基于互相关函数拆分重构的BOC信号捕获方法及系统与流程

本发明属于星导航定位技术领域，尤其涉及一种基于互相关函数拆分重构的boc信号捕获方法及系统。

背景技术：

目前，业内常用的现有技术是这样的：

卫星导航正由单gps进入多星座联合的gnss时代，传统的卫星导航信号的调制方式使得各种导航信号重叠在在有限频段内，造成相互干扰。boc调制是以方波作为副载波对伪随机码进行预调制，使得信号频谱对称分裂于频带边缘，并且可以通过选择不同的调制参数来调整两个分裂主瓣的间距，从而有效解决导航信号间的相互干扰，实现频谱资源的有效利用。

在±1码片内，boc信号自相关函数存在多峰性，使得boc信号捕获存在两方面的问题：一是误捕到旁峰造成捕获模糊，影响了测距精度；二是相关峰存在的多个零点导致信号漏捕。

解决上述问题的主要方法有：副载波相位消除法(scpc,subcarrierphasecancellation)是借鉴了主载波剥离的思想，首先本地产生两路副载波相位正交的boc信号，然后将boc、qboc的互相关函数平方和boc的自相关函数平方相加，最终得到了检测峰不含零点的相关曲线；该方法解决了漏捕问题，但boc信号窄相关峰特性得不到保证。

多载波模型bpsk-like法将boc信号视为无穷个叠加的bpsk信号之和，通过本地产生对应的载波来剥离主载波和副载波，最终生成一个类似于bpsk信号的单相关峰。这虽然解决了误捕旁峰的问题，但其跨度拉宽为2个码片，不能保证boc信号窄相关峰特性。

自相关旁锋消除法(aspect,autocorrelationside-peakcancellationtechnique)利用了boc(n,n)信号自相关函数和boc(n,n)/prn的互相关函数在相同码相位处具有类似的旁峰特点，通过调整权值系数，减小旁峰与主峰的峰值比，但最优效果难以保证；另外，该算法仅适用于m＝n的情况。

综上所述，现有技术存在的问题是：

现代化卫星导航信号中的boc(m,n)信号自相关函数多峰性引起的信号误捕和漏捕，以及消除多峰性又会导致相关峰扩宽的问题。目前的主流算法或者能消除多峰性而不能保留boc信号窄相关峰特性，或者能够保留boc信号窄相关峰特性，但多峰性明显，甚至有些仅适用于boc(n,n)类信号。

解决上述技术问题的难度和意义：

本发明提出的基于boc/prn互相关函数拆分重构的boc(m,n)信号捕获算法，其检测量的旁峰约为主峰的10％，避免了因检测量的多峰性而导致的漏捕和误捕。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于互相关函数拆分重构的boc信号捕获方法及系统。

本发明是这样实现的，一种基于互相关函数拆分重构的boc信号捕获方法，首先将本地prn信号“拆分”成k组码信号，调制阶数：k＝2m/n；并将m段boc(m,n)信号中的每一段的同相支路和正交支路分别与k组码信号进行互相关运算，分别生成互相关值的实部和虚部，然后进行“重构”；

再将每一段的每组码信号对应的同相、正交支路的互相关运算结果求模，并对生成的k个值进行一定的延迟；

接着将每一段中延迟后的k个值两两相乘后生成了k/2个互相关峰，并对k/2个互相关峰求和得到每一段的互相关峰值；

最后，对m段的互相关峰值求和得到总互相关峰。

进一步，所述基于互相关函数拆分重构的boc信号捕获方法具体包括：

步骤一：将接收的中频boc(m,n)信号取m段1ms长度，记为s^(l)(t)，其中l＝1,2,…,m，分别与本地载波混频得到同相i、正交q两路信号；

步骤二：将本地prn序列的每个码片分成k(k＝2m/n)等份，依次截取每一个伪随机码片第j(j＝1,2,…,k)等份的码片信息，“拆分”为k个prn单元信号cj(t),(j＝1,2,…,k)；

步骤三：将混频后信号的同相支路和正交支路与本地prn序列拆分得到的单元信号ck(t)分别做互相关运算，再将每组码信号对应的同相、正交支路的互相关运算结果求模，得到k个互相关值。k为偶数时，将j＝1,2,…,k/2单元的互相关值分别延迟gtsc,其中g＝j-1，tsc为一个副载波脉冲宽度，得到将j＝(k/2+1),…,(k-1),k单元的互相关值分别延迟gtsc(g＝k-j)，得到

步骤四：第l段的相关函数和两两相乘，得到

步骤五：将h＝k/2个相加，记为

步骤六：采用非相干的方法，对m段的检测量输出进行重构，得到最终的检测量sc；

步骤七：将检测值sc与判决器设定的检测门限值比较大小，若检测值超过检测门限值，则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；

步骤八：当发现存在定位所需卫星信号，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，则更换卫星，重复步骤一至七。

本发明另一目的在于提供一种利用所述基于互相关函数拆分重构的boc信号捕获方法的基于互相关函数拆分重构的boc信号捕获系统，包括：

拆分模块，用于将本地prn信号“拆分”成k组码信号，其中，调制阶数：k＝2m/n；

运算模块，用于将m段boc(m,n)信号中的每一段的同相支路和正交支路分别与k组码信号进行互相关运算，得到互相关值的实部和虚部，然后进行“重构”；

重构模块，用于将每一段的每组码信号对应的同相、正交支路的互相关运算结果求模，并对生成的k个值进行一定的延迟；然后，将每一段的k个值两两相乘后生成了k/2个互相关峰，并对k/2个互相关峰求和得到了每一段的互相关峰值；最后，对m段的互相关峰值求和得到总互相关峰。

进一步，所述重构模块包括：

求模模块，用于将每一段的每组码信号对应的同相、正交支路的互相关运算结果求模，共生成k个值；

求和模块，用于将每一段中延迟后的k个值两两相乘后生成k/2个互相关峰，并对k/2个互相关峰求和得到每一段的互相关峰值；并对m段的互相关峰值求和得到总互相关峰。

本发明的优点及积极效果为：

本发明提出的基于boc/prn互相关函数拆分重构的boc(m,n)信号捕获算法，其检测量的旁峰约为主峰的10％，避免了因检测量的多峰性而导致的漏捕和误捕。

本方案归一化的检测量旁峰降低为aspect法的15.37％。

本发明提出的基于boc/prn互相关函数拆分重构的boc(m,n)信号捕获算法，最终的得到的检测量的互相关峰宽度为1/k个码片，保留了捕获过程中检测峰的窄相关峰特性，满足了boc信号捕获过程的高精度要求。图8中以boc(3,1)为例，捕获灵敏度比aspect法提高了4db。

本发明提出的基于boc/prn互相关函数拆分重构的boc(m,n)信号捕获算法，适用于gnss系统中调制阶数k为偶数的boc(m,n)信号。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基于互相关函数拆分重构的boc信号捕获方法流程图。

图2是本发明实施例提供的基于boc/prn互相关函数拆分重构的boc(m,n)信号捕获算法的第l段的原理图；

图3是本发明实施例提供的本地prn信号c(t)的拆分图，其中横坐标为码相位对应的点数，纵坐标为码片值；

图4是本发明实施例提供的boc(3,1)/prn互相关函数rb/r(τ)，其中横坐标为码相位对应的点数，纵坐标为归一化的互相关函数值(±1)；

图5是本发明实施例提供的boc(3,1)/prn互相关rb/r(τ)拆分结果图，其中横坐标为码相位对应的点数，纵坐标为归一化的互相关函数值；

图6是本发明实施例提供的boc(3,1)/prn互相关函数rb/r(τ)延迟结果图，其中横坐标为码相位对应的点数，纵坐标为归一化的互相关函数值；

图7是本发明实施例提供的经重构得到的互相关函数r，其中横坐标为码相位对应的点数，纵坐标为归一化的互相关函数值图。

图中：a为图6延迟相加的结果归一化求和；b为7a的结果归一化求和。

图8是本发明实施例提供的多种boc信号捕获算法的检测概率与载噪比关系曲线图，

图中：横坐标为输入信号的载噪比，纵坐标为检测概率pd。

图9是本发明实施例提供的基于boc/prn互相关函数拆分重构的boc(3,1)信号的捕获结果图。

图中：x轴为码相位对应的点数，y轴为多普勒频率，z轴为检测量sc输出。

图10为本发明实施例提供的boc(3,1)信号的捕获结果。

图中：a为本发明提出算法的捕获结果；b为aspect法的捕获结果；c为scpc法的捕获结果；d为bpsk-like法的捕获结果。

图11为本发明实施例提供的基于互相关函数拆分重构的boc信号捕获系统示意图。

图中:1、拆分模块；2、运算模块；3、重构模块；3-1、求模模块；3-2、求和模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，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。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的基于互相关函数拆分重构的boc信号捕获方法，包括：

s101：先后利用“拆分”和“重构”的方法；“拆分”方法：首先将本地prn信号拆分成k组码信号，然后，将m段boc(m,n)信号中的每一段的同相支路和正交支路分别与k组码信号进行互相关运算，分别生成互相关值的实部和虚部，然后进行“重构”。

s102：“重构”方法：首先将每一段的每组码信号对应的同相、正交支路的互相关运算结果求模，并对生成的k个值进行一定的延迟；然后，将每一段中延迟后的k个值两两相乘后生成了k/2个互相关峰，并对k/2个互相关峰求和得到了每一段的互相关峰值；最后，对m段的互相关峰值求和得到总互相关峰。该方法在保留其窄相关峰的优点情况下，抑制了多峰性。

步骤s101中，将本地prn信号拆分成k组码信号，其中调制阶数：k＝2m/n。

具体包括：

步骤一：将接收的中频boc(m,n)信号取m段1ms长度，记为s^(l)(t)(其中l＝1,2,…,m)，分别与本地载波混频得到同相i、正交q两路信号；

步骤二：将本地prn序列的每个码片分成k(k＝2m/n)等份，依次截取每一个伪随机码片第j(j＝1,2,…,k)等份的码片信息，可以:“拆分”为k个prn单元信号cj(t),(j＝1,2,…,k)；

步骤三：将混频后信号的同相支路和正交支路与本地prn序列拆分得到的单元信号ck(t)分别做相关运算，再将每组码信号对应的同相、正交支路的互相关运算结果求模，得到k个互相关值。k为偶数时，将j＝1,2,…,k/2单元的互相关值分别延迟gtsc,其中g＝j-1，tsc为一个副载波脉冲宽度，得到将j＝(k/2+1),…,(k-1),k单元的互相关值分别延迟gtsc(g＝k-j)，得到

步骤四：第l段的互相关函数和两两相乘，得到

步骤五：将h＝k/2个相加，记为

步骤六：采用非相干的方法，对m段的检测量输出进行重构，得到最终的检测量sc；

步骤七：将检测值sc与判决器设定的检测门限值比较大小，若检测值超过检测门限值，则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；

步骤八：当发现存在定位所需卫星信号，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，则更换卫星，重复步骤一至七。

如图11所示，本发明实施例提供一种基于互相关函数拆分重构的boc信号捕获系统，包括：

拆分模块1，用于将本地prn信号“拆分”成k组码信号，其中，调制阶数：k＝2m/n；

运算模块2，用于并将m段boc(m,n)信号中的每一段的同相支路和正交支路分别与k组码信号进行互相关运算，得到互相关值的实部和虚部，然后进行“重构”；

重构模块3，用于将每一段的每组码信号对应的同相、正交支路的互相关运算结果求模，并对生成的k个值进行一定的延迟；然后，将每一段中延迟后的k个值两两相乘后生成了k/2个互相关峰，并对k/2个互相关峰求和得到了每一段的互相关峰值；最后，对m段的互相关峰值求和得到总互相关峰。

所述重构模块包括：

求模模块3-1，用于将每一段的每组码信号对应的同相、正交支路的互相关运算结果求模，共生成k个值；

求和模块3-2，用于将每一段中延迟后的k个值两两相乘后生成k/2个互相关峰，并对k/2个互相关峰求和得到每一段的互相关峰值；并对m段的互相关峰值求和得到总互相关峰。

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例

如图2，本发明实施例提出的基于boc/prn互相关函数拆分重构的boc(m,n)信号捕获算法，利用“拆分重构”的方法，先将本地prn信号“拆分”为k组码信号(调制阶数：k＝2m/n，k为偶数)，再将boc(m,n)信号的同相支路和正交支路同时与k组码信号进行互相关运算，并将互相关运算的结果求模后进行“重构”，最终得到窄相关峰检测量。具体处理步骤如下：

步骤一：将接收到的mms中频boc(m,n)信号分成长度为1ms的m段，记为s^(l)(t),l＝1,2,…,m，然后将m段中的每一段分别与本地载波混频，得到同相、正交两路信号。输入中频boc(m,n)信号的数学表达式如下：

其中，ps为信号接收功率，c(t)为prn码序列，d(t)为导航电文，sc(t)为副载波，τ为码延迟，fif为信号中频，fd为接收信号的多普勒频率。

步骤二：将本地prn信号c(t)的每个码片分成k(k＝2m/n)等份，即将c(t)“拆分”为k组码信号cj(t)，j＝1,2,…,k。若将c(t)表示为：

其中，tc为c(t)的单码片的宽度，是周期为tc的矩形脉冲，ci是第i个码片的值(±1)。将每个码片分成k等份，截取每个码片第一等份，即构成第1组码信号：

其中，tsc为单个副载波脉冲的宽度，是周期为tsc的矩形脉冲。依次截取每个码片的第j等份的码片，组成第j组码信号cj(t)：

cj(t)＝c1(t-(j-1)tsc)j＝1,2,...,k

则本地prn信号被分成k组码信号的和：

当输入信号为boc(3,1)时，本地prn信号的拆分如图3所示。

步骤三：将步骤一生成的任意段l的同相支路信号与步骤二拆分成的k组码信号并行进行互相关运算，结果作为互相关值的实部(此处为了快速运算，采用了fft来实现)；同样的，任意段l的正交支路信号也与步骤二拆分成的k组码信号并行进行互相关运算，结果作为互相关值的虚部；然后将任意段l的互相关结果求模后得到

简记为：

其中，l为段号，j为每个段生成的码组号，表示boc(m,n)信号与第j组码信号的互相关函数，δτ为码相位误差，δfd为多普勒残差，为服从n(0,σ²)的高斯噪声。当调制阶数k为偶数时，boc/prn互相关函数为：

λ(x/y)为底部宽度2y、高度1、中心在x＝0处的三角函数，boc(3,1)/prn的互相关函数如图4所示。

若定义prn信号的第j组码信号cj(t)与boc(m,n)信号的子互相关函数为则boc/prn互相关函数由k个子互相关函数组成：

图5为boc(3,1)/prn互相关函数拆分结果图，由图可知子互相关函数存在峰值相等的多峰，且相邻峰之间的时间延迟均为tsc。若以为基准，按步骤二中cj(t)的定义，则可由延迟(j-1)tsc得到，即：

若将图5所示的将和延迟至与对齐，将和延迟至与对齐，结果即为如图6所示的boc(3,1)/prn互相关函数延迟结果图。

步骤四：将分别延迟(j-1)tsc，分别延迟(k-j)tsc，则有：

任意第l段的互相关函数两两相乘，得到

这是因为，与关于码相位偏移成对称关系，即下式的结果为单峰：

图7中和分别为图6中与与与按上式得到的结果。

步骤五：将步骤四得到的k/2个互相关单峰相加，即可得到无模糊度的互相关峰

上式中的r是一个无模糊度的互相关峰，如图7(d)所示。

步骤六：对于所有的m段，对步骤五生成的求和，得到最终的检测量sc：

步骤七：将检测值sc与检测门限值比较，若检测值sc大于检测门限值，则判定捕获到boc(m,n)信号，得出接收的中频信号中包含了对应的卫星信号，通过gnss接收机继续正常跟踪卫星信号，并解调导航电文，参与定位解算。

步骤八：若检测值sc小于检测门限值时，接收的中频信号中没有该卫星信号，则更换卫星号，重复步骤一至步骤八。

本发明与传统算法的检测概率与输入信号载噪比关系如图8所示。与传统信号捕获的检测性能影响因素不同，boc信号的检测性能由噪声和旁峰共同影响。假设相干积分时间为1ms，虚警概率pfa＝10^-3，boc/prn互相关函数拆分重构法、aspect、scpc及bpsk-like法主峰的检测概率pd随输入信号载噪比变化如图7所示。若以90％的检测概率为标准，aspect法能检测到载噪比约为44dbhz，本发明中boc(3,1)信号捕获对应的载噪比约为40dbhz，捕获灵敏度提高了4db。

当s/n为38dbhz时，本发明对boc(3,1)信号的三维捕获结果如图9所示，捕获得到的码相位、多普勒频率等于预设值。基于matlab实现基于boc/prn互相关函数拆分重构的捕获算法的仿真，输入boc(3,1)信号，设置中心频率为fif＝4.309mhz，采样频率为fs＝81.84mhz，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＝3000hz，码偏移为τ＝401采样点。

本发明与传统算法捕获结果对比如图10所示。图10(a)，10(b)，10(c)，10(d)为基于boc/prn互相关函数拆分重构法捕获、基于自相关旁锋消除法(aspect)捕获、基于副载波相位消除捕获、bpsk-like法捕获的归一化二维结果图。以最大相关峰值作为搜索门限，四种方法捕获估计的参数与预设的参数一致。

仿真结果表明，基于boc/prn拆分重构法、副载波相位消除法、bpsk-like法均能抑制boc信号的多峰性，但是后两者没有保留boc信号的窄相关峰特性，检测峰宽度为2个码片，不满足boc信号高精度捕获要求。在码片范围内，图10(b)中aspect法旁峰检测量的值为0.6877，图10(a)中旁峰检测量的值为0.1057，即在估计相同码相位误差范围内，拆分重构法归一化的检测量旁峰降低为aspect法的15.37％。

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。