一种高动态高灵敏度的北斗D1信号捕获方法技术

本发明专利技术涉及一种高动态高灵敏度的北斗D1信号捕获方法，属于卫星技术领域。将中频信号经过必要的预处理后，并行地存入两块缓存，缓存A中数据用于相干积分时间＝1ms、避开NH码跳变但灵敏度较低的强星捕获方式，缓存B采用定点间断缓存，适用于相干积分时间＝4ms、数据时间跨度大且高灵敏度的弱星捕获方式，强弱星模式交替工作，直至信号捕获成功。对于成功捕获的信号，在软件端利用一定长度的滑动窗口对信号实时的多普勒和伪码进行二次捕获(精捕)，以适应较高的动态应力。适应较高的动态应力。适应较高的动态应力。

【技术实现步骤摘要】
一种高动态高灵敏度的北斗D1信号捕获方法


[0001]本专利技术属于卫星
，涉及一种高动态高灵敏度的北斗D1信号捕获方法。

技术介绍

[0002]高动态高灵敏度北斗D1信号捕获，主要是在克服D1信号调制的Neumann
‑
Hofman码(NH码)影响下，实现GNSS接收机在高动态、接收信号功率微弱的条件下实现D1信号的快速捕获，是高动态高灵敏度导航接收机中重要的一个环节。
[0003]北斗D1信号调制的Neumann
‑
Hofman码周期为20ms，码片长度为1ms。
[0004]其作用为：
[0005]1)减少GNSS信号的互相干扰；
[0006]2)促进信号的比特同步过程。但由于在信号捕获阶段，接收机对D1信号的NH码相位一无所知，若采取延长相干积分时间的操作来增加基带增益，则极易产生能量抵消的风险，进一步降低灵敏度。
[0007]为了实现D1信号的高灵敏度捕获，此时采取的策略一般为：
[0008](1)将D1信号相干积分时间固定为1ms，通过非相干积分的方式避开比特跳变问题，但随着积分时间增加，非相干损耗将不可忽视；
[0009](2)将NH码相位作为信号搜索的第四个维度(其余三个维度为载波多普勒、伪码相位和卫星PRN)进行搜索，但此举会大幅增加资源消耗。
[0010]继续上述策略(2)：为了取得足够的相干增益，必须对NH码进行剥离，但由于接收机在捕获时不清楚各个卫星D1信号的NH码相位，故此时将进行共20个码启动点(对应20个不同的NH码相位)的搜索工作，此时完成一轮捕获的资源消耗从策略(1)中2*M*Ncode*Ndoppler扩大为20*M*2*Ncode*Ndoppler，其中M为积分总时间，2*Ncode为两倍D1信号的码长(码周期内的半码片数)，Ndoppler为多普勒频率井的数量。

技术实现思路

[0011]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种高动态高灵敏度的北斗D1信号捕获方法。
[0012]为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0013]一种高动态高灵敏度的北斗D1信号捕获方法，该方法包括以下步骤：
[0014]S1：确定时间窗口T
DC
，在时间窗口内对模数转换ADC采样后的数字中频信号IF进行累加，在窗口结束时求算数均值得到中频信号的直流分量，从后续传入的中频信号中扣除此分量，其中T
DC
的取值为2
n
/fs，fs为60MHz中频信号采样率；
[0015]S2：信号通过混频器和本振输出的载波信号相乘，得到零中频I/Q信号；
[0016]S3：对北斗D1信号进行半带滤波以去掉信号中的噪声分量；对于B1I信号，零中频信号通过一级半带滤波后进行2倍降采样，随后通过第二级半带滤波并进行2倍降采样，之后的中频信号再通过一级半带滤波后进行3倍降采样，最终得到fs/12＝5MHz的零中频信号；
[0017]S4：经过步骤S3中若干级半带滤波器和采样器后，信号有效位宽逐渐累积，为降低后续运算复杂度，设定一个新的时间窗口T
Q
，在窗口内进行采样值的概率分布计算；由于正态分布对称性，仅考虑+1样点和+3样点的概率分布，若+1点数大于+3点数两倍，则降低门限，反之则提高门限，使样点取值始终呈现正态分布；
[0018]S5：将量化后信号降采样至两倍伪码速率并传递至捕获电路；
[0019]S6：捕获电路以强星模式和弱星模式交替的形式完成信号捕获；强星模式下不对信号做相干积分，即相干积分时间为1ms；弱星模式下信号的相干积分时间选定为4ms；
[0020]S7：采用强星模式对D1信号进行捕获，将步骤S5中进入捕获电路的数据存储至数据容量为V
A
的缓存A中，V
A
的值等于完成强星模式下一次信号捕获所需的样点数2*N*(T
noncoh
+1)，N为伪码周期内的码片数，T
noncoh
为非相干积分时间；同时，并行将步骤S5中的数据存储至数据容量为V
B
的缓存B中，V
B
的值等于完成一次弱星模式下信号捕获所需的样点数2*N*(T
coh
*T
noncoh
+1)，N为伪码周期内的码片数，T
coh
＝4为弱星模式下的相干积分次数，T
noncoh
为非相干积分时间；
[0021]S8：缓存B仅对[T0+K*T
D1
,T0+K*T
D1
+4]时间区间内的信号点进行缓存，即上述的定点间断缓存，其中T
D1
＝20为D1信号的导航数据周期，T0为缓存起始时间，K为一非负整数，取值范围为0≤K＜T
noncoh
，单位均为毫秒；
[0022]S9：由于缓存A储存完所有样点的时间明显小于缓存B，在缓存A存储完毕后，捕获引擎写入待搜星PRN号，捕获电路依据PRN号进行伪码生成；伪码生成完毕后，电路以工作频率f
acq
取出缓存中的数据进行回放；
[0023]S10：首先根据射频芯片的理论中频值对信号进行载波剥离，得到I、Q两路零中频信号；
[0024]S11：将回放信号点传入匹配滤波模块中的N位移位寄存器，N等于信号的两倍码长值；当回放信号点计数大于等于N后，依据步骤S10产生的伪码序列对信号进行短时相关匹配滤波并得到2
K
个短时相关和，其中K为FFT的基数；由于强星模式下相干积分时间为1ms，算法不受到NH码调制的影响，将2
K
个短时相关和直接传至FFT模块；
[0025]S12：将步骤S11中的2
K
个短时相关和进行进行FFT变换，得到频域的2
K
个信号段，并进行缓存操作，下一次相关操作结束后，新信号段将和缓存结果进行累加；累加次数达到T
noncoh
时，求出N个码相位非相干积分能量平均值E
mean
，求出最大积分能量值E
max
，将比值E
max
/E
mean
与预设阈值对比进行能量判决；
[0026]S13：受硬件资源限制，在卫星PRN维度必为串行搜索，当前卫星捕获完毕后，重新回放V
A
中储存的样点，并重复步骤S9～S12，进入下一颗星的捕获流程；
[0027]S14：对成功捕获的卫星开启跟踪通道，读取通道首次积分完毕返还的dump时间戳T
dump
，结合信号缓存完毕时释放的时间戳T
store
，求出信号的码启动点；
[0028]在搜星列表上的BDS卫星在强星模式下均完成一轮捕获后，由于V
B
储存完一轮捕获所需样点的时间较长，需要检测V
B
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高动态高灵敏度的北斗D1信号捕获方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：S1：确定时间窗口T
DC
，在时间窗口内对模数转换ADC采样后的数字中频信号IF进行累加，在窗口结束时求算数均值得到中频信号的直流分量，从后续传入的中频信号中扣除此分量，其中T
DC
的取值为2
n
/fs，fs为60MHz中频信号采样率；S2：信号通过混频器和本振输出的载波信号相乘，得到零中频I/Q信号；S3：对北斗D1信号进行半带滤波以去掉信号中的噪声分量；对于B1I信号，零中频信号通过一级半带滤波后进行2倍降采样，随后通过第二级半带滤波并进行2倍降采样，之后的中频信号再通过一级半带滤波后进行3倍降采样，最终得到fs/12＝5MHz的零中频信号；S4：经过步骤S3中若干级半带滤波器和采样器后，信号有效位宽逐渐累积，为降低后续运算复杂度，设定一个新的时间窗口T
Q
，在窗口内进行采样值的概率分布计算；由于正态分布对称性，仅考虑+1样点和+3样点的概率分布，若+1点数大于+3点数两倍，则降低门限，反之则提高门限，使样点取值始终呈现正态分布；S5：将量化后信号降采样至两倍伪码速率并传递至捕获电路；S6：捕获电路以强星模式和弱星模式交替的形式完成信号捕获；强星模式下不对信号做相干积分，即相干积分时间为1ms；弱星模式下信号的相干积分时间选定为4ms；S7：采用强星模式对D1信号进行捕获，将步骤S5中进入捕获电路的数据存储至数据容量为V
A
的缓存A中，V
A
的值等于完成强星模式下一次信号捕获所需的样点数2*N*(T
noncoh
+1)，N为伪码周期内的码片数，T
noncoh
为非相干积分时间；同时，并行将步骤S5中的数据存储至数据容量为V
B
的缓存B中，V
B
的值等于完成一次弱星模式下信号捕获所需的样点数2*N*(T
coh
*T
noncoh
+1)，N为伪码周期内的码片数，T
coh
＝4为弱星模式下的相干积分次数，T
noncoh
为非相干积分时间；S8：缓存B仅对[T0+K*T
D1
,T0+K*T
D1
+4]时间区间内的信号点进行缓存，即上述的定点间断缓存，其中T
D1
＝20为D1信号的导航数据周期，T0为缓存起始时间，K为一非负整数，取值范围为0≤K＜T
noncoh
，单位均为毫秒；S9：由于缓存A储存完所有样点的时间明显小于缓存B，在缓存A存储完毕后，捕获引擎写入待搜星PRN号，捕获电路依据PRN号进行伪码生成；伪码生成完毕后，电路以工作频率f
acq
取出缓存中的数据进行回放；S10：首先根据射频芯片的理论中频值对信号进行载波剥离，得到I、Q两路零中频信号；S11：将回放信号点传入匹配滤波模块中的N位移位寄存器，N等于信号的两倍码长值；当回放信号点计数大于等于N后，依据步骤S10产生的伪码序列对信号进行短时相关匹配滤波并得到2
K
个短时相关和，其中K为FFT的基数；由于强星模式下相干积分时间为1ms，算法不受到NH码调制的影响，将2
K
个短时相关和直接传至FFT模块；S12：将步骤S11中的2
K
个短时相关和进行进行FFT变换，得到频域的2
K
个信号段，并进行缓存操作，下一次相关操作结束后，新信号段将和缓存结果进行累加；累加次数达到T
noncoh
时，求出N个码相位非相干积分能量平均值E
mean
，求出最大积分能量值E
max
，将比值E
max
/E
mean
与预设阈值对比进行能量判决；S13：受硬件资源限制，在卫星PRN维度必为串行搜索，当前卫星捕获完毕后，重新回放V
A
中储存的样点，并重复步骤S9～S12，进入下一颗星的捕获流程；S14：对成功捕获的卫星开启跟踪通道，读取通道首次积分完毕返还的dump时间戳T
dump
，
结合信号缓存完毕时释放的时间戳T
store
，求出信号的码启动点；在搜星列表上的BDS卫星在强星模式下均完成一轮捕获后，由于V
B
储存完一轮捕获所需样点的时间较长，需要检测V
B
是否储存至规定容量，如V
B
未储存足够多样点，则重复强星模式对信号进行捕获：将V
A
中的新样点取出，并重复上述步骤S9～S14；反之，则开启弱星模式对D1信号开展捕获；S15：当V
B
缓存数据量达到2*N*(T
coh
*T
noncoh
+1)后，开启弱星捕获模式；弱星模式第一步仍为载波剥离和短时相关匹配滤波，重复步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴思凡，
申请(专利权)人：重庆航天火箭电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：