基于nh码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，属于卫星导航接收机基带信号处理方法【技术领域】。本发明采用NH码元匹配和TONG检测器的思想，先对每1ms的中频导航卫星信号中是否存在NH码元跳变两种情况进行圆相关运算，并将并行码相位搜索的方法应用于圆相关运算中，设置预检测积分时间为Kms，根据NH码元跳变假设的各种组合对每1ms的圆相关运算结果进行累加，取值最大的组合结果与检测阈值做比较，根据TONG检测器和位同步检测模块的处理结果，判断信号捕获结果以及导航信息位的起始位置。在消除NH码元的影响下延长了相干积分的时间，在捕获成功的同时达到了导航信息位同步。
【专利说明】基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及卫星导航领域，特别是一种卫星导航接收机基带信号处理方法。
【背景技术】
[0002] 卫星导航系统的应用极为广泛，能够为用户提供精确的位置与时间信息，GPS (全 球定位系统）的发展已经非常成熟，同时高性能GPS接收机的技术研究也随着应用环境的 拓展而进步。随着北斗卫星导航系统的发展，针对其接收机的技术研究有一定的理论价值。 捕获是接收机中最先启动的部分，因而捕获算法是北斗导航接收机信号处理的关键。
[0003] 卫星的捕获本质上是参数估计过程，是对该卫星的导航信号的多普勒频率和码延 时两个参数进行估计和检测，将采样后的中频卫星信号与预设了参数估计值的本地信号进 行相关，根据相关运算的结果，找到最大的相关峰峰值，与阈值进行比较判断是否捕获到 卫星以及得到对应的多普勒频率和码延时。为缩短信号处理时间往往采用基于快速傅里叶 变换（FFT)的并行搜索方法，为了提高捕获的检测概率同时减小虚警概率，常常采用唐检 测器即TONG检测器进行捕获结果的检测。
[0004] 北斗系统中BlI信号播发的Dl导航电文进行了速率为Ikbps的NH(纽曼霍夫 曼）码的二次编码调制，因而在每个Ims的初级扩频码中均可能有NH码元的跳变，由于码 元的跳变会减小相关峰峰值，从而影响到捕获结果的判断，因此必须消除NH码码元跳变的 影响，延长积分的时间。同时Dl导航电文中的信息位的符号翻转同样会限制积分的时间。
[0005] 综上所述，为了能够捕获到北斗卫星导航系统中的BlI信号的Dl导航电文，必须 要消除NH码码元跳变和Dl导航电文信息位翻转的影响，才可以延长积分的时间，满足不同 信号强度下捕获的要求。
【发明内容】
[0006] 要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于NH码元跳变检测 的北斗卫星导航信号捕获方法，用于解决现有的北斗卫星导航存在NH码码元跳变和导航 信息位翻转现象而影响接收机的捕获结果的判断的技术问题。
[0007] 技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0008] -种基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，包括顺序进行的以下 步骤：
[0009] 步骤1、设置预检测积分时间Kms，K = 1，2,…，20 ;设定本地信号多普勒频率fd 的频移范围（UE )、搜索频率步进Δ f以及本地码延时F，以此确定本地信号，其 中H表示本地信号多普勒频率万的取值范围的下限，I二表示本地信号多普勒频率万 取值范围上限，本地码延时F = 〃，η = 0, 1，…，N-1, N表示每Ims的采样点个数；同时设置 TONG检测器检测的阈值门限Vt;
[0010] 步骤2、选取Kms的采样后的中频导航卫星信号并进行本地载波剥离，之后假设这 段时间内每Ims的中频导航卫星信号中有NH码元跳变和没有NH码元跳变两种情况，针对 上述两种情况分别获得相应的本地扩频码信号，将每Ims内的本地载波剥离后的中频导航 卫星信号的数据分别与两种情况下的本地扩频码信号做圆相关运算，得到两种情况下的圆 相关运算结果；
[0011] 步骤3、对于任意一个以本地信号多普勒频率万、本地码延时^为参数估计值的 本地信号而言，对在Kms的中频导航卫星信号中所有可能存在的NH码元跳变序列，按照每 一种NH码元跳变序列，将步骤2中得到的每Ims相应的圆相关运算结果进行相干累加，得 到每一种NH码元跳变序列相应的累加的结果；
[0012] 步骤4、将该本地信号下的所有累加结果中绝对值最大的那个结果作为检测值输 入TONG检测器中进行检测，比较检测值和阈值门限V t的大小，并根据比较结果设置TONG检 测器中的计数器值的增减，根据计数器值判断是否捕获到导航信号；一旦TONG检测器确定 捕获到导航信号，则TONG检测器输出捕获到的导航信号的多普勒频率4和导航信号的码 延时τ ;
[0013] 同时设置位同步检测器，所述位同步检测器中预设有20个计数器和20个NH码元 跳变序列，位同步检测器中预设的计数器与预设的NH码元跳变序列一一对应，每个预设的 NH码元跳变序列是由假设第Ims中频导航卫星信号中的NH码元在整个NH码序列中的不同 位置所得，根据TONG检测器中检测值和阈值门限V t的比较结果设置位同步检测器中计数 器值的增减；
[0014] TONG检测器中每当检测值大于阈值门限Vt但未达到TONG检测器中计数器值上限 时，在位同步检测模块中，根据检测值对应的NH码元跳变序列，遍历搜索20个预设的NH码 元跳变序列的每一个序列中的相应的时间长度为K的子序列，若子序列与检测值对应的NH 码元跳变序列相同，则位同步检测器中该子序列所在的NH码元跳变序列所对应的计数器 的计数器值增加固定值Λ ;-旦TONG检测器确定捕获到导航信号，位同步检测器找到其中 最大计数器值的计数器，将此计数器对应的NH码元跳变序列以及NH码元起始信息作为输 出，获得捕获到的导航信号中导航信息位的起始信息。
[0015] 进一步的，在本发明中，步骤2具体包括以下步骤：
[0016] 步骤2-1、将Kms中的每Ims采集到的中频导航卫星信号的数据记录为rk(η)，其 中k表示第kms, k = 1，2,…，Κ, η = 0, 1，…，N-I，η表示每Ims内的第η个采样点，N表示 每Ims的采样点个数，将上述每Ims的中频信号的数据进行本地载波剥离后获得的信号记
【权利要求】
1. 基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，其特征在于：包括顺序进行的 以下步骤： 步骤1、设置预检测积分时间Kms，K= 1，2,…，20 ;设定本地信号多普勒频率fd的频移 范围（U)、搜索频率步进以及本地码延时f，以此确定本地信号，其中U 表示本地信号多普勒频率万的取值范围的下限，E表示本地信号多普勒频率I取值范 围上限，本地码延时F=π,η= 0, 1，…，N-I，N表示每Ims的采样点个数；同时设置TONG检 测器检测的阈值门限Vt; 步骤2、选取Kms的采样后的中频导航卫星信号并进行本地载波剥离，之后假设这段时 间内每Ims的中频导航卫星信号中有NH码元跳变和没有NH码元跳变两种情况，针对上述 两种情况分别获得相应的本地扩频码信号，将每Ims内的本地载波剥离后的中频导航卫星 信号的数据分别与两种情况下的本地扩频码信号做圆相关运算，得到两种情况下的圆相关 运算结果； 步骤3、对于任意一个以本地信号多普勒频率万、本地码延时F为参数估计值的本地 信号而言，对在Kms的中频导航卫星信号中所有可能存在的NH码元跳变序列，按照每一种NH码元跳变序列，将步骤2中得到的每Ims相应的圆相关运算结果进行相干累加，得到该本 地信号下的每一种NH码元跳变序列相应的累加结果； 步骤4、将该本地信号下的所有累加结果中绝对值最大的那个结果作为检测值输入TONG检测器中进行检测，比较检测值和阈值门限Vt的大小，并根据比较结果设置TONG检测 器中的计数器值的增减，根据计数器值判断是否捕获到导航信号；一旦TONG检测器确定捕 获到导航信号，则TONG检测器输出捕获到的导航信号的多普勒频率fd和导航信号的码延 时τ; 同时设置位同步检测器，所述位同步检测器中预设有20个计数器和20个NH码元跳变 序列，位同步检测器中预设的计数器与预设的NH码元跳变序列一一对应，每个预设的NH码 元跳变序列是由假设第Ims中频导航卫星信号中的NH码元在整个NH码序列中的不同位置 所得，根据TONG检测器中检测值和阈值门限Vt的比较结果设置位同步检测器中计数器值 的增减； TONG检测器中每当检测值大于阈值门限Vt但未达到TONG检测器中计数器值上限时， 在位同步检测模块中，根据检测值对应的NH码元跳变序列，遍历搜索20个预设的NH码元 跳变序列的每一个序列中的相应的K长度的子序列，若子序列与检测值对应的NH码元跳变 序列相同，则位同步检测器中该子序列所在的NH码元跳变序列所对应的计数器的计数器 值增加固定值Λ;-旦TONG检测器确定捕获到导航信号，位同步检测器找到其中最大计数 器值的计数器，将此计数器对应的NH码元跳变序列以及NH码元起始信息作为输出，获得捕 获到的导航信号中导航信息位的起始信息。
2. 根据权利要求1所述的基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，其特征 在于：步骤2具体包括以下步骤： 步骤2-1、将Kms中的每Ims采集到的中频导航卫星信号的数据记录为rk(η)，其中k表示第kms,k= 1，2,…，K,η= 0, 1，…，Ν-1，η表示每Ims内的第η个采样点，N表示每 Ims的采样点个数，将上述每Ims的中频信号的数据进行本地载波剥离后获得的信号记录 为少 ?表示第kms，7表示本地信号多普勒平移频率，τ表示导航
Jd 信号的码延时； 步骤2-2、假设每Ims的中频导航卫星信号中均没有NH码元跳变，此种假设下，将步骤 2-1中每Ims经过本地载波剥离后获得的信号j^(/rf,r)进行FFT变换，表示为：
假设每Ims的中频导航卫星信号中均有NH码元跳变，此种假设下，将步骤2-1中每Ims经过本地载波剥离后获得的信号Λ(^，「)按照（2)式对应相乘幂指数系类
B进 行FFT变换，表示为：
步骤2-3、无论是否有NH码元跳变的情况，本地扩频码信号均）
对于每Ims的中频导航卫星信均没有NH码元跳变的情况下，对本地扩频码信号
进行FFT变换后取共轭，表示为：
对于每Ims的中频信号均有NH码元跳变的情况下，对本地扩频码信?
取反 后按照（4)式对应相乘幂指数系：
g进行FFT变换并取共轭，表示为： \ I-
步骤2-4、对于每Ims的中频导航卫星信号均没有NH码元跳变的情况下，将（1)式运 算结果和（3)式的运算结果相乘后进行IFFT变换，然后再按照（5)式对应相乘幂指数系 娄
，得到每Ims中频导航卫星信号中均没有NH码元跳变情况下的圆相关运算结 果，表示为：
对于每Ims的中频导航卫星信号均有NH码元跳变的情况下，将（2)式运算结果和（4) 式的运算结果相乘后进行IFFT变换，得到每Ims中频导航卫星信号中均有NH码元跳变情 况下的圆相关运算结果，表示为：
(5)式等号左侧即为没有NH码元跳变情况下的圆相关运算的积分结果，（6)式等号左 侧即为有NH码元跳变情况下的圆相关运算结果。
3. 根据权利要求1所述的基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，其特征 在于：步骤3中，按照第m种NH码元跳变序列进行累加的方法如下：根据第m种NH码元跳 变序列中的第kms数据中有无NH码元跳变，取对应跳变假设情况下的圆相关运算结果，对 每Ims圆相关运算结果进行相干累加得到第m种NH码元跳变序列的累加值仏(万,/小
4. 根据权利要求1所述的基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，其特征 在于：所述步骤4中位同步检测模块的处理流程，具体为： 步骤4-1、初始化位同步模块的计数器的计数器值； 步骤4-2、等待TONG检测器中计数器值的变化： 若TONG检测器中的计数器值增加但没有达到计数器值上限时，根据检测值对应的NH码元跳变序列，遍历搜索20个预设的NH码元跳变序列的每一个序列中的相应的K长度的 子序列，若子序列与检测值对应的NH码元跳变序列相同，则位同步检测器中该子序列所在 的NH码元跳变序列所对应的计数器的计数器值增加固定值Λ= 1 ; 若TONG检测器中计数器值增加且达到计数器值上限时，找到位同步检测模块中拥有 最大计数器值的计数器，将该计数器对应的NH码元跳变序列中的NH码元起始信息，即导航 信息位的起始信息输出，实现位同步； 若TONG检测器中的计数器值减少但没达到计数器值下限时，位同步模块中的计数器 的计数器值保持不变，继续等待TONG检测器中计数器值的变化； 若TONG检测器中计数器值减少且达到计数器值下限时，位同步模块的所有计数器的 计数器值初始化为0。
【文档编号】G01S19/30GK104459734SQ201510010320
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2015年1月8日 优先权日:2015年1月8日
【发明者】樊祥宁, 朱灿, 孟苑, 王志功 申请人:东南大学