一种北斗二代卫星b1信号的捕获方法及其系统的制作方法
一种北斗二代卫星b1信号的捕获方法及其系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种北斗二代卫星导航系统领域，尤其涉及一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法及其系统。
【背景技术】
[0002]全球卫星导航系统是非常重要的空间信息基础设施，不仅可以应用于军事、减灾救灾和公共安全领域，也渐渐在个人导航、交通管理、电信、渔业等众多民用领域发挥巨大的作用。目前民用市场中，基于位置服务的应用需求急剧增加，卫星导航系统和互联网以及交通、通信的结合日趋紧密，各种打车软件、公交查询软件以及商家推广业务等都需要导航定位系统的支持，因此卫星导航系统有着非常显著的经济效益以及社会效益。
[0003]中国于2004年开始研发全球性的卫星导航系统，即北斗二代卫星导航系统。该系统已于2012年末覆盖亚太地区，计划将于2020年覆盖全球。北斗二代卫星导航系统由空间段、地面控制段以及用户段设备组成。空间段的标准星座包括有5颗静止轨道卫星(GEO)和30颗非静止轨道卫星，非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星(MEO)和3颗倾斜同步轨道卫星(IGSO)组成，截止到2012年底，在轨的工作卫星有5颗地球静止轨道卫星、4颗中圆轨道卫星和5颗倾斜同步轨道卫星。北斗二代卫星导航系统属于无源的全球性卫星导航定位系统，用户段设备无须发送定位申请，只需要接收卫星播发的信号，就能够直接计算出自己的位置。
[0004]因此，对于北斗导航的接收机而言，搜索并成功捕获到北斗二代卫星信号是其最基本也是最重要的功能。但是北斗二代卫星导航系统中的BI信号引入了二次编码技术用于抑制窄带干扰，该技术的引入对北斗导航的接收机的捕获方法提出挑战。
[0005]北斗二代卫星导航系统中的BI信号是一种扩频信号，卫星信号捕获的基本过程是使用本地产生的复现C/A信号与接收到的卫星信号进行相干积分操作，即相关操作，根据相干积分计算的结果判断是否捕获到卫星。相干积分时间的长短决定了捕获到的卫星能量的大小，因此增加相干积分的时间长度，捕获得到的卫星信号的能量就越强，从而捕获卫星信号的灵敏度就越高。但是二次编码调制技术的使用使得BI信号的符号位跳变间隔降为1ms，即每间隔Ims就有可能发生符号位的翻转，导致无法直接应用现有的长时间相干积分捕获算法，影响BI信号捕获的灵敏度。
[0006]在2013年I月8日申请的申请号为201310005727.4的中国发明，提出了北斗接收机多卫星信号联合捕获方法，所述方法将北斗接收机中输入的BI频点中频信号及其延迟信号进行相乘运算，再与多卫星奇偶两路延迟组合测距伪码序列进行相关运算及相关峰值检测，最后利用单颗可见星对应码相位及载波频率判别方法，获得多星搜索结果中单颗可见星码相位及载波频率值，为北斗接收机的信号跟踪模块提供初始参数。所述方法提供了对多颗卫星信号进行并行搜索与捕获的功能；输入信号及延迟信号长度选择可以不再受导航电文数据比特跳变的影响；提高了接收机对卫星信号的捕获处理效率。
[0007]在2014年3月20日申请的申请号为201410103896.6的中国发明，涉及一种北斗卫星导航接收机位同步方法，属于卫星导航接收机信号基带处理方法技术领域。本发明采用分组比特匹配的思想，在保留原有接收机捕获、跟踪结构的基础上改善和优化位同步过程，能够同时实现北斗信号位同步和帧同步，且不受NH码相位跳变的影响；可方便快速地实现NH码剥离，不会造成额外的时间延迟；消除数据比特跳变和NH码相位变化的影响，可实现预检测积分时间20ms。将极大地提高信噪比，提高北斗弱信号的捕获跟踪灵敏度。
[0008]在2007年10月15日申请的申请号为200710175872.1的中国发明，公开了一种GNSS接收机的基带信号处理方法。本方法主要适用于GNSS接收机普通测距码信号的接收，并在频域内完成基带信号的捕获、跟踪处理，易基于大规模集成电路实现。捕获过程中，利用FFT和IFFT计算方法进行成组计算来简化时域相关运算。码跟踪过程中，首先利用FFT和IFFT运算找出多个相关峰位置，然后利用曲线拟合的方法完成码相位的精确估计。载波跟踪过程中，首先根据捕获时得到的粗略载波频率估计值确定计算DFT值点的范围，并利用滑动DFT方法计算这部分点的DFT值，然后利用插值DFT方法对载波频率进行估计。在导航电文恢复时，利用了码跟踪过程中IFFT的输出结果完成数据的解调。
【发明内容】
[0009]本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，解决了二次编码调制技术带来的符号位翻转问题，是根据BI信号中调制的二次编码NH码的特性，遍历搜索其中不受符号位跳变影响的序列，对该段序列进行定长时间的相干积分捕获，提高BI信号的捕获灵敏度。
[0010]本发明的问题之一，是这样实现的:
一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，包括如下步骤:
步骤1、接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源；
步骤2、接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据；
步骤3、在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，共取20次；
步骤4、对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波；
步骤5、将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算；
步骤6、经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果；
步骤7、对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。
[0011]进一步地，所述步骤2具体如下:
接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储。
[0012]进一步地，所述步骤3中的插值具体如下: 第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值。
[0013]进一步地，所述步骤5中的4点DFT计算步骤如下:
将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算。
[0014]本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，解决了二次编码调制技术带来的符号位翻转问题，是根据BI信号中调制的二次编码NH码的特性，遍历搜索其中不受符号位跳变影响的序列，对该段序列进行定长时间的相干积分捕获，提高BI信号的捕获灵敏度。
[0015]本发明的问题之二，是这样实现的:
一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，包括:
接收模块，用于接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源；
混频抽取模块，用于在接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据；
插值模块，用于在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，共取20
次；
搜索剥离模块， 用于对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波；
4点DFT模块，用于将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算；
FFT模块，用于对经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果；
排序模块，用于对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。
[0016]进一步地，所述混频抽取模块具体如下:
接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储。
[0017]进一步地，所述插值模块具体如下:
第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值。
[0018]进一步地，所述4点DFT模块具体如下:
将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算。
[0019]本发明具有如下优点:本发明可以实现对BI信号的4ms相干积分，大大提高了 BI卫星信号的捕获灵敏度，同时可以根据实际需求与应用场景，灵活调整数据搜索间隔，获得在运算量与捕获灵敏度之间的均衡。
【附图说明】
[0020]下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0021 ] 图1为本发明方法执行流程图。
[0022]图2为BI信号的结构图。
[0023]图3为本发明方法中的序列搜索图。
【具体实施方式】
[0024]如图1所示，本发明的一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，包括如下步骤: 步骤1、接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源；
步骤2、接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据；其具体为:
接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率，下变频操作需要产生本地载波，可以通过存储载波数据的查找表实现；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低，这一抽取操作是为了后续减小存储器的存储复杂度，该抽取操作是通过累加和二次量化实现的；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储，当存储器中存储够4ms长度的数据时就可以进行下一步的插值操作；
如图2所示，BI信号中存在NH码调制，一个NH码周期每隔Ims就有可能进行一次符号位跳变，图3为一个NH码序列，从中可以看出NH码序列中存在一段连续5个相同的符号，因此BI信号中有一段连续的5ms数据不存在符号位跳变，如果有一段的数据恰好在这5ms数据之内，那么利用这段数据进行相干积分，就不会受到导航电文以及二次编码引起的符号位跳变的影响。相干积分时间一般取正整数，又要满足，因此为符合条件的最长的相干积分时间。所以一次取4ms长度的数据进行操作，下一次再间隔Ims取4ms长度的数据进行操作，这样经过20次操作，就可以确保其中至少存在一次操作使用的4ms数据是落在该段不受符号位跳变影响的区域内。
[0025]步骤3、从存储器中读取数据，在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，该插值操作的目的在于微调数据速率，使得Ims的数据长度为2的幂指数，便于进行FFT计算，插值操作可以使用线性插值算法实现；其具体为:第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值；
步骤4、对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波；多普勒频率的搜索范围即接收到的卫星信号的载波中心频率偏移的范围，载波中心频率的偏移主要由用户接收机与卫星之间的相对运动以及接收机钟漂引起，一般认为路基运动载体上的接收机接收到的信号的载波中心频率的最大偏移量为1KHz，所以将以载波标称频率为中心的20KHz的频率区间作为接收机冷启动时用于捕获卫星信号的频率搜索范围，多普勒频率的搜索步长为ΙΚΗζ，即搜索精度为IKHz ；
步骤5、将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算，目的是对数据进行累加，延长相干积分时间，提高相关运算结果的信噪比，这一 4点DFT计算操作实现了 4ms长度的数据的累加，将相干积分时间延长到4ms，而且将原来IKHz的频率仓细分为4个小频率仓，细化了频率搜索步长，频率搜索误差由500Hz减小为125Hz ;其具体为:将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算；
步骤6、经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与本地PRN ROM中存储的伪随机码的共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，其中IFFT计算可以直接复用FFT的模块，可以节省硬件开销；然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果；
步骤7、对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。
[0026]本发明的一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，包括:
接收模块，用于接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源；
混频抽取模块，用于在接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据；其具体为:
接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率，下变频操作需要产生本地载波，可以通过存储载波数据的查找表实现；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低，这一抽取操作是为了后续减小存储器的存储复杂度，该抽取操作是通过累加和二次量化实现的；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储，当存储器中存储够4ms长度的数据时就可以进行下一步的插值操作；
如图2所示，BI信号中存在NH码调制，一个NH码周期每隔Ims就有可能进行一次符号位跳变，图3为一个NH码序列，从中可以看出NH码序列中存在一段连续5个相同的符号，因此BI信号中有一段连续的5ms数据不存在符号位跳变，如果有一段的数据恰好在这5ms数据之内，那么利用这段数据进行相干积分，就不会受到导航电文以及二次编码引起的符号位跳变的影响。相干积分时间一般取正整数，又要满足，因此为符合条件的最长的相干积分时间。所以一次取4ms长度的数据进行操作，下一次再间隔Ims取4ms长度的数据进行操作，这样经过20次操作，就可以确保其中至少存在一次操作使用的4ms数据是落在该段不受符号位跳变影响的区域内。
[0027]插值模块，用于从存储器中读取数据，在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，该插值 操作的目的在于微调数据速率，使得Ims的数据长度为2的幂指数，便于进行FFT计算，插值操作可以使用线性插值算法实现；其具体为:第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值；
搜索剥离模块，用于对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波；多普勒频率的搜索范围即接收到的卫星信号的载波中心频率偏移的范围，载波中心频率的偏移主要由用户接收机与卫星之间的相对运动以及接收机钟漂引起，一般认为路基运动载体上的接收机接收到的信号的载波中心频率的最大偏移量为1KHz，所以将以载波标称频率为中心的20KHz的频率区间作为接收机冷启动时用于捕获卫星信号的频率搜索范围，多普勒频率的搜索步长为ΙΚΗζ，即搜索精度为IKHz ；
4点DFT模块，用于将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算，目的是对数据进行累加，延长相干积分时间，提高相关运算结果的信噪比，这一 4点DFT计算操作实现了 4ms长度的数据的累加，将相干积分时间延长到4ms，而且将原来IKHz的频率仓细分为4个小频率仓，细化了频率搜索步长，频率搜索误差由500Hz减小为125Hz ;其具体为:将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算；
FFT模块，用于对经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与本地PRN ROM中存储的伪随机码的共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，其中IFFT计算可以直接复用FFT的模块，可以节省硬件开销；然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果；
排序模块，用于对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。
[0028]虽然以上描述了本发明的【具体实施方式】，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
【主权项】
1.一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1、接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源； 步骤2、接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据； 步骤3、在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，共取20次； 步骤4、对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波； 步骤5、将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算； 步骤6、经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果； 步骤7、对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。2.根据权利要求1所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，其特征在于:所述步骤2具体如下: 接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储。3.根据权利要求1所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，其特征在于:所述步骤3中的插值具体如下: 第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值。4.根据权利要求1所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，其特征在于:所述步骤5中的4点DFT计算步骤如下: 将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算。5.一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，其特征在于:包括: 接收模块，用于接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源； 混频抽取模块，用于在接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据； 插值模块，用于在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，共取20次； 搜索剥离模块，用于对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波； 4点DFT模块，用于将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算； FFT模块，用于对经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果； 排序模块，用于对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。6.根据权利要求5所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，其特征在于:所述混频抽取模块具体如下: 接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储。7.根据权利要求5所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，其特征在于:所述插值模块具体如下: 第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值。8.根据权利要求5所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，其特征在于:所述4点DFT模块具体如下: 将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算。
【专利摘要】本发明提供一种北斗二代卫星B1信号的捕获方法，包括：1、天线接收B1信号处理后变成数字中频信号；2、接收数字中频信号，剥离载波并抽取，然后存储数据；2、对数据进行插值；3、对数据进行搜索并剥离载波；4、将数据进行4点DFT计算；5、对数据剥离载波，接着进行FFT计算，再进行IFFT计算，得到相关峰结果；将所有数据都进行处理，得到相关峰结果；6、对相关峰结果进行排序，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到B1信号；否则说明没有捕获到B1信号。本发明还提供一种北斗二代卫星B1信号的捕获系统，本发明可实现对B1信号的4ms相干积分，提高B1信号的捕获灵敏度，还能获得在运算量与捕获灵敏度之间的均衡。
【IPC分类】G01S19/24
【公开号】CN104898136
【申请号】CN201510255300
【发明人】彭敖, 石江宏, 陈凌宇
【申请人】厦门大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月19日
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种北斗二代卫星导航系统领域，尤其涉及一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法及其系统。
【背景技术】
[0002]全球卫星导航系统是非常重要的空间信息基础设施，不仅可以应用于军事、减灾救灾和公共安全领域，也渐渐在个人导航、交通管理、电信、渔业等众多民用领域发挥巨大的作用。目前民用市场中，基于位置服务的应用需求急剧增加，卫星导航系统和互联网以及交通、通信的结合日趋紧密，各种打车软件、公交查询软件以及商家推广业务等都需要导航定位系统的支持，因此卫星导航系统有着非常显著的经济效益以及社会效益。
[0003]中国于2004年开始研发全球性的卫星导航系统，即北斗二代卫星导航系统。该系统已于2012年末覆盖亚太地区，计划将于2020年覆盖全球。北斗二代卫星导航系统由空间段、地面控制段以及用户段设备组成。空间段的标准星座包括有5颗静止轨道卫星(GEO)和30颗非静止轨道卫星，非静止轨道卫星由27颗中圆轨道卫星(MEO)和3颗倾斜同步轨道卫星(IGSO)组成，截止到2012年底，在轨的工作卫星有5颗地球静止轨道卫星、4颗中圆轨道卫星和5颗倾斜同步轨道卫星。北斗二代卫星导航系统属于无源的全球性卫星导航定位系统，用户段设备无须发送定位申请，只需要接收卫星播发的信号，就能够直接计算出自己的位置。
[0004]因此，对于北斗导航的接收机而言，搜索并成功捕获到北斗二代卫星信号是其最基本也是最重要的功能。但是北斗二代卫星导航系统中的BI信号引入了二次编码技术用于抑制窄带干扰，该技术的引入对北斗导航的接收机的捕获方法提出挑战。
[0005]北斗二代卫星导航系统中的BI信号是一种扩频信号，卫星信号捕获的基本过程是使用本地产生的复现C/A信号与接收到的卫星信号进行相干积分操作，即相关操作，根据相干积分计算的结果判断是否捕获到卫星。相干积分时间的长短决定了捕获到的卫星能量的大小，因此增加相干积分的时间长度，捕获得到的卫星信号的能量就越强，从而捕获卫星信号的灵敏度就越高。但是二次编码调制技术的使用使得BI信号的符号位跳变间隔降为1ms，即每间隔Ims就有可能发生符号位的翻转，导致无法直接应用现有的长时间相干积分捕获算法，影响BI信号捕获的灵敏度。
[0006]在2013年I月8日申请的申请号为201310005727.4的中国发明，提出了北斗接收机多卫星信号联合捕获方法，所述方法将北斗接收机中输入的BI频点中频信号及其延迟信号进行相乘运算，再与多卫星奇偶两路延迟组合测距伪码序列进行相关运算及相关峰值检测，最后利用单颗可见星对应码相位及载波频率判别方法，获得多星搜索结果中单颗可见星码相位及载波频率值，为北斗接收机的信号跟踪模块提供初始参数。所述方法提供了对多颗卫星信号进行并行搜索与捕获的功能；输入信号及延迟信号长度选择可以不再受导航电文数据比特跳变的影响；提高了接收机对卫星信号的捕获处理效率。
[0007]在2014年3月20日申请的申请号为201410103896.6的中国发明，涉及一种北斗卫星导航接收机位同步方法，属于卫星导航接收机信号基带处理方法技术领域。本发明采用分组比特匹配的思想，在保留原有接收机捕获、跟踪结构的基础上改善和优化位同步过程，能够同时实现北斗信号位同步和帧同步，且不受NH码相位跳变的影响；可方便快速地实现NH码剥离，不会造成额外的时间延迟；消除数据比特跳变和NH码相位变化的影响，可实现预检测积分时间20ms。将极大地提高信噪比，提高北斗弱信号的捕获跟踪灵敏度。
[0008]在2007年10月15日申请的申请号为200710175872.1的中国发明，公开了一种GNSS接收机的基带信号处理方法。本方法主要适用于GNSS接收机普通测距码信号的接收，并在频域内完成基带信号的捕获、跟踪处理，易基于大规模集成电路实现。捕获过程中，利用FFT和IFFT计算方法进行成组计算来简化时域相关运算。码跟踪过程中，首先利用FFT和IFFT运算找出多个相关峰位置，然后利用曲线拟合的方法完成码相位的精确估计。载波跟踪过程中，首先根据捕获时得到的粗略载波频率估计值确定计算DFT值点的范围，并利用滑动DFT方法计算这部分点的DFT值，然后利用插值DFT方法对载波频率进行估计。在导航电文恢复时，利用了码跟踪过程中IFFT的输出结果完成数据的解调。
【发明内容】
[0009]本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，解决了二次编码调制技术带来的符号位翻转问题，是根据BI信号中调制的二次编码NH码的特性，遍历搜索其中不受符号位跳变影响的序列，对该段序列进行定长时间的相干积分捕获，提高BI信号的捕获灵敏度。
[0010]本发明的问题之一，是这样实现的:
一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，包括如下步骤:
步骤1、接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源；
步骤2、接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据；
步骤3、在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，共取20次；
步骤4、对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波；
步骤5、将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算；
步骤6、经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果；
步骤7、对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。
[0011]进一步地，所述步骤2具体如下:
接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储。
[0012]进一步地，所述步骤3中的插值具体如下: 第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值。
[0013]进一步地，所述步骤5中的4点DFT计算步骤如下:
将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算。
[0014]本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，解决了二次编码调制技术带来的符号位翻转问题，是根据BI信号中调制的二次编码NH码的特性，遍历搜索其中不受符号位跳变影响的序列，对该段序列进行定长时间的相干积分捕获，提高BI信号的捕获灵敏度。
[0015]本发明的问题之二，是这样实现的:
一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，包括:
接收模块，用于接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源；
混频抽取模块，用于在接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据；
插值模块，用于在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，共取20
次；
搜索剥离模块， 用于对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波；
4点DFT模块，用于将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算；
FFT模块，用于对经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果；
排序模块，用于对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。
[0016]进一步地，所述混频抽取模块具体如下:
接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储。
[0017]进一步地，所述插值模块具体如下:
第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值。
[0018]进一步地，所述4点DFT模块具体如下:
将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算。
[0019]本发明具有如下优点:本发明可以实现对BI信号的4ms相干积分，大大提高了 BI卫星信号的捕获灵敏度，同时可以根据实际需求与应用场景，灵活调整数据搜索间隔，获得在运算量与捕获灵敏度之间的均衡。
【附图说明】
[0020]下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0021 ] 图1为本发明方法执行流程图。
[0022]图2为BI信号的结构图。
[0023]图3为本发明方法中的序列搜索图。
【具体实施方式】
[0024]如图1所示，本发明的一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，包括如下步骤: 步骤1、接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源；
步骤2、接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据；其具体为:
接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率，下变频操作需要产生本地载波，可以通过存储载波数据的查找表实现；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低，这一抽取操作是为了后续减小存储器的存储复杂度，该抽取操作是通过累加和二次量化实现的；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储，当存储器中存储够4ms长度的数据时就可以进行下一步的插值操作；
如图2所示，BI信号中存在NH码调制，一个NH码周期每隔Ims就有可能进行一次符号位跳变，图3为一个NH码序列，从中可以看出NH码序列中存在一段连续5个相同的符号，因此BI信号中有一段连续的5ms数据不存在符号位跳变，如果有一段的数据恰好在这5ms数据之内，那么利用这段数据进行相干积分，就不会受到导航电文以及二次编码引起的符号位跳变的影响。相干积分时间一般取正整数，又要满足，因此为符合条件的最长的相干积分时间。所以一次取4ms长度的数据进行操作，下一次再间隔Ims取4ms长度的数据进行操作，这样经过20次操作，就可以确保其中至少存在一次操作使用的4ms数据是落在该段不受符号位跳变影响的区域内。
[0025]步骤3、从存储器中读取数据，在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，该插值操作的目的在于微调数据速率，使得Ims的数据长度为2的幂指数，便于进行FFT计算，插值操作可以使用线性插值算法实现；其具体为:第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值；
步骤4、对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波；多普勒频率的搜索范围即接收到的卫星信号的载波中心频率偏移的范围，载波中心频率的偏移主要由用户接收机与卫星之间的相对运动以及接收机钟漂引起，一般认为路基运动载体上的接收机接收到的信号的载波中心频率的最大偏移量为1KHz，所以将以载波标称频率为中心的20KHz的频率区间作为接收机冷启动时用于捕获卫星信号的频率搜索范围，多普勒频率的搜索步长为ΙΚΗζ，即搜索精度为IKHz ；
步骤5、将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算，目的是对数据进行累加，延长相干积分时间，提高相关运算结果的信噪比，这一 4点DFT计算操作实现了 4ms长度的数据的累加，将相干积分时间延长到4ms，而且将原来IKHz的频率仓细分为4个小频率仓，细化了频率搜索步长，频率搜索误差由500Hz减小为125Hz ;其具体为:将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算；
步骤6、经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与本地PRN ROM中存储的伪随机码的共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，其中IFFT计算可以直接复用FFT的模块，可以节省硬件开销；然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果；
步骤7、对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。
[0026]本发明的一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，包括:
接收模块，用于接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源；
混频抽取模块，用于在接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据；其具体为:
接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率，下变频操作需要产生本地载波，可以通过存储载波数据的查找表实现；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低，这一抽取操作是为了后续减小存储器的存储复杂度，该抽取操作是通过累加和二次量化实现的；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储，当存储器中存储够4ms长度的数据时就可以进行下一步的插值操作；
如图2所示，BI信号中存在NH码调制，一个NH码周期每隔Ims就有可能进行一次符号位跳变，图3为一个NH码序列，从中可以看出NH码序列中存在一段连续5个相同的符号，因此BI信号中有一段连续的5ms数据不存在符号位跳变，如果有一段的数据恰好在这5ms数据之内，那么利用这段数据进行相干积分，就不会受到导航电文以及二次编码引起的符号位跳变的影响。相干积分时间一般取正整数，又要满足，因此为符合条件的最长的相干积分时间。所以一次取4ms长度的数据进行操作，下一次再间隔Ims取4ms长度的数据进行操作，这样经过20次操作，就可以确保其中至少存在一次操作使用的4ms数据是落在该段不受符号位跳变影响的区域内。
[0027]插值模块，用于从存储器中读取数据，在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，该插值 操作的目的在于微调数据速率，使得Ims的数据长度为2的幂指数，便于进行FFT计算，插值操作可以使用线性插值算法实现；其具体为:第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值；
搜索剥离模块，用于对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波；多普勒频率的搜索范围即接收到的卫星信号的载波中心频率偏移的范围，载波中心频率的偏移主要由用户接收机与卫星之间的相对运动以及接收机钟漂引起，一般认为路基运动载体上的接收机接收到的信号的载波中心频率的最大偏移量为1KHz，所以将以载波标称频率为中心的20KHz的频率区间作为接收机冷启动时用于捕获卫星信号的频率搜索范围，多普勒频率的搜索步长为ΙΚΗζ，即搜索精度为IKHz ；
4点DFT模块，用于将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算，目的是对数据进行累加，延长相干积分时间，提高相关运算结果的信噪比，这一 4点DFT计算操作实现了 4ms长度的数据的累加，将相干积分时间延长到4ms，而且将原来IKHz的频率仓细分为4个小频率仓，细化了频率搜索步长，频率搜索误差由500Hz减小为125Hz ;其具体为:将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算；
FFT模块，用于对经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与本地PRN ROM中存储的伪随机码的共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，其中IFFT计算可以直接复用FFT的模块，可以节省硬件开销；然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果；
排序模块，用于对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。
[0028]虽然以上描述了本发明的【具体实施方式】，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的精神所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。
【主权项】
1.一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，其特征在于:包括如下步骤: 步骤1、接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源； 步骤2、接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据； 步骤3、在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，共取20次； 步骤4、对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波； 步骤5、将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算； 步骤6、经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果； 步骤7、对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。2.根据权利要求1所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，其特征在于:所述步骤2具体如下: 接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储。3.根据权利要求1所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，其特征在于:所述步骤3中的插值具体如下: 第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值。4.根据权利要求1所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获方法，其特征在于:所述步骤5中的4点DFT计算步骤如下: 将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算。5.一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，其特征在于:包括: 接收模块，用于接收机将天线接收到的BI信号经射频前端处理后变成数字中频信号，为接收机捕获提供输入信号来源； 混频抽取模块，用于在接收机接收数字中频信号后，粗略剥离数字中频信号中的载波并对数据进行抽取操作，然后存储处理好的数据； 插值模块，用于在存储的数据中，每间隔Ims就取4ms长度的数据进行插值，共取20次； 搜索剥离模块，用于对插值后的4ms长度的数据进行多普勒频率的搜索并剥离残余的载波； 4点DFT模块，用于将剥离残余的载波后的数据进行4点DFT计算； FFT模块，用于对经过4点DFT计算后的数据进行精细剥离载波，接着进行FFT计算，然后与共轭FFT值相乘，再进行IFFT计算，然后将IFFT计算的结果取模值，得到相关峰结果；将所有20次4ms长度的数据都进行步骤3至步骤5的处理，得到相关峰结果； 排序模块，用于对所有20次4ms长度的数据的相关峰结果进行排序，得到其中最大的峰值，将其与捕获阈值进行比较，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到BI信号；若最大的峰值比捕获阈值小，则说明没有捕获到BI信号。6.根据权利要求5所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，其特征在于:所述混频抽取模块具体如下: 接收机接收数字中频信号:，通过产生的本地载波进行下变频操作，将数字中频信号中的中频载波去除，仅残留多普勒频率；经过载波剥离之后的数据再经过抽取，将数据速率降低；经过抽取后的数据通过缓冲器写入存储器中进行存储。7.根据权利要求5所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，其特征在于:所述插值模块具体如下: 第一次取出第l~4ms的数据，第二次取出第2~5ms的数据，第三次取出第3~6ms的数据，依次类推，共取出20次4ms长度的数据进行插值。8.根据权利要求5所述的一种北斗二代卫星BI信号的捕获系统，其特征在于:所述4点DFT模块具体如下: 将4ms长度的数据分为第1ms、第2ms、第3ms和第4ms的四段数据，然后分别从第1ms、第2ms、第3ms和第4ms中取出一个数据，共4个数据，对其进行4点DFT计算。
【专利摘要】本发明提供一种北斗二代卫星B1信号的捕获方法，包括：1、天线接收B1信号处理后变成数字中频信号；2、接收数字中频信号，剥离载波并抽取，然后存储数据；2、对数据进行插值；3、对数据进行搜索并剥离载波；4、将数据进行4点DFT计算；5、对数据剥离载波，接着进行FFT计算，再进行IFFT计算，得到相关峰结果；将所有数据都进行处理，得到相关峰结果；6、对相关峰结果进行排序，若最大的峰值比捕获阈值大，则说明有捕获到B1信号；否则说明没有捕获到B1信号。本发明还提供一种北斗二代卫星B1信号的捕获系统，本发明可实现对B1信号的4ms相干积分，提高B1信号的捕获灵敏度，还能获得在运算量与捕获灵敏度之间的均衡。
【IPC分类】G01S19/24
【公开号】CN104898136
【申请号】CN201510255300
【发明人】彭敖, 石江宏, 陈凌宇
【申请人】厦门大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月19日
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