基于码元序列估计的北斗卫星导航系统B1频带弱D1信号捕获方法

摘要

本发明公开了一种基于码元序列估计的北斗卫星导航系统B1频带弱D1信号捕获方法，首先，将每1ms中频卫星信号与本地信号作相关运算，然后对信号中纽曼霍夫曼(NH)码元序列以及导航信息位进行假设，得到不同的扩展NH码元序列，根据得到的扩展NH码元序列，对每1ms的相关运算结果进行相干和非相干累加，将累加结果的最大值作为检测量和阈值进行比较，最后，判断是否捕获到可视卫星信号。本发明解决了信号中NH码元以及导航信息位跳变引起的相邻伪随机噪声(PRN)码周期间比特符号翻转问题，同时可以直接获得位同步信息，减小卫星定位时间。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航基带信号处理技术领域，具体涉及基于码元序列估计的北斗卫星导航系统B1频带弱D1信号捕获方法。

背景技术

北斗卫星导航系统B1频段播发的D1导航电文信号进行了NH(纽曼霍夫曼)码的二次编码调制，将数据速率由50bps提高至1kbps，提高了信号抗干扰和抗多径的性能。同时，NH码的调制使得信号中PRN(伪随机噪声)码的周期长度扩大了20倍，减小了不同卫星的信号间互相关值，提高了信号的互相关性能。对于高强度卫星信号来说，只需要对一个PRN码周期长度的信号进行捕获操作处理即可得到所检测的卫星是否可视及其多普勒频移和码延时等信息。但是对于弱卫星信号来说，往往需要对多个PRN码周期长度的信号进行处理才能够得到所需的参数。由于北斗卫星导航系统B1频段D1信号中采用的NH码的码片宽度与PRN码周期均为1ms，使得单个PRN码周期长度信号中可能存在比特符号翻转。比特符号翻转有NH码元跳变和导航电文信息位翻转两种来源。虽然对于单个PRN码周期长度信号中的比特符号翻转问题可以用DBZP(二倍分组块补零)的方法来解决，但对多个PRN码周期信号相关运算结果进行积分累加时，由于相邻PRN码周期调制的NH码元以及导航信息数据位可能是不同的，进行直接累加会导致累加结果变小，从而影响最终捕获结果的判断。

发明内容

要解决的技术问题是现有技术对多个PRN码周期信号相关运算结果进行积分累加时，最终捕获结果的判断不准确。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：基于码元序列估计的北斗卫星导航系统B1频带弱D1信号捕获方法，包括以下步骤：步骤1：将每1ms中频卫星信号与本地信号作相关运算，得到每1ms的相关运算结果；步骤2：对中频卫星信号中纽曼霍夫曼(NH)码元序列以及导航信息位进行假设，得到不同的扩展NH码元序列；步骤3：根据步骤2得到的扩展NH码元序列，对步骤1得到的每1ms的相关运算结果进行相干累加和非相干累加；步骤4：将累加结果的最大值作为检测量和阈值进行比较，判断是否捕获到可视卫星信号。

本方法解决了北斗卫星信号中相邻PRN码间高频率比特符号翻转而影响接收机的捕获结果判断的技术问题。

进一步，步骤1的具体步骤如下：1)设定预检测积分时间为Mms；设定多普勒频移搜索步长为Δf，多普勒频移搜索范围为(f_min,f_max)；检测阈值设置为V_t；将多普勒频移搜索值为的本地载波与延时了个采样点的本地PRN码信号相乘，得到1ms本地信号l(n)；2)取Mms连续的中频采样信号r(n)，将每1ms的中频信号分别与本地信号做相关运算，得到M个相关结果为步骤2的具体方法如下：根据北斗卫星导航系统B1频带D1信号中采用的NH码序列，设置个的扩展NH码元序列ENH_j，每个ENH_j序列由原始NH码序列与Mms信号中导航信息位的不同取值假设相结合得到，且均包含(M+19)个码片；假设Mms信号中的起始NH码元是原始NH码序列中第ini个码元，ini＝{1,2,…,20}，对于每一种起始NH码元序号ini的假设，由J个ENH序列可以得到J个ENH_j子序列每个子序列是由相应ENH_j序列中第ini到第ini+M-1个码元组成。

进一步，步骤3的具体步骤如下：1)将序列中的码元分别与步骤1中得到的M个值对应相乘，得到新的相关结果序列；2)在信号中起始NH码元序号为ini的假设下，共得到J个新的相关结果序列；3)将得到的每个相关结果序列分成K段，对每段的N个相关结果值进行相干累加并取模；4)在信号中起始NH码元序号为ini的假设下，对于每一段的相干累加，由J组相关结果序列可以得到J个相干累加模值，取其中最大值作为本段相干累加模值结果；5)对得到的K个模值结果进行非相干累加，作为信号中起始NH码元序号为ini的假设下的非相干累加结果；得到的20个非相干累加结果分别对应于20种信号中起始NH码元序号的假设；6)取最大值作为估计参数为时的最终检测量。

进一步，步骤4的具体步骤如下：1)由步骤3得到了参数估计值为时检测量；2)将检测量与阈值进行比较，检测量大于阈值时，表示捕获成功，跳 转步骤3)；检测量小于阈值时，表示未检测到信号，跳转步骤1)；3)捕获信号中的多普勒频移和码延时同时得到了信号中的起始NH码元序号，即导航信息位同步信息；若在多普勒频移和码延时搜索范围之内没有捕获到卫星信号，则宣布捕获失败。

进一步，所述1ms本地信号通过将延时的本地PRN码采样信号与多普勒频移为的本地复载波采样信号相乘得到，表示为：

$l\left(n\right)=c({\mathrm{nT}}_s-\bar{\tau })e^{-j2\pi (f_{IF}+\overline{f_d}){\mathrm{nT}}_s}---\left(1\right)$

其中c(n)为本地PRN码采样信号，f_IF为中频频率，T_s为采样间隔。

进一步，所述中频采样信号的模型为：

其中P_R为接收信号功率，c(n)为PRN码采样信号，d(n)为导航信息位的采样，τ为接收信号中的码延时，f_d为接收信号中的多普勒频移，为信号初始相位，w(n)为叠加在信号上的高斯白噪声；

所述每1ms的中频采样信号分别与本地信号做相关运算，得到相关结果为:

$R(\overline{f_d},\bar{\tau })=\underset{n}{\Sigma }r\left(n\right)l\left(n\right)---\left(3\right)$

为了便于表述，将估计参数为时得到的M个相关结果表示为R_i，其中i＝1,2,…,M。

进一步，将NH码序列表示为NH＝{c₁c₂...c₂₀}，其中c_i∈{-1,1}，设置>j，每个ENH_j序列由原始NH码序列与Mms信号中导航信息位的不同取值假设相结合得到，每个扩展码元序列中包含(M+19)个码片，表示为：

${\mathrm{ENH}}^j=\left[\begin{array}{ccccccccccccc}{c}_1& \mathrm{...}& c_{20}& d_2^j{c}_1& \mathrm{...}& d_2^j{c}_{20}& \mathrm{...}& d_{Q-1}^j{c}_1& \mathrm{...}& d_{Q-1}^j{c}_{20}& d_Q^j{c}_1& \mathrm{...}& d_Q^j{c}_{\mathrm{mod}(M-1,20)}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中为第j种假设下信号中包含的导航信息位， 为Mms信号中导航信息位最大比特数；

所述相干累加并取模的模值为：

$S_k^{ini,j}=|\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{R}_i^k·{\mathrm{ENH}}_{k,i}^{j,ini}|=|R_N^k·{\mathrm{ENH}}_k^{ini,j}|---\left(5\right)$

其中，k＝1,2,...,K,j＝1,2,...,J,ini＝1,2,...,20；表示为ENH^ini,j序列中第k段子序列的转置且

所述20个非相干累加结果的计算公式表示为：

$S=max\left\{S^{ini}\right|ini=1,...,20\}=max\{\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{j}{max}\left\{S_k^{ini,j}\right\}\}---\left(6\right).$

本发明的优点是：本发明采用了先猜后检的方法，通过对信号中NH码元序列和导航信息位进行假设和估计，扩展了信号积分累加时间，解决了信号中NH码元和导航信息比特未知导致的捕获性能削弱问题，优点是能够较好的捕获到弱信号北斗卫星，使得接收机可以在不同环境下正常运行。本发明中通过对每一段相关结果进行相干累加取最大模值的方法，使累加结果数目不会随着非相干累加运算的进行而增加，节约了存储和运算资源。本发明在正确检测到卫星多普勒频移和码延时信息的同时，获得了信号中导航信息位同步信息，可以直接传递到跟踪过程中进行确认，减小接收机定位所需时间。

附图说明：

图1是本发明中基于码元序列估计的弱信号捕获原理图。

具体实施方式：

如图1所示，本发明描述的是一种北斗卫星导航系统B1频带D1导航电文信号捕获方法，该发明通过对信号中NH码元序列和导航信息位的假设，有效的增加信号累加积分时间，使接收机可以在弱信号环境下成功捕获到可视卫星。该方法的创新性在于对信号中NH码元序列以及导航信息位进行假设，得到不同的扩展NH码元序列，根据得到的扩展NH码元序列，对每1ms的相关运算结果进行相干和非相干累加，通过对每一段相关结果进行相干累加取最大模值的方法，使累加结果的数目不会随着非相干累加运算的进行而增加，节约了存储和运算资源，同时在正确检测到卫星多普勒频移和码延时信息的同时，获得了信号的位同 步信息，可以直接传递到跟踪过程中进行确认，减小接收机定位所需时间。

本发明方法具体步骤如下：

步骤1：设定预检测积分时间为Mms；设定多普勒频移搜索步长为Δf，多普勒频移搜索范围为(f_min,f_max)；检测阈值设置为V_t；将多普勒频移搜索值为的本地载波与延时的本地PRN码采样信号相乘，得到1ms本地信号l(n)；

具体过程如下：

将延时的本地PRN码采样信号与多普勒频移为的本地复载波采样信号相乘，得到1ms本地信号表示为：

$l\left(n\right)=c({\mathrm{nT}}_s-\bar{\tau })e^{-j2\pi (f_{IF}+\overline{f_d}){\mathrm{nT}}_s}---\left(1\right)$

其中c(n)为本地PRN码采样信号，f_IF为中频频率，T_s为采样间隔。

步骤2：取Mms连续的中频采样信号r(n)，将得到的Mms信号中每1ms信号分别与本地信号做相关运算，得到M个相关结果为

具体过程如下；

首先得到中频采样信号模型为

其中P_R为接收信号功率，c(n)为PRN码采样信号，d(n)为导航信息位的采样，τ为接收信号中的码延时，f_d为接收信号中的多普勒频移，为信号初始相位，w(n)为叠加在信号上的高斯白噪声。

然后将每1ms的中频采样信号分别与本地信号做相关运算，得到相关结果为:

$R(\overline{f_d},\bar{\tau })=\underset{n}{\Sigma }r\left(n\right)l\left(n\right)---\left(3\right)$

为了便于表述，将估计参数为时得到的M个相关结果表示为R_i，其中i＝1,2,…,M。

步骤3：根据北斗卫星导航系统B1频带D1信号中采用的NH码序列，设置>j，每个ENH_j序列由原始NH码序列与Mms信号中导航信息位的不同取值假设相结合得到，且均包含(M+19)个码片；假设Mms信号中的起始NH码元是原始NH码序列中第ini个码元，ini＝{1,2,…,20}，对于每一种起始NH码元序号ini的假设，由J个ENH序列可以得到J个ENH_j子序列每个子序列是由相应ENH_j序列中第ini到第ini+M-1个码元组成；将序列中的码元分别与步骤2中得到的M个值对应相乘，得到新的相关结果序列；在信号中起始NH码元序号为ini的假设下，共得到J个新的相关结果序列。将得到的每个相关结果序列分成K段，对每段的N个相关结果值进行相干累加并取模；在信号中起始NH码元序号为ini的假设下，对于每一段的相干累加，由J组相关结果序列可以得到J个相干累加模值，取其中最大值作为本段相干累加模值结果，然后对得到的K个模值结果进行非相干累加，作为信号中起始NH码元序号为ini的假设下的非相干累加结果。最终得到的20个非相干累加结果分别对应于20种信号中起始NH码元序号的假设，取最大值作为估计参数为时的最终检测量。

具体过程如下；

尽管Mms信号中包含的NH码元是由固定的原始NH码序列构成，导航信息位的未知特性使得信号中NH码元的取值存在不确定性，由于最终的累加量是以绝对值形式进行检测的，因而信号中导航信息位的取值共有种可能性。将NH码序列表示为NH＝{c₁c₂...c₂₀}，其中c_i∈{-1,1}，考虑到信号中导航信息位的不同取值，可以得到种扩展NH码元序列ENH_j，每个扩展码元序列中包含(M+19)个码片，表示为：

${\mathrm{ENH}}^j=\left[\begin{array}{ccccccccccccc}{c}_1& \mathrm{...}& c_{20}& d_2^j{c}_1& \mathrm{...}& d_2^j{c}_{20}& \mathrm{...}& d_{Q-1}^j{c}_1& \mathrm{...}& d_{Q-1}^j{c}_{20}& d_Q^j{c}_1& \mathrm{...}& d_Q^j{c}_{\mathrm{mod}(M-1,20)}\end{array}\right]---\left(4\right)$

其中为第j种假设下信号中包含的导航信息位， 为Mms信号中导航信息位最大比特数，如上所述，由于最终的累加量是以绝对值形式进行检测的，将信号中第一个导航信息位比特设为1，则对 信号中导航信息位的取值只需要考虑2^Q-1种可能组合。在本专利中侧重于考虑在增加信号积分累加时间时信号中相邻PRN码周期间的比特翻转问题，假设了步骤1中计算相关结果的每1ms信号中有一个完整的PRN码周期，因而Mms信号中包含了M个NH码元。

假设Mms信号中的起始NH码元为原始NH码序列中第ini个码元且ini＝{1,2,…,20}，则在每一种起始NH码元序号假设下由J个ENH_j序列可以得到J个子序列每个子序列是由相应ENH_j序列中第ini到第ini+M-1个码元组成；将序列中的码元分别与步骤2中得到的M个值对应相乘，得到新的相关结果序列。由此可知，对于每种信号中起始NH码元序号为ini的假设，可以得到J个新的相关结果序列。

由于对相关结果进行累加时有相干累加和非相干累加两种方式，假设将得到的每个相关结果序列分成K段，对每段的N个相关结果进行相干累加，然后对相干结果进行非相干累加，可以得到第k个相干累加结果的模值为：

$S_k^{ini,j}=|\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{R}_i^k·{\mathrm{ENH}}_{k,i}^{j,ini}|=|R_N^k·{\mathrm{ENH}}_k^{ini,j}|---\left(5\right)$

其中，k＝1,2,...,K,j＝1,2,...,J,ini＝1,2,...,20。表示为ENH^ini,j序列中第k段子序列的转置且

在信号中起始NH码元序号为ini的假设下，对于同一序号段相关结果的相干累加，由J组相关结果序列可以得到J个相干累加模值，取其中最大值作为本序号段相干累加模值结果，然后对得到的K个模值结果进行非相干累加，作为信号中起始NH码元序号为ini的假设下的非相干累加结果。由上述可知在估计参数为时，可以得到20个非相干累加结果，分别对应于Mms信号中20种起始NH码元的假设，取最大值作为估计参数为时的最终检测量。上述操作可以表示为：

$S=max\left\{S^{ini}\right|ini=1,...,20\}=max\{\underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}\underset{j}{max}\left\{S_k^{ini,j}\right\}\}---\left(6\right)$

步骤4：由步骤3得到了参数估计值为时检测量，将检测量与阈值进 行比较，若检测量大于阈值，则表示捕获成功，得到信号中的多普勒频移和码延时同时得到了信号中的起始NH码元序号，即导航信息位同步信息；如果检测量小于阈值，表示参数估计值为时，没有检测到信号，改变参数估计值重复步骤1～3进行搜索检测直至捕获成功；若在多普勒频移和码延时搜索范围之内没有捕获到卫星信号，则宣布捕获失败。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。