《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》是西安華迅微電子有限公司於2012年10月25日申請的專利，該專利的申請號為2012104122009，公布號為CN102928853A，授權公布日為2013年2月13日，發明人是薛文通、史雅茹、白陽、呂明、李宗雨。
《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》包括：a.估計信號信噪比；b.利用信噪比設定信號檢測門限值，判定強弱；c.選取NH二次編碼序列，進行CA碼相位、都卜勒頻率2維捕獲處理；d.採取1毫秒相干積分，收集20個積分結果；e.選取第1種NH二次編碼序列，與20個積分結果逐個相乘；f.非相干積分，存儲結果；g.重複步驟c-d，直到20種NH二次編碼遍歷完畢；h.選取20種積分最大值，與設定信號檢測門限值比較，得出定位衛星信號是否在接收信號中；i.存在，則定位；未發現信號，則更換都卜勒頻段，直到所有都卜勒頻段遍歷完畢；j.更換衛星，重複步驟c～i。《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》能夠剝離NH二次編碼，獲取較高積分增益，從而捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號。
2016年12月7日，《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法
- 公布號：CN102928853A
- 授權日：2013年2月13日
- 申請號：2012104122009
- 申請日：2012年10月25日
- 申請人：西安華迅微電子有限公司
- 地址：陝西省西安市高新開發區科技三路58號匯豪國際3層
- 發明人：薛文通、史雅茹、白陽、呂明、李宗雨
- Int.Cl.：G01S19/24(2010.01)I；G01S19/30(2010.01)I
- 代理機構：西安西交通盛智慧財產權代理有限責任公司
- 代理人：陳翠蘭
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
擴頻通信技術在現代通信系統中得到了廣泛的使用，特別是在衛星導航領域。中國自主研發的北斗衛星導航系統（以下簡稱北斗），其信號體制和美國的GPS系統、歐盟的伽利略系統類似。對於北斗系統，在高信噪比的場合（如室外開闊環境），可以比較容易的捕獲成功衛星信號，得到碼相位和載波頻率等信息。但是在弱信號的場合，如室內、城市濃密樹蔭下的街道等環境，此時衛星信號載噪比往往會低於30dB-Hz甚至20dB-Hz以下，此時需要獲取足夠大的積分增益，以檢測到衛星信號。傳統的獲取更高積分增益的方法，一般是通過增加相干積分時間、增加非相干積分次數及差分相干積分等方法。對於上述提到的三種方法可進行如下表述：
相干積分的最高峰值可以表示如下：
非相干積分：
差分相干積分方法：
其中，N為循環偽隨機碼的周期數，i為隨機碼碼相位，j為GPS信號的碼相位，y為一個隨機碼周期的相關運算。
北斗D1電文的結構如圖2所示，北斗B1頻點I路信號格式與傳統GPSL1頻點信號格式的最核心區別為北斗D1電文調製中有NH二次編碼（圖3所示），其中，NH編碼的碼速率為1KHz，周期為20毫秒。傳統GPS接收機中所使用的許多高靈敏捕獲算法，如差分相干積分、半比特交替法等等，由於NH二次編碼的影響，在北斗D1電文的捕獲中無法使用。
在北斗D1電文處理過程中，上述三種方法的特點：
1）對相干積分：由於受晶振穩定度、衛星信號頻率與接收機復現頻率失配等方面影響，相干積分時間不易太長，最為主要的是，在北斗D1電文中，由於NH二次編碼的存在，信號當前毫秒與下一毫秒信號上調製的NH二次編碼碼元可能會發生反轉，這種特點使得傳統的加長相干積分時間的做法失效；
2）非相干積分方法在求和前先取每1毫秒相關結果的絕對值，這可以減輕由於數據位變化引起的問題，但是，隨著信噪比的降低，會導致過分的平方損失。這種方法也不合適使用弱信號環境中。
3）差分相干積分方法把兩個相鄰的相關結果乘起來，從公式3中可以看到，與非相干積分相比，這種方法可以在減少平方損失的情況下減輕位跳變問題。在上述參考文獻中已經證明，這種方法在GPS信號存在頻率偏移和衰落環境中要好於非相干積分。
但是以上2）、3）兩種方法都是為了避免數據位跳變在積分期間引起的信噪比損失，雖然取得了一定的效果，但是還是比相干積分信噪比小。
發明內容
專利目的
《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》針對北斗D1電文的結構特點，提出了一種能夠剝離NH二次編碼，以獲取較高積分增益，從而捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法。
技術方案
《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》包括下述步驟：
a.利用信噪比估計模組在接收機接收到的信號的信噪比；
b.利用所估計到的信噪比設定信號的檢測門限值，判定信號是否為強信號，如果信號為強信號，則轉入強信號處理流程；如果判定為弱信號，轉入下一步弱信號處理流程；
c.指定都卜勒頻率為0的頻段作為初始捕獲頻段；對弱信號進行CA碼相位、都卜勒頻率2維的聯合捕獲處理；
d.採取1毫秒的相干積分模式，並收集連續20個相干積分結果；
e.選取第1種NH二次編碼序列，與該20個相干積分結果逐個相乘；
f.進行若干次非相干積分，並存儲積分結果；
g.重複執行步驟d-f，直到全部20種NH二次編碼假設情況遍歷完畢；
h.選取所存儲20種假設下的積分結果中的最大值，並通過一個比較器與設定的信號檢測門限值比較判斷，得出定位所需要的衛星信號是否存在於接收信號中；
i.當發現存在定位所需要的衛星信號，則通過北斗接收機繼續正常接收衛星信號，得到導航電文，從而定位；如果在當前頻段下沒有發現所需要的衛星信號，則進行更換當前衛星的都卜勒頻段，直到所有可能的都卜勒頻段遍歷完畢；
j.更換衛星，重複步驟c～i。
進一步地，所述信號的檢測門限值TAcquisition為
其中，SNoise為噪聲平均功率，CNcs為執行非相干積分的次數，Pd_Low為指定的檢測機率。
進一步地，所述選取NH二次編碼的序列為，依次按順序選取第1，2，3，……，20種NH二次編碼的碼元序列，並在對應第n種序列基礎上，其中n=1、2、3，……，20，對弱信號進行CA碼相位、都卜勒頻率2維的聯合捕獲處理，是按照下述步驟進行的：
1）以都卜勒頻率為0的頻段作為初始捕獲頻段；
2）採取1毫秒的相干積分模式，進行CA碼相位捕獲處理；
3）收集連續20個相干積分結果；
4）選取第1種NH二次編碼序列，與收集到的20個相干積分結果逐個相乘；
5）進行若干次非相干積分，並存儲積分結果；
6）重新執行步驟2）——步驟5），步驟4）中NH二次編碼序列依次選取第n種，其中，n=2，3，4，……，20，直至全部20種NH二次編碼序列遍歷完畢為止，並存儲全部20種NH二次編碼序列下的積分結果；
7）選取所存儲20種積分結果中的最大值，並通過一個比較器與設定的信號檢測門限值TAcquisition進行比較，得出定位所需要的衛星信號是否存在於接收信號中；
8）改變搜尋的都卜勒頻段，執行步驟2）——步驟7）。
《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》根據北斗I路信號的特點，設計3維捕獲算法，即CA碼相位、都卜勒頻率和NH二次編碼3維聯合捕獲算法，同時完成捕獲及位同步過程，詳見圖4。
改善效果
《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》與傳統方法相比，利用上述方法進行3維聯合捕獲，可以解決在存在NH二次編碼的情況下，獲取較高的處理增益，滿足弱信號情況下對信號的捕獲。
附圖說明
圖1為《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》方法的步驟框圖。
圖2為傳統GPSL1頻點的信號格式特點示意圖。
圖3為該發明北斗2代I路信號格式特點示意圖。
圖4為該發明所示的3維聯合捕獲算法示意圖。
技術領域
《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》涉及北斗衛星導航系統中D1電文弱信號捕獲的方法，特別是一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法。
權利要求
1.《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》特徵在於，包括下述步驟：
a.利用信噪比估計模組在接收機接收到的信號的信噪比；
b.利用所估計到的信噪比設定信號的檢測門限值，判定信號是否為強信號，如果信號為強信號，則轉入強信號處理流程；如果判定為弱信號，轉入下一步弱信號處理流程；
c.指定都卜勒頻率為0的頻段作為初始捕獲頻段；對弱信號進行CA碼相位、都卜勒頻率2維的聯合捕獲處理；
d.採取1毫秒的相干積分模式，並收集連續20個相干積分結果；
e.選取第1種NH二次編碼序列，與該20個相干積分結果逐個相乘；
f.進行若干次非相干積分，並存儲積分結果；
g.重複執行步驟d-f，直到全部20種NH二次編碼假設情況遍歷完畢；
h.選取所存儲20種假設下的積分結果中的最大值，並通過一個比較器與設定的信號檢測門限值比較判斷，得出定位所需要的衛星信號是否存在於接收信號中；
i.當發現存在定位所需要的衛星信號，則通過北斗接收機繼續正常接收衛星信號，得到導航電文，從而定位；如果在當前頻段下沒有發現所需要的衛星信號，則進行更換當前衛星的都卜勒頻段，直到所有可能的都卜勒頻段遍歷完畢；
j.更換衛星，重複步驟c～i。
2.根據權利要求1所述的一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法，其特徵在於，所述信號的檢測門限值TAcquisition表示為：
其中，SNoise為噪聲平均功率，CNcs為執行非相干積分的次數，Pd_Low為指定的檢測機率。
3.根據權利要求1所述的一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法，其特徵在於，所述選取NH二次編碼的序列為，依次按順序選取第1，2，3，……，20種NH次編碼的碼元序列，並在對應第n種序列基礎上，其中n=1、2、3，……，20，對弱信號進行CA碼相位、都卜勒頻率2維的聯合捕獲處理，按照下述步驟進行：
1）以都卜勒頻率為0的頻段作為初始捕獲頻段；
2）採取1毫秒的相干積分模式，進行CA碼相位捕獲處理；
3）收集連續20個相干積分結果；
4）選取第1種NH二次編碼序列，與收集到的20個相干積分結果逐個相乘；
5）進行若干次非相干積分，並存儲積分結果；
6）重新執行步驟2）——步驟5），步驟4）中NH二次編碼序列依次選取第n種，其中，n=2，3，4，……，20，直至全部20種NH二次編碼序列遍歷完畢為止，並存儲全部20種NH二次編碼序列下的積分結果；
7）選取所存儲20種積分結果中的最大值，並通過一個比較器與設定的信號檢測門限值TAcquisition進行比較，得出定位所需要的衛星信號是否存在於接收信號中；
8）改變搜尋的都卜勒頻段，執行步驟2）——步驟7）。
實施方式
如圖1所示，一種北斗D1衛星導航系統弱信號的方法，包括下述步驟：
a.利用信噪比估計模組估計接收機接收到信號的信噪比；
b.利用所估計到的信噪比設定信號的檢測門限值
，其中，SNoise為噪聲平均功率，CNcs為執行非相干積分的次數，Pd_High為指定的強信號假設下的檢測機率；
判定信號是否為強信號，如果信號為強信號，則轉入強信號處理流程；如果判定為弱信號，轉入弱信號處理流程；
c.以都卜勒頻率為0的頻段作為第一個捕獲頻段；選取第一種NH二次編碼的序列，對弱信號進行CA碼相位、都卜勒頻率2維的聯合捕獲處理；
d.採取1毫秒的相干積分模式，進行CA碼相位捕獲處理；
相干積分方法：
式中，τ（j）表示以1毫秒為基本積分單位的卷積運算，Sk為北斗信號在第k時刻的採樣，CAj-k為北斗CA碼在第k時刻的碼相位，N為循環偽隨機碼的碼片總數（對北斗而已，N=2046），exp（-2πiωt）表示為消除北斗信號中頻及其都卜勒頻率所補償的本地載波；
連續20個相干積分結果可表示如下：
τ（j），τ（j），……，τ（j）。
e.因為在初始捕獲階段，並不知道當前所處理的信號在一個導航比特中所處的位置，因此也就無法得知該段信號具體所對應的NH二次編碼。根據NH二次編碼的調製特點，該段信號所對應的NH二次編碼共有20種可能。選取第n種NH二次編碼序列（其中，n=1，2，……，20），與該20個相干積分結果逐個相乘，此處以n=1為例進行描述：
在此列出與20個相干積分結果逐個相乘的公式如下：
式中，m表示20個NH二次編碼中的第m個碼元；
f.進行若干次非相干積分，並存儲積積分結果；
非相干積分：
g.重複執行步驟d-f，直到全部20種NH二次編碼假設情況遍歷完畢；
h.選取所存儲20種假設下的積分結果中的最大值，並通過一個比較器與設定的信號檢測門限值比較判斷，得出定位所需要的衛星信號是否存在於接收信號中；
i.當發現存在定位所需要的衛星信號，則可以通過北斗接收機繼續正常接收衛星信號，得到導航電文，從而定位；如果在當前頻段下沒有發現所需要的衛星信號，則進行更換當前衛星的都卜勒頻段，直到所有可能的都卜勒頻段遍歷完畢；
j.更換衛星重複步驟c～i。
如圖4所示，選取一種NH二次編碼的序列，對弱信號進行CA碼相位、都卜勒頻率2維的聯合捕獲處理，是按照下述步驟進行的：
1）以都卜勒頻率為0的頻段作為捕獲頻段；
2）採取1毫秒的相干積分模式，在0頻段基礎上進行CA碼相位捕獲處理；
其中，將本地載波中都卜勒頻率設定為0；
3）收集連續20個相干積分結果；
連續20個相干積分結果可表示如下：
τ（j），τ（j），……，τ（j）；
4）選取第n種NH二次編碼序列（其中，n=1，2，……，20），與該20個相干積分結果逐個相乘，此處以n=1為例進行描述：
即，在此種假設下，假定NH二次編碼的碼頭恰好位於連續20毫秒的第1毫秒處，
式中，m表示20個NH二次編碼中的第m個碼元；
5）進行若干次非相干積分，並存儲積分結果；
6）重新執行步驟2）——步驟5），步驟4）中NH二次編碼序列依次選取第n種，其中，n=2，3，4，……，20，直至全部20種NH二次編碼序列遍歷完畢為止，並存儲全部20種NH二次編碼序列下的積分結果；
7）選取所存儲20種積分結果中的最大值，並通過一個比較器與設定的信號檢測門限值TAcquisition進行比較，得出定位所需要的衛星信號是否存在於接收信號中；
8）改變搜尋的都卜勒頻段，執行步驟2）——步驟7）。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種捕獲北斗D1衛星導航系統弱信號的方法》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
