一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法

摘要

本发明涉及一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法，属于卫星导航技术领域。本方法包括以下步骤：步骤一：剥离卫星信号伪码；步骤二：对信号做FFT；步骤三：设定门限值；步骤四：将FFT输出主峰值与门限值比较，若高于门限值说明捕获成功，捕获到的多普勒频移为fd；步骤五：将FFT输出次峰值与门限值比较，若高于门限值且次峰和主峰位置相邻，则可以对多普勒频移修正，否则将fd作为捕获结果；步骤六：以FFT输出主峰与次峰的比值作为地址查表，得到修正值fx；步骤七：判断主峰和次峰的位置关系，若次峰在主峰左侧，则修正后的多普勒频移为fd-fx，否则为fd+fx。本方法应用在北斗信号的软件接收机中，能够在几乎没有增加计算负荷的情况下有效提高多普勒频移的捕获精度。

权利要求

1.一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：将输入的数字中频信号和本地伪码信号相关，剥离卫星信号中的伪随机码；

步骤二：对剥离伪码后的信号进行快速傅里叶变换，通过FFT对多普勒频移值进行估计；

步骤三：设定捕获门限值；

步骤四：将FFT输出的主峰值结果与设定门限值进行比较，若高于门限值说明捕获成功，记录主峰位置，否则说明未捕获到卫星；

步骤五：将FFT输出的次峰值结果与设定门限值进行比较，若高于门限值并且次峰值位置和主峰值位置相邻，说明对捕获到的多普勒频移值进行修正，否则直接将主峰值对应的多普勒频移值fd作为最终的捕获结果；

步骤六：以FFT输出的主峰值与次峰值的比值作为地址进行查表，获得多普勒频移的修正值fx；

步骤七：判断主峰值和次峰值的位置关系，若次峰值在主峰值左侧，则修正后的多普勒频移值为fd-fx，否则修正后的多普勒频移值为fd+fx。

2.根据权利要求1所述的一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法，其特征在于，步骤一中所述输入的数字中频信号表示为：其中A是信号振幅；C(n)是伪随机码；D(n)是导航电文；fIF是载波中心频率；fd是多普勒频移； 是初始载波相位；w(n)是高斯白噪声，n为输入的离散卫星信号的数据点中的第n个采样数据，exp表示以e为底的指数函数。

3.根据权利要求2所述的一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法，其特征在于，步骤二中所述剥离伪码后的信号表示为：其中：i为虚数单位。

4.根据权利要求1所述的一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法，其特征在于，步骤二中在对剥离伪码后的信号进行快速傅里叶变换前，首先要进行加窗处理，得到有限长信号S1(n)，过程表示为：其中，S(n)为伪码剥离后的卫星信号，TS为时域离散采样周期，n表示第n个采样数据,t为时间,L为FFT点数，δ(t-nTS)为冲激函数， 为矩形函数。

5.根据权利要求1所述的一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法，其特征在于，步骤三的具体过程如下：首先设置一个信号的捕获虚警率Pfa，再根据此虚警率的要求计算得到设定的门限值Yt，计算过程为：其中，σ为莱斯分布概率密度函数曲线的标准差。

说明书

一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法，属于卫星导航技术领域。

背景技术

[0002] 随着北斗卫星导航系统的快速发展，使用北斗卫星进行高精度导航定位成为近几年的研究重点。信号捕获是北斗系统软件接收机中的关键技术，从PRN码(伪随机噪声码)、伪码相位和多普勒频移三个维度对信号进行捕获。由于捕获到的卫星信号中夹杂的噪声为高斯白噪声，单个复指数波形的最大似然频率估计值在接收信号的离散傅里叶变换(DFT)的峰值位置。为了更适合于计算机操作，快速傅里叶变换(FFT)通常用于单一的复指数波形处理。由于FFT输出的频谱是离散的，多普勒频移估计的精度由FFT的频率分辨率决定。

[0003] 卫星信号粗捕获后的载波频率精度无法保证输入信号进入跟踪环路的跟踪范围，必须对捕获后的粗略频率进行细化，使得载波频率落入跟踪环路的捕获带，才能使得跟踪环路正常工作。因此在卫星信号捕获后，还需要设计提高多普勒频移捕获精度的方法。现有的提高多普勒频移捕获精度的方法，无论是基于并行频率捕获法还是并行码相位捕获法，都是以增加额外的计算量为代价来提高FFT的分辨率，从而提高多普勒频移的捕获精度。现有的高精度捕获技术中，没有一种计算量小、有效的高精度捕获方法，造成现有高精度捕获方法消耗过多的运算资源。

发明内容

[0004] 本发明提出一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法，将其应用在北斗信号的软件接收机中，能够在几乎没有增加计算负荷的情况下有效提高多普勒频移的捕获精度。

[0005] 本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

[0006] 一种基于查表法的北斗信号高精度捕获方法，包括以下步骤：

[0007] 步骤一：将输入的数字中频信号和本地伪码信号相关，剥离卫星信号中的伪随机码；

[0008] 步骤二：对剥离伪码后的信号进行快速傅里叶变换，通过FFT对多普勒频移值进行估计；

[0009] 步骤三：设定捕获门限值；

[0010] 步骤四：将FFT输出的主峰值结果与设定门限值进行比较，若高于门限值说明捕获成功，记录主峰位置，否则说明未捕获到卫星；

[0011] 步骤五：将FFT输出的次峰值结果与设定门限值进行比较，若高于门限值并且次峰值位置和主峰值位置相邻，说明对捕获到的多普勒频移值进行修正，否则直接将主峰值对应的多普勒频移值fd作为最终的捕获结果；

[0012] 步骤六：以FFT输出的主峰值与次峰值的比值作为地址进行查表，获得多普勒频移的修正值fx；

[0013] 步骤七：判断主峰值和次峰值的位置关系，若次峰值在主峰值左侧，则修正后的多普勒频移值为fd-fx，否则修正后的多普勒频移值为fd+fx。

[0014] 步骤一中所述输入的数字中频信号表示为：

[0015]

[0016] 其中A是信号振幅；C(n)是伪随机码；D(n)是导航电文；fIF是载波中心频率；fd是多普勒频移； 是初始载波相位；w(n)是高斯白噪声，n为输入的离散卫星信号的数据点中的第n个采样数据，exp表示以e为底的指数函数。

[0017] 步骤二中所述剥离伪码后的信号表示为：

[0018]

[0019] 其中：i为虚数单位。

[0020] 步骤二中在对剥离伪码后的信号进行快速傅里叶变换前，首先要进行加窗处理，得到有限长信号S1(n)，过程表示为：

[0021]

[0022] 其中，S(n)为伪码剥离后的卫星信号，TS为时域离散采样周期，n表示第n个采样数据,t为时间,L为FFT点数，δ(t-nTS)为冲激函数， 为矩形函数。

[0023] 步骤三的具体过程如下：

[0024] 首先设置一个信号的捕获虚警率Pfa，再根据此虚警率的要求计算得到设定的门限值Yt，计算过程为：

[0025]

[0026] 其中，σ为莱斯分布概率密度函数曲线的标准差。

[0027] 本发明的有益效果如下：

[0028] 本发明基于传统的并行频率捕获方法，在获得FFT输出结果后，记录主峰值和次峰值的大小和位置。若主峰值和次峰值均大于设定的门限值，并且主峰和次峰的位置相邻，就可以以主峰值和次峰值的比值为地址，通过查表的方式获得多普勒频移的修正值。基于查表法的北斗信号高精度捕获方法提高了载波频率的捕获精度，并且几乎没有增加计算负荷。将其应用在北斗信号的软件接收机中，当多普勒频移在表格的可查询范围内时，能够将多普勒频移的捕获精度提高到50Hz。

附图说明

[0029] 图1是基于查表法的北斗信号高精度捕获方法的结构示意图。

[0030] 图2是本发明中基于查表法的多普勒频移修正方法流程图。

[0031] 图3(a)是并行频率捕获算法对多普勒频移为50Hz的北斗信号进行FFT得到的结果图；图3(b)是并行频率捕获算法对多普勒频移为100Hz的北斗信号进行FFT得到的结果图；图3(c)是并行频率捕获算法对多普勒频移为150Hz的北斗信号进行FFT得到的结果图；图3(d)是并行频率捕获算法对多普勒频移为200Hz的北斗信号进行FFT得到的结果图；图3(e)是并行频率捕获算法对多普勒频移为250Hz的北斗信号进行FFT得到的结果图；图3(f)是并行频率捕获算法对多普勒频移为300Hz的北斗信号进行FFT得到的结果图；图3(g)是并行频率捕获算法对多普勒频移为350Hz的北斗信号进行FFT得到的结果图；图3(h)是并行频率捕获算法对多普勒频移为400Hz的北斗信号进行FFT得到的结果图；图3(i)是并行频率捕获算法对多普勒频移为450Hz的北斗信号进行FFT得到的结果图；图3(j)是并行频率捕获算法对多普勒频移为500Hz的北斗信号进行FFT得到的结果图。图4是高精度多普勒频移捕获结果和多普勒频移真实值间的对比图。

具体实施方式

[0032] 下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明。

[0033] 基于查表法的北斗信号高精度捕获方法的结构示意图如图1所示。具体实施时，卫星信号经过射频前端处理后，输入捕获模块的卫星信号为复指数离散信号，其表达式为：

[0034]

[0035] 其中A是信号振幅；C(n)是伪随机码；D(n)是导航电文；i为虚数单位,fIF是载波中心频率；fd是多普勒频移； 是初始载波相位；w(n)是高斯白噪声，n为输入的离散卫星信号的数据点中的第n个采样数据，exp表示以e为底的指数函数。对该信号的处理过程为：

[0036] 第一步：将中频数字信号和本地伪码信号C(n-m)相乘，完成伪码的剥离，过程表示如下：

[0037] S(n)＝SIF(n)C(n-m)

[0038] 其中，SIF(n)表示输入捕获模块的卫星信号,C(n-m)表示本地伪码信号，S(n)为伪码剥离后的卫星信号。m表示伪随机码的码片位置，因为北斗信号的码片长度为2046个码片，所以m＝0,1,2...2045。当m＝0时，本地伪码和输入信号的相位对齐，即可实现伪码剥离。只对1ms的卫星数据进行研究，由于用于做相干过程的信号长度远小于导航电文的周期长度，可以忽略导航电文对捕获过程的影响，所以剥离后的数字信号可以表示为：

[0039]

[0040] 第二步：对信号进行FFT，首先对S(n)进行加矩形窗处理，得到信号S1(n)表示为：

[0041]

[0042] 其中，TS为时域离散采样周期，t为时间，L为FFT点数，δ(t-nTS)为冲激函数，为矩形函数。

[0043] 将离散时域信号S1(n)转换为连续的频域信号S(f)，其表达式为：

[0044]

[0045] 其中：w(f)为将时域上的噪声信号w(n)转换到频域的结果，f表示把时域信号变到频域信号之后的频率，k表示对频域信号离散加窗之后得到的信号的数据点中的第k个数据，sinc(LTSf)为采样函数。

[0046] 对信号S(f)进行离散和加窗处理，过程表示为：

[0047]

[0048] 其中， 为频域离散采样周期，S(k)为对信号S(f)进行离散和加窗后得到的有限长离散信号。

[0049] 第三步：设定捕获门限值。首先设置一个信号的捕获虚警率Pfa，再根据此虚警率的要求计算得到设定的门限值Yt，计算过程为：

[0050]

[0051] 其中，σ为莱斯分布概率密度函数曲线的标准差。

[0052] 第四步：将FFT输出的主峰值结果与设定门限值Yt进行比较，若高于门限值说明捕获成功，记录主峰位置，否则说明未捕获到卫星。

[0053] 第五步：将FFT输出的次峰值结果与设定门限值进行比较，若高于门限值并且次峰值位置和主峰值位置相邻，说明可以对捕获到的多普勒频移值进行修正，否则直接将主峰值对应的多普勒频移值fd作为最终的捕获结果。

[0054] 步骤六：以FFT输出的主峰值与次峰值的比值作为地址进行查表，获得多普勒频移的修正值fx。由于真实卫星信号的信噪比一般在-20dB左右，所以在信噪比取-20dB情况下，对1ms卫星信号在真实多普勒频移与主峰值间的距离为50、100、150、200、250、300、350、400、450、500Hz的情况下分别做了500次仿真，得到多普勒频移修正值和主峰值和次峰值比值间的对照关系，如表1所示。当真实多普勒频移到主峰值间的距离不到200Hz时，不能通过查表法来提高多普勒频移的捕获精度。

[0055] 表1主峰值和次峰值比值-多普勒频移修正值对照表

[0056]主峰值和次峰值比值 多普勒频移修正值
(0.9928,1.0380] 500
(1.0380,1.2667] 450
(1.2667,1.5602] 400
(1.5602,1.9410] 350
(1.9410,2.4414] 300
(2.4414,3.1918] 250
(3.1918,4.3012] 200

[0057] 步骤七：当多普勒频移在200Hz和500Hz之间时，可以通过查询表1来修正捕获到的多普勒频移。具体的修正方法如图2所示。首先判断是否存在大于设定门限值并且位置相邻的主峰值和次峰值，然后判断主峰值和次峰值的位置关系，若次峰值在主峰值左侧，则修正后的多普勒频移值为fd-fx，否则修正后的多普勒频移值为fd+fx，其中：fx为对多普勒频移捕获结果的修正值。

[0058] 下面结合仿真验证对本发明作进一步描述。

[0059] 在Matlab中，对中频信号采集器采集的1ms卫星信号进行数据处理，PRN码设为3，水平线表示设定门限值，得到对北斗卫星的多普勒频移捕获结果如图3所示。

[0060] 根据图3可知，当多普勒频移大于250Hz时，主峰值和次峰值都超过了设定门限值，并且主峰值和次峰值的位置相邻，且随着多普勒频移的增加，主峰值的峰值减少，次峰值的峰值增加。说明通过查表的方式来提高多普勒频移的捕获精度是可行的。

[0061] 以图3中不同多普勒频移下的捕获结果中的主峰值和次峰值的比值作为查表地址来获取多普勒频移的修正值，然后利用修正值对捕获到的多普勒频移进行修正，得到更高精度的多普勒频移捕获值。得到高精度捕获结果和实际结果之间的对比图如图4所示。

[0062] 根据图4可知，当多普勒频移值在表格查询范围内时，可以对多普勒频移进行修正，且真实多普勒频移和主峰值间的距离越大，修正后得到的结果越接近真实值。

[0063] 除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，通过改进和润饰所形成的等同替换或等效变换，均落在本发明要求的保护范围。