本地Local_BOC信号相关函数的多峰值特性，自相关函数值可以表示为：

$R_{k\_n}=H_{\mathrm{BOC},\mathrm{BOC}}^2-H_{\mathrm{BOC},\mathrm{PRN}}^2$

$=\mathrm{IFFT}{(\mathrm{FFT}\left(z\left(k\right)\right).\times {\mathrm{FFT}}^{*}(\mathrm{Local}\_{\mathrm{BOC}}^{\prime }))}^2-\mathrm{IFFT}{(\mathrm{FFT}\left(z\left(k\right)\right).\times {\mathrm{FFT}}^{*}(\mathrm{Local}\_{\mathrm{PRN}}^{\prime }))}^2$

式中，R_{k_n}是自相关函数值，H_BOC，BOC是输入中频信号与BOC调制的本地Local_BOC信 号的互相关函数，H_BOC，PRN是输入中频信号与本地Local_PRN信号的互相关函数，z(k)是接 收到的N毫秒中频输入信号的叠加，Local_PRN’是处理后的本地Local_PRN信号，Local_BOC’ 是处理后的BOC调制的本地Local_BOC信号。

步骤五、将任意的第k段N毫秒数据的相关值R_{k_n}取共轭后，与第k+1段N毫秒数据的 相关值R_{k+1_n}相乘，得到差分累积结果P_k+1，共得到K-1个差分累积结果。对K-1个的差分 累积结果取模后进行逐一累加，得到累加值M_k-1，表示为：

M_K-1＝|P₂|+|P₃|+...+|P_K|

＝|conj(R_{1_n})×R_{2_n}|+|conj(R_{2_n})×R_{3_n}|+...+|conj(R_{K-1_n})×R_{K_n}|

步骤六、在差分相干累积算法中，第一组和最后一组的相关结果并没有进行累加，本发 明将差分相干累积的结果M_k-1加上第一段N毫秒数据的相关值R_{1_n}的平方和第K段N毫秒 数据的相关值R_{K_n}的平方形成最终的检测值，表示为M_k-1+R_{1_n}²+R_{K_n}²。第一段N毫秒数据 的的相关值R_{1_n}和最后一段第K段N毫秒数据的相关值R_{K_n}在步骤四中获得，没有增添额外 的运算量。每一段的数据都经过步骤三的叠加处理，因此累加值的长度为1毫秒。

步骤七、将检测值M_k-1+R_{1_n}²+R_{K_n}²通过比较器与设定的信号检测门限值大小进行比较， 若检测值超过检测门限值认为信号被准确捕获，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收 中频输入信号中的结论，其中门限的选取可参见[黄倩，陈惠民.一种基于相关检测的自适应门 限控制算法[J].上海大学学报，2002，(1)：11-14]。

步骤八、当发现存在定位所需要的卫星信号，通过GNSS接收机继续正常接收卫星信号， 得到导航电文，实现定位；如果没有发现所需要的卫星信号，则进行更换卫星重复步骤一至 七。

应用本发明提出的一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法，消除BOC调制信号的效果如图2 所示，与未采用本发明提出的方法的效果图进行(如图3)对比，可以看出该方法消除了BOC 调制信号相关函数中的旁峰，并且主峰没有能量损失，避免了接收机捕获BOC调制信号时出 现误检和漏检的问题。

本发明提出的一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法与现有技术中的相干累积结合差分相 干累积方法在运算量上的比较，如图4所示，在相干累积时间为10毫秒，差分相干累积次数 分别为2、3、4、5、6、7、8的情况下，通过图4可以看出，当累积时间越长，本发明的方 法相比于相干累积结合差分相干累积方法对数据处理的优势就越明显。

本发明提出的一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法与现有技术中的相干累积结合差分相 干累积方法的检测概率进行比较。在相同的80毫秒累积时间内和不同信噪比条件下，通过蒙 特卡洛仿真对本发明的检测概率进行计算，并与传统的相干累积结合差分相干累积算法在检 测性能上进行对比，如图5所示，可以看出经过对差分相干累积算法检测变量的修改，本发 明对弱信号的检测性能明显增强，在不需要辅助数据的条件下，通过80毫秒数据的累积，能 在-32dB/2MHz的微弱信号条件下，达到90％的检测概率。

应用本发明提出的一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法在SNR＝-19dB下20毫秒输入数 据的捕获结果如图6所示，设输入信号信噪比S/N＝-19dB，累积时间为20毫秒，将20毫 秒的信号分为两段，每段10毫秒，按照本发明的提出的捕获方法进行捕获，图6中显示了对 输入信号捕获的结果，可以看出，本发明能够成功的捕获到SNR＝-19dB条件下的微弱信号， 效果良好。

应用本发明提出的一种GNSS-BOC调制信号的捕获方法在SNR＝-32dB下80毫秒输入数 据的捕获结果，如图7所示。设输入信号信噪比S/N＝-32dB，累积时间为80毫秒，按照本 发明的算法流程进行捕获，图7中显示了对输入信号捕获的结果，可以看出，根据图7中峰 值的位置，找出码相位初始值在码片采样点3200处，即码片655chip，多普勒频移为2.7KHz， 与输入仿真信号的参数相对比，证实本发明提出的捕获能够成功捕获到S/N＝-32dB的微弱 信号。