一种BOC信号捕获方法和卫星导航接收机与流程

本发明属于卫星导航定位技术领域，尤其涉及一种boc信号捕获方法和卫星导航接收机。

背景技术：

目前的gnss(globalnavigationsatellitesystem，全球卫星导航系统)主要包括：美国的gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)、俄罗斯的glonass(格洛纳斯卫星导航系统)、中国的bd(北斗卫星导航系统)和欧洲的galileo(伽利略卫星定位系统)。这些系统通常采用boc(binaryoffsetcarrier，二进制偏移载波)调制。与bpsk(binaryphaseshiftkeying，二进制相移键控)调制相比较，boc调制的优点主要为两个方面：一是boc调制先用方波子载波预调制伪随机码，使得信号频谱对称分裂于频带边缘，且分离的距离随调制阶数的变化而变化，充分利用有限的频谱资源，减少信号之间的干扰；二是boc调制的自相关函数存在更窄的相关主峰，利于提高捕获精度。boc调制信号的主要缺点是：boc调制的自相关函数在主峰两侧±1个码片跨度内存在多峰性，在捕获过程中容易误捕到旁峰，造成捕获模糊度。消除误捕问题的方法主要分为两类：一是bpsklike(类二进制相移键控法)法，将boc信号看成多个bpsk信号的叠加，得到的检测峰为一个单峰，但是其相关主峰跨度被拉宽1码片，且边带滤波的处理造成信号能量的损失，增加接收机的复杂度；二是相关函数重构的方法，如aspect(autocorrelationside-peakcancellationtechnique，自相关边峰消除法)采用boc(n,n)信号自相关函数的平方减去其与prn(pseudo-randomnoise，伪随机噪声)序列互相关函数的平方，做边峰相消处理，有效抑制了相同码相位处的边峰，但是该算法对多峰性的消除并不完全，适用于boc(n,n)信号。boc调制信号主要包括两个参数：子载波频率fs和码元速率fc。用符号表示为boc(m，n)，其中m表示子载波频率fs是基准频率的m倍，n表示码元速率fc是基准频率的n倍，其中基准频率为1.023mhz。当m＝n时，将boc调制信号记为boc(n,n)。scm(side-peakcancellationscheme，边峰消除法)利用与副载波周期相同的，占空比可调的参考信号，与接收boc信号做相关，通过重构相关函数完全消除自相关函数的边峰，但是其相关主峰的幅度会降低。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种boc信号捕获方法、卫星导航接收机和计算机可读存储介质，旨在解决现有技术消除boc信号中自相关函数多峰性引起的误捕或漏捕的算法中，有的能消除多峰性，而不能保留其窄相关主峰的特性，有的能够保留窄相关主峰的特性，但多峰性消除不完全的问题。

第一方面，本发明提供了一种boc信号捕获方法，所述方法包括：

接收多段预定长度的中频boc信号；

将多段预定长度的中频boc信号分别采用正交解调的方式与本地载波混频以进行载波剥离，得到同相信号和正交信号；同时将本地boc信号拆分为奇单元信号和偶单元信号；

将奇单元信号和偶单元信号与载波剥离后的boc信号的单元相关函数进行重构，得到多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量；

利用非相干的方式，对多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量进行重组，得到最终的检测量；

根据最终的检测量判断boc信号是否准确捕获。

第二方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其存储用于电子数据交换的计算机程序，所述计算机程序使得计算机执行如上述的boc信号捕获方法。

第三方面，本发明提供了一种卫星导航接收机，包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及

一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器中，并且被配置成由所述一个或多个处理器执行，所述程序包括用于执行以下步骤的指令：

接收多段预定长度的中频boc信号；

将多段预定长度的中频boc信号分别采用正交解调的方式与本地载波混频以进行载波剥离，得到同相信号和正交信号；同时将本地boc信号拆分为奇单元信号和偶单元信号；

将奇单元信号和偶单元信号与载波剥离后的boc信号的单元相关函数进行重构，得到多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量；

利用非相干的方式，对多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量进行重组，得到最终的检测量；

根据最终的检测量判断boc信号是否准确捕获。

在本发明中，由于boc信号捕获方法基于拆分重组的思想，将地boc信号拆分为奇单元信号和偶单元信号，将奇单元信号和偶单元信号与载波剥离后的boc信号的单元相关函数进行重构，得到多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量；利用非相干的方式，对多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量进行重组，得到最终的检测量。因此在保留其窄相关主峰优点的同时，完全消除多峰性，并提高捕获灵敏度。这样避免了多峰性在捕获过程中引起的误捕和漏捕问题，从而提高捕获精度和减少搜索时间。另外，本发明是能满足boc(n,n)、tmboc(6,1,4/33)和cboc(6,1,1/11)调制信号的无模糊度捕获，即适用于当前各大卫星导航系统中采用的主要boc调制，保证了算法适用性广泛。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的boc信号捕获方法流程图。

图2是本发明实施例一提供的boc信号捕获方法，即单元相关法与现有技术的aspect法及bpsk-like法的检测概率与载噪比关系曲线。

图3是当载噪比为39dbhz时，单元相关法对boc(1,1)信号的三维捕获结果图。

图4是aspect法对boc(1,1)的二维捕获结果图。

图5是单元相关法对boc(1,1)的二维捕获结果图。

图6是本发明实施例三提供的卫星导航接收机的具体结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

实施例一：

本发明实施例一提供的boc信号捕获方法包括以下步骤：

s101、接收多段预定长度的中频boc信号。

在本发明实施例一中，s101具体可以为：

接收m段1ms长度的中频boc信号，记为s^(l)(t)，其中l＝1,2,…，m，m是大于或者等于2的自然数。

接收的中频boc信号的数学表达式如下：

其中：ps为输入信号的功率，c(t)为伪随机码，d(t)为导航电文，τ为输入信号的码延迟，fd为输入信号的多普勒频移，fif为信号中频，sc(t)为副载波，n(t)为白噪声。

s102、将多段预定长度的中频boc信号分别采用正交解调的方式与本地载波混频以进行载波剥离，得到同相信号和正交信号；同时将本地boc信号拆分为奇单元信号和偶单元信号。

在本发明实施例一中，所述将多段预定长度的中频boc信号分别采用正交解调的方式与本地载波混频以进行载波剥离，得到同相信号和正交信号具体可以为：

将m段1ms长度的中频boc信号分别采用正交解调的方式与本地载波混频以进行载波剥离，得到同相信号i^(l)(t)和正交信号q^(l)(t)。其中，

上式中不考虑导航数据位跳变，导航电文d为常量可以省去，ts为boc信号的周期，n^(l)(t)为第l段的白噪声。

所述将本地boc信号拆分为奇单元信号和偶单元信号具体可以为：

本地prn码调制副载波得到boc信号，将本地boc信号拆分为奇单元信号co(t)和偶单元信号ce(t)。

其中，本地prn码的数学模型为：

其中，tc是一个扩频码片周期，是周期为tc的矩形脉冲，ci是第i个码片的符号，ci∈(-1,1)。

本地boc(n,n)的副载波数学模型为：

其中，是周期为tsc的矩形脉冲，dj＝{1,-1}是副载波的每个持续时间为tsc的脉冲符号，且tsc＝tc/2，n是一个伪随机码片内的副载波脉冲总数。由于副载波与prn码是严格同步的，利用上述两个数学模型，产生本地boc(n,n)序列：

将本地boc(n,n)序列每个码片分为2等份，依次截取每一个伪随机码片相同等份的码片信息，可以拆分为奇单元信号co(t)和偶单元信号ce(t)。奇单元信号co(t)和偶单元信号ce(t)分别如下：

s103、将奇单元信号和偶单元信号与载波剥离后的boc信号的单元相关函数进行重构，得到多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量。

在本发明实施例一中，s103具体包括以下步骤：

对同相信号i^(l)和正交信号q^(l)的复信号i+jq取模；

将取模的输出与奇单元信号co^(t)和偶单元信号ce(t)分别相乘，经积分，分别得到第l段的第一积分结果和第二积分结果

其中：ro(δτ)、re(δτ)分别为奇单元信号和偶单元信号与接收boc信号的单元相关函数，δτ为码相位误差，δfd为多普勒残差，no、ne为高斯白噪声，服从均值为0，方差为σ²的高斯分布，简化为：

第l段的第一积分结果和第二积分结果按照重构规则得到第三积分结果和第四积分结果再将第三积分结果和第四积分结果取模相减，得到无模糊的检测量

第l段的第一积分结果和第二积分结果按照重构规则得到第三积分结果和第四积分结果具体为：

第l段的第一积分结果和第二积分结果按照重构规则相加得相减得到

s104、利用非相干的方式，对多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量进行重组，得到最终的检测量。

在本发明实施例一中，s104具体包括以下步骤：

采用非相干的方式，对m段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量进行重组，得到最终的检测量sc。

其中，

s105、根据最终的检测量判断boc信号是否准确捕获。

在本发明实施例一中，s105具体可以包括以下步骤：

判断最终的检测量sc是否大于预设的检测门限值，若检测量大于检测门限值，则判断boc信号被准确捕获，若检测量小于检测门限值，则重新选择卫星号，产生本地boc码，然后返回步骤s101。

图2是本发明实施例一提供的boc信号捕获方法中的单元相关法与现有技术的aspect法及bpsk-like法的检测概率与载噪比关系曲线。boc信号检测性能的影响因素与传统bpsk信号的不同，由噪声和旁峰共同影响。假设输入boc(1,1)信号，相干积分时间为1ms，虚警概率pfa＝10^-3。若以90％的检测概率为标准，aspect法能检测到载噪比约为42dbhz的信号，单元相关法检测到载噪比约为39dbhz的信号，捕获灵敏度约提高3dbhz。

当载噪比为39dbhz时，单元相关法对boc(1,1)信号的三维捕获结果图如图3所示，捕获得到的码相位、多普勒频率与仿真中预设的参数一致。基于matlab实现单元相关法的仿真，输入boc(1,1)信号，设置中心频率为fif＝4.309mhz，采样频率为fs＝40.92mhz，相干积分时间为t＝1ms，多普勒频率搜索范围为[-10khz，10khz]，步进取1000hz，多普勒频偏为fd＝2000hz，码偏移为τ＝601采样点。

图4和图5分别为aspect法、单元相关法对boc(1,1)的归一化二维捕获结果图，以最大相关峰值作为搜索门限，捕获估计的参数均与预设的参数一致。仿真结果表明，单元相关法和aspect法都可以保持boc信号的窄相关主峰的特性，但aspect法不能完全消除多峰性；且在码片范围内，aspect法的旁峰检测量的值为0.0949，单元相关法的旁峰检测量的值约为0.001，即在估计相同码相位误差τ＝1/3范围内，单元相关法误捕旁峰概率是aspect法的1.05％。

在本发明实施例一中，由于boc信号捕获方法基于拆分重组的思想，将地boc信号拆分为奇单元信号和偶单元信号，将奇单元信号和偶单元信号与载波剥离后的boc信号的单元相关函数进行重构，得到多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量；利用非相干的方式，对多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量进行重组，得到最终的检测量。因此在保留其窄相关主峰优点的同时，完全消除多峰性，并提高捕获灵敏度。这样避免了多峰性在捕获过程中引起的误捕和漏捕问题，从而提高捕获精度和减少搜索时间。另外，本发明是能满足boc(n,n)、tmboc(6,1,4/33)和cboc(6,1,1/11)调制信号的无模糊度捕获，即适用于当前各大卫星导航系统中采用的主要boc调制，保证了算法适用性广泛。仿真结果表明：m＝2时，基于单元相关的boc(n,n)信号捕获算法的捕获灵敏度比aspect法提高约3dbhz，运算量是aspect法的41.46％。

本发明实施例二还提供了一种计算机可读存储介质，其存储用于电子数据交换的计算机程序，所述计算机程序使得计算机执行如本发明实施例一的boc信号捕获方法。

实施例三：

图6示出了本发明实施例三提供的卫星导航接收机的具体结构框图，该卫星导航接收机100，包括：

一个或多个处理器102；

存储器101；以及

一个或多个程序，其中所述一个或多个程序被存储在所述存储器101中，并且被配置成由所述一个或多个处理器102执行，所述程序包括用于执行以下步骤的指令：

接收多段预定长度的中频boc信号；

将多段预定长度的中频boc信号分别采用正交解调的方式与本地载波混频以进行载波剥离，得到同相信号和正交信号；同时将本地boc信号拆分为奇单元信号和偶单元信号；

将奇单元信号和偶单元信号与载波剥离后的boc信号的单元相关函数进行重构，得到多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量；

利用非相干的方式，对多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量进行重组，得到最终的检测量；

根据最终的检测量判断boc信号是否准确捕获。

在本发明实施例三中，

所述接收多段预定长度的中频boc信号具体可以为：

接收m段1ms长度的中频boc信号s^(l)(t)，其中l＝1,2,…，m，m是大于或者等于2的自然数。

所述将多段预定长度的中频boc信号分别采用正交解调的方式与本地载波混频以进行载波剥离，得到同相信号和正交信号具体可以为：

将m段1ms长度的中频boc信号分别采用正交解调的方式与本地载波混频以进行载波剥离，得到同相信号i^(l)(t)和正交信号q^(l)(t)，其中，

其中，fd为输入信号的多普勒频移，fif为信号中频，ts为boc信号的周期，n^(l)(t)为第l段的白噪声。

所述将本地boc信号拆分为奇单元信号和偶单元信号具体可以为：

本地伪随机数prn码调制副载波得到boc信号，将本地boc信号拆分为奇单元信号co(t)和偶单元信号ce(t)；

其中，本地prn码的数学模型为：

其中，tc是一个扩频码片周期，是周期为tc的矩形脉冲，ci是第i个码片的符号，ci∈(-1,1)；

本地boc(n,n)的副载波数学模型为：

其中，是周期为tsc的矩形脉冲，dj＝{1,-1}是副载波的每个持续时间为tsc的脉冲符号，且tsc＝tc/2，n是一个伪随机码片内的副载波脉冲总数，利用上述两个数学模型，产生本地boc(n,n)序列：

将本地boc(n,n)序列每个码片分为2等份，依次截取每一个伪随机码片相同等份的码片信息，拆分为奇单元信号co(t)和偶单元信号ce(t)分别如下：

所述将奇单元信号和偶单元信号与载波剥离后的boc信号的单元相关函数进行重构，得到多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量具体可以包括：

对同相信号i^(l)和正交信号q^(l)的复信号i+jq取模；

将取模的输出与奇单元信号co(t)和偶单元信号ce(t)分别相乘，经积分，分别得到第l段的第一积分结果和第二积分结果

第l段的第一积分结果和第二积分结果按照重构规则相加得第四积分结果相减得到第三积分结果再将第三积分结果和第四积分结果取模相减，得到无模糊的检测量

所述利用非相干的方式，对多段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量进行重组，得到最终的检测量具体可以包括：

采用非相干的方式，对m段预定长度的中频boc信号的无模糊的检测量进行重组，得到最终的检测量sc，其中，

所述根据最终的检测量判断boc信号是否准确捕获具体可以包括：

判断最终的检测量sc是否大于预设的检测门限值，若检测量大于检测门限值，则判断boc信号被准确捕获，若检测量小于检测门限值，则重新选择卫星号，产生本地boc码，然后返回所述接收多段预定长度的中频boc信号的步骤。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。