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CN104459734A - 基于nh码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法 - Google Patents

基于nh码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法 Download PDF

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CN104459734A
CN104459734A CN201510010320.XA CN201510010320A CN104459734A CN 104459734 A CN104459734 A CN 104459734A CN 201510010320 A CN201510010320 A CN 201510010320A CN 104459734 A CN104459734 A CN 104459734A
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Abstract

本发明公开了一种基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，属于卫星导航接收机基带信号处理方法技术领域。本发明采用NH码元匹配和TONG检测器的思想，先对每1ms的中频导航卫星信号中是否存在NH码元跳变两种情况进行圆相关运算，并将并行码相位搜索的方法应用于圆相关运算中，设置预检测积分时间为Kms，根据NH码元跳变假设的各种组合对每1ms的圆相关运算结果进行累加，取值最大的组合结果与检测阈值做比较，根据TONG检测器和位同步检测模块的处理结果，判断信号捕获结果以及导航信息位的起始位置。在消除NH码元的影响下延长了相干积分的时间，在捕获成功的同时达到了导航信息位同步。

Description

基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，特别是一种卫星导航接收机基带信号处理方法。
背景技术
卫星导航系统的应用极为广泛，能够为用户提供精确的位置与时间信息，GPS(全球定位系统)的发展已经非常成熟，同时高性能GPS接收机的技术研究也随着应用环境的拓展而进步。随着北斗卫星导航系统的发展，针对其接收机的技术研究有一定的理论价值。捕获是接收机中最先启动的部分，因而捕获算法是北斗导航接收机信号处理的关键。
卫星的捕获本质上是参数估计过程，是对该卫星的导航信号的多普勒频率和码延时两个参数进行估计和检测，将采样后的中频卫星信号与预设了参数估计值的本地信号进行相关,根据相关运算的结果，找到最大的相关峰峰值，与阈值进行比较判断是否捕获到卫星以及得到对应的多普勒频率和码延时。为缩短信号处理时间往往采用基于快速傅里叶变换(FFT)的并行搜索方法，为了提高捕获的检测概率同时减小虚警概率，常常采用唐检测器即TONG检测器进行捕获结果的检测。
北斗系统中B1I信号播发的D1导航电文进行了速率为1kbps的NH(纽曼霍夫曼)码的二次编码调制，因而在每个1ms的初级扩频码中均可能有NH码元的跳变，由于码元的跳变会减小相关峰峰值，从而影响到捕获结果的判断，因此必须消除NH码码元跳变的影响，延长积分的时间。同时D1导航电文中的信息位的符号翻转同样会限制积分的时间。
综上所述，为了能够捕获到北斗卫星导航系统中的B1I信号的D1导航电文，必须要消除NH码码元跳变和D1导航电文信息位翻转的影响，才可以延长积分的时间，满足不同信号强度下捕获的要求。
发明内容
要解决的技术问题：针对现有技术的不足，本发明提出一种基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，用于解决现有的北斗卫星导航存在NH码码元跳变和导航信息位翻转现象而影响接收机的捕获结果的判断的技术问题。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，包括顺序进行的以下步骤：
步骤1、设置预检测积分时间Kms，K＝1,2,…,20；设定本地信号多普勒频率fd的频移范围搜索频率步进Δf以及本地码延时以此确定本地信号，其中表示本地信号多普勒频率的取值范围的下限，表示本地信号多普勒频率取值范围上限，本地码延时n＝0,1,…,N-1，N表示每1ms的采样点个数；同时设置TONG检测器检测的阈值门限Vt；
步骤2、选取Kms的采样后的中频导航卫星信号并进行本地载波剥离，之后假设这段时间内每1ms的中频导航卫星信号中有NH码元跳变和没有NH码元跳变两种情况，针对上述两种情况分别获得相应的本地扩频码信号，将每1ms内的本地载波剥离后的中频导航卫星信号的数据分别与两种情况下的本地扩频码信号做圆相关运算，得到两种情况下的圆相关运算结果；
步骤3、对于任意一个以本地信号多普勒频率本地码延时为参数估计值的本地信号而言，对在Kms的中频导航卫星信号中所有可能存在的NH码元跳变序列，按照每一种NH码元跳变序列，将步骤2中得到的每1ms相应的圆相关运算结果进行相干累加，得到每一种NH码元跳变序列相应的累加的结果；
步骤4、将该本地信号下的所有累加结果中绝对值最大的那个结果作为检测值输入TONG检测器中进行检测，比较检测值和阈值门限Vt的大小，并根据比较结果设置TONG检测器中的计数器值的增减，根据计数器值判断是否捕获到导航信号；一旦TONG检测器确定捕获到导航信号，则TONG检测器输出捕获到的导航信号的多普勒频率fd和导航信号的码延时τ；
同时设置位同步检测器，所述位同步检测器中预设有20个计数器和20个NH码元跳变序列，位同步检测器中预设的计数器与预设的NH码元跳变序列一一对应，每个预设的NH码元跳变序列是由假设第1ms中频导航卫星信号中的NH码元在整个NH码序列中的不同位置所得，根据TONG检测器中检测值和阈值门限Vt的比较结果设置位同步检测器中计数器值的增减；
TONG检测器中每当检测值大于阈值门限Vt但未达到TONG检测器中计数器值上限时，在位同步检测模块中，根据检测值对应的NH码元跳变序列，遍历搜索20个预设的NH码元跳变序列的每一个序列中的相应的时间长度为K的子序列，若子序列与检测值对应的NH码元跳变序列相同，则位同步检测器中该子序列所在的NH码元跳变序列所对应的计数器的计数器值增加固定值△；一旦TONG检测器确定捕获到导航信号，位同步检测器找到其中最大计数器值的计数器，将此计数器对应的NH码元跳变序列以及NH码元起始信息作为输出，获得捕获到的导航信号中导航信息位的起始信息。
进一步的，在本发明中，步骤2具体包括以下步骤：
步骤2-1、将Kms中的每1ms采集到的中频导航卫星信号的数据记录为rk(n)，其中k表示第kms,k＝1,2,…,K,n＝0,1,…,N-1，n表示每1ms内的第n个采样点，N表示每1ms的采样点个数，将上述每1ms的中频信号的数据进行本地载波剥离后获得的信号记录为 y k ( f d ‾ , τ ) = y k ( f d ‾ , 0 ) y k ( f d ‾ , 1 ) . . . y k ( f d ‾ , N - 1 ) , k表示第kms，表示本地信号多普勒平移频率，τ表示导航信号的码延时；
步骤2-2、假设每1ms的中频导航卫星信号中均没有NH码元跳变，此种假设下，将步骤2-1中每1ms经过本地载波剥离后获得的信号进行FFT变换，表示为：
Y k 0 ( f d ‾ , 0 ) Y k 0 ( f d ‾ , 1 ) . . . Y k 0 ( f d ‾ , N - 1 ) = FFT y k ( f d ‾ , 0 ) y k ( f d ‾ , 1 ) . . . y k ( f d ‾ , N - 1 ) - - - ( 1 )
假设每1ms的中频导航卫星信号中均有NH码元跳变，此种假设下，将步骤2-1中每1ms经过本地载波剥离后获得的信号按照(2)式对应相乘指数幂系数
1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) 后进行FFT变换，表示为：
Y k 1 ( f d ‾ , 0 ) Y k 1 ( f d ‾ , 1 ) . . . Y k 1 ( f d ‾ , N - 1 ) = FFT y k ( f d ‾ , 0 ) y k ( f d ‾ , 1 ) e - j 2 π 2 N . . . y k ( f d ‾ , N - 1 ) e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) - - - ( 2 )
步骤2-3、无论是否有NH码元跳变的情况，本地扩频码信号均为 c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) ;
对于每1ms的中频导航卫星信均没有NH码元跳变的情况下，对本地扩频码信号 c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) 进行FFT变换后取共轭，表示为：
L 0 ( 0 ) L 0 ( 1 ) . . . L 0 ( N - 1 ) = FFT c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) * - - - ( 3 )
对于每1ms的中频信号均有NH码元跳变的情况下，对本地扩频码信号 c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) 取反后按照(4)式对应相乘指数幂系数 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) 后进行FFT变换并取共轭，表示为：
L 1 ( 0 ) L 1 ( 1 ) . . . L 1 ( N - 1 ) = FFT - c ( 0 ) - c ( 1 ) e - j 2 π 2 N . . . - c ( N - 1 ) e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) * - - - ( 4 )
步骤2-4、对于每1ms的中频导航卫星信号均没有NH码元跳变的情况下，将(1)式运算结果和(3)式的运算结果相乘后进行IFFT变换，然后再按照(5)式对应相乘指数幂系数 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) , 得到每1ms中频导航卫星信号中均没有NH码元跳变情况下的圆相关运算结果，表示为：
R k 0 ( f d ‾ , 0 ) R k 0 ( f d ‾ , 1 ) . . . R k 0 ( f d ‾ , N - 1 ) = 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) . * IFFT Y k 0 ( f d ‾ , 0 ) L 0 ( 0 ) Y k 0 ( f d ‾ , 1 ) L 0 ( 1 ) . . . Y k 0 ( f d ‾ , N - 1 ) L 0 ( N - 1 ) - - - ( 5 )
对于每1ms的中频导航卫星信号均有NH码元跳变的情况下，将(2)式运算结果和(4)式的运算结果相乘后进行IFFT变换，得到每1ms中频导航卫星信号中均有NH码元跳变情况下的圆相关运算结果，表示为：
R k 1 ( f d ‾ , 0 ) R k 1 ( f d ‾ , 1 ) . . . R k 1 ( f d ‾ , N - 1 ) = IFFT Y k 1 ( f d ‾ , 0 ) L 1 ( 0 ) Y k 1 ( f d ‾ , 1 ) L 1 ( 1 ) . . . Y k 1 ( f d ‾ , N - 1 ) L 1 ( N - 1 ) - - - ( 6 )
(5)式等号左侧即为没有NH码元跳变情况下的圆相关运算的积分结果，(6)式等号左侧即为有NH码元跳变情况下的圆相关运算结果。
进一步的，在本发明中，步骤3中，按照第m种NH码元跳变序列进行累加的方法如下：根据第m种NH码元跳变序列中的第kms数据中有无NH码元跳变，取对应跳变假设情况下的圆相关运算结果，对每1ms圆相关运算结果进行相干累加得到第m种NH码元跳变序列的累加值
进一步的，在本发明中，所述步骤4中位同步检测模块的处理流程，具体为：
步骤4-1、初始化位同步模块的计数器的计数器值；
步骤4-2、等待TONG检测器中计数器值的变化：
若TONG检测器中的计数器值增加但没有达到计数器值上限时，根据检测值对应的NH码元跳变序列，遍历搜索20个预设的NH码元跳变序列的每一个序列中的相应的K长度的子序列，若子序列与检测值对应的NH码元跳变序列相同，则位同步模块中该子序列对应的计数器的计数器值增加固定值△＝1；
若TONG检测器中计数器值增加且达到计数器值上限时，找到位同步检测模块中拥有最大计数器值的计数器，将该计数器对应的NH码元跳变序列中的NH码元起始信息，即导航信息位的起始信息输出，实现位同步；
若TONG检测器中的计数器值减少但没达到计数器值下限时，位同步模块中的计数器的计数器值保持不变，继续等待TONG检测器中计数器值的变化；
若TONG检测器中计数器值减少且达到计数器值下限时，位同步模块的所有计数器的计数器值初始化为0。
有益效果：
本发明提供了一种基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，能够延长积分时间，结合TONG检测器以及NH码元匹配方法，在捕获到卫星的码延时和多普勒频率的同时，达到导航信息的位同步。
具体的，本发明对每1ms的中频导航卫星信号进行NH码元跳变和不跳变两种情况进行假设，得到两种圆相关运算结果，消除了NH码元跳变对相关运算结果的影响；对Kms中频导航卫星信号中NH码元跳变的情况进行遍历，根据每一种NH码元跳变情况对每1ms的圆相关运算结果进行累加，延长了信号积分的时间；结合了TONG检测和NH码元匹配检测方法，设置了位同步检测器，在捕获到卫星的同时，达到导航电文信息的位同步。
附图说明
图1是传统串行捕获算法原理图；
图2是本发明的原理图；
图3是TONG检测器原理图；
图4是位同步检测器的原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
图1是传统的串行捕获算法，中频导航卫星信号采样后先与预设码延时的本地扩频码信号相乘，然后分别与预设多普勒频率的本地载波的同相分量和正交分量相乘后积分，同相支路和正交支路积分结果取平方后累加得到检测值。与本发明相比，传统的串行捕获方法由于采用多普勒频率和码延时的串行搜索，信号处理时间大大增长；同时，传统捕获方法未考虑到码元跳变和导航信息位的符号翻转，会降低捕获的检测概率与灵敏度。
相比之下，本发明提供了一种基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法如图2所示，本发明采用码延时并行搜索方法，先根据每1ms中频导航卫星信号中的NH码是否发生跳变的假设得到两种圆相关运算的结果，然后根据Kms中频导航卫星信号中NH码的跳变假设进行圆相关运算的累加，结合TONG检测器与NH码元匹配方法对累加结果进行检测，消除了NH码元跳变对圆相关运算结果的影响，在卫星信号成功捕获的同时，达到导航信息的位同步。
具体步骤如下：
步骤1、设置预检测积分时间Kms，K＝1,2,…,20；设定本地信号多普勒频率fd的频移范围搜索频率步进Δf以及本地码延时以此确定本地信号，其中表示本地信号多普勒频率的取值范围的下限，表示本地信号多普勒频率取值范围上限，本地码延时n＝0,1,…,N-1，N表示每1ms的采样点个数；同时设置TONG检测器检测的阈值门限Vt。
步骤2、选取Kms的采样后的中频导航卫星信号并进行本地载波剥离，之后假设这段时间内每1ms的中频导航卫星信号中有NH码元跳变和没有NH码元跳变两种情况，针对上述两种情况分别获得相应的本地扩频码信号，将每1ms内的本地载波剥离后的中频导航卫星信号的数据分别与两种情况下的本地扩频码信号做圆相关运算，得到两种情况下的圆相关运算结果。具体为：
步骤2-1、将Kms中的每1ms采集到的中频导航卫星信号的数据记录为rk(n)，其中k表示第kms,k＝1,2,…,K,n＝0,1,…,N-1，n表示每1ms内的第n个采样点，N表示每1ms的采样点个数，将上述每1ms的中频信号的数据进行本地载波剥离后获得的信号记录为 y k ( f d ‾ , τ ) = y k ( f d ‾ , 0 ) y k ( f d ‾ , 1 ) . . . y k ( f d ‾ , N - 1 ) , k表示第kms，表示本地信号多普勒平移频率，取值为 f d ‾ = f D min , f D min + Δf , f D min + 2 Δf , . . . , f D max , τ表示导航信号的码延时，取值为τ＝0,1,…,N-1；
步骤2-2、假设每1ms的中频导航卫星信号中均没有NH码元跳变，此种假设下，将步骤2-1中每1ms经过本地载波剥离后获得的信号进行FFT变换，表示为：
Y k 0 ( f d ‾ , 0 ) Y k 0 ( f d ‾ , 1 ) . . . Y k 0 ( f d ‾ , N - 1 ) = FFT y k ( f d ‾ , 0 ) y k ( f d ‾ , 1 ) . . . y k ( f d ‾ , N - 1 ) - - - ( 1 )
假设每1ms的中频导航卫假设每1ms的中频导航卫星信号中均有NH码元跳变，此种假设下，将步骤2-1中每1ms经过本地载波剥离后获得的信号按照(2)式对应相乘指数幂系数 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) 后进行FFT变换，表示为：
Y k 1 ( f d ‾ , 0 ) Y k 1 ( f d ‾ , 1 ) . . . Y k 1 ( f d ‾ , N - 1 ) = FFT y k ( f d ‾ , 0 ) y k ( f d ‾ , 1 ) e - j 2 π 2 N . . . y k ( f d ‾ , N - 1 ) e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) - - - ( 2 )
步骤2-3、无论是否有NH码元跳变的情况，本地扩频码信号均为 c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) ;
对于每1ms的中频导航卫星信均没有NH码元跳变的情况下，对本地扩频码信号 c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) 进行FFT变换后取共轭，表示为：
L 0 ( 0 ) L 0 ( 1 ) . . . L 0 ( N - 1 ) = FFT c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) * - - - ( 3 )
这里对本地扩频码信号的处理可以预先进行，并将结果保存在存储器中，以节约运算资源；
对于每1ms的中频信号均有NH码元跳变的情况下，对本地扩频码信号 c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) 取反后按照(4)式对应相乘指数幂系数 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) 后进行FFT变换并取共轭，表示为：
L 1 ( 0 ) L 1 ( 1 ) . . . L 1 ( N - 1 ) = FFT - c ( 0 ) - c ( 1 ) e - j 2 π 2 N . . . - c ( N - 1 ) e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) * - - - ( 4 )
步骤2-4、对于每1ms的中频导航卫星信号均没有NH码元跳变的情况下，将(1)式运算结果和(3)式的运算结果相乘后进行IFFT即快速傅里叶逆变换，为了和有NH码元跳变的情况对应，然后再按照(5)式对应相乘指数幂系数 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) , 得到每1ms中频导航卫星信号中均没有NH码元跳变情况下的圆相关运算结果，表示为：
[ R k 0 ( f d ‾ , n ) ] R k 0 ( f d ‾ , 0 ) R k 0 ( f d ‾ , 1 ) . . . R k 0 ( f d ‾ , N - 1 ) = 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) . * IFFT Y k 0 ( f d ‾ , 0 ) L 0 ( 0 ) Y k 0 ( f d ‾ , 1 ) L 0 ( 1 ) . . . Y k 0 ( f d ‾ , N - 1 ) L 0 ( N - 1 ) - - - ( 5 )
对于每1ms的中频导航卫星信号均有NH码元跳变的情况下，将(2)式运算结果和(4)式的运算结果相乘后进行IFFT变换，得到每1ms中频导航卫星信号中均有NH码元跳变情况下的圆相关运算结果，表示为：
[ R k 1 ( f d ‾ , n ) ] R k 1 ( f d ‾ , 0 ) R k 1 ( f d ‾ , 1 ) . . . R k 1 ( f d ‾ , N - 1 ) = IFFT Y k 1 ( f d ‾ , 0 ) L 1 ( 0 ) Y k 1 ( f d ‾ , 1 ) L 1 ( 1 ) . . . Y k 1 ( f d ‾ , N - 1 ) L 1 ( N - 1 ) - - - ( 6 )
(5)式等号左侧即为没有NH码元跳变情况下的圆相关运算的积分结果，(6)式等号左侧即为有NH码元跳变情况下的圆相关运算结果；
整个步骤2中，指数幂系数都相同，且均为N长度，故只需存储依次指数幂系数即可，进行多次调用处理，以节约存储资源。
步骤3、对于任意一个以本地信号多普勒频率本地码延时为参数估计值的本地信号而言，假设在Kms的中频导航卫星信号中总共可能存在M种NH码元跳变序列，按照每一种NH码元跳变序列，将步骤2中得到的每1ms相应的圆相关运算结果进行相干累加，共得到M种累加的结果；
具体的，对于其中的第m种NH码元跳变序列，按照第m种NH码元跳变序列进行累加的方法如下：根据第m种NH码元跳变序列中的第kms中频导航卫星信号中有无NH码元跳变，取对应跳变假设情况下的圆相关运算结果，对每1ms圆相关运算结果进行累加得到第m种NH码元跳变序列的累加值
如果第m种NH码元跳变情况下第kms的中频导航卫星信号中没有NH码元跳变，则第kms本地载波剥离后的中频导航卫星信号的数据和本地扩频码信号的圆相关运算结果选取相反，如果第kms的中频导航卫星信号中有NH码元跳变，则第kms本地载波剥离后的中频导航卫星信号的数据和本地扩频码信号的圆相关运算结果选取
为了方便表示上述情况，假设sk,m＝0代表第m种NH码元跳变情况下第kms中频导航卫星信号中没有NH码元跳变，sk,m＝1代表第m种NH码元跳变情况中第kms中频导航卫星信号中有NH码元跳变，可以得到第m种NH码元跳变情况下第kms中频导航卫星信号的圆相关运算结果表示成(7)式：
R k , m ( f d ‾ , n ) = ( 1 - s k , m ) R k 0 ( f d ‾ , n ) + s k , m R k 1 ( f d ‾ , n ) - - - ( 7 )
根据跳变情况，对每1ms相关运算结果进行相干累加得到M个累加值取绝对值得到 S m ( f d ‾ , n ) m = 1,2 , . . . , M , 表示为：
S m ( f d ‾ , n ) = | R m ( f d ‾ , n ) | = | Σ k = 1 K s k , m + R k , m ( f d ‾ , n ) | - - - ( 8 )
(8)式中， s 1 , m + = 1 ; k > 1 时，当 Σ p = 1 k - 1 s p , m 为奇数时， s k , m + = - 1 ; 当 Σ p = 1 k - 1 s p , m 为偶数时， s k , m + = 1 ;
步骤4、首先将所有累加结果中绝对值最大的那个结果作为检测值输入TONG检测器中进行检测。如图3所示，为TONG检测器的原理示意图。将检测值与预先设定的阈值门限Vt进行比较，如果检测值超过了阈值门限Vt，那么TONG检测器中的计数器的计数器值Q增加1；如果检测值检测值未超过门限Vt，则计数器的计数器值Q减去1；如果计数器的计数器值Q没有达到计数上限A或计数下限0，则保持检测值所对应的本地信号多普勒频率本地码延时不变，按照步骤3和步骤4中的方法进行下一个Kms的中频导航卫星信号的处理；如果计数器的计数器值Q达到计数上限A，说明捕获到了导航信号，输出对应的本地信号多普勒频率和本地码延时作为捕获到的导航信号的多普勒频率fd和导航信号的码延时τ；如果计数器的计数器值Q达到计数下限0，说明在当前检测值所对应的以本地信号多普勒频率和本地码延时为参数的本地信号中没有相同的卫星信号，即宣布导航信号不存在，此时回到步骤3和步骤4中，更换本地信号参数即更换本地信号多普勒频率本地码延时形成新的本地信号进行重新检测，TONG检测器中的计数器值重新设为初始值B，重复TONG检测过程。
利用TONG检测器仅能判断是否检测到卫星信号，对于检测到的卫星信号却无法获知该卫星信号的导航信息起始位置，只有获知了导航信息起始位置，才能实现导航信息位同步。此时，需要利用位同步检测器。
由于NH码仅有20个码元，且在导航信息中周期重复，故在位同步检测器中预设20个计数器和20个NH码元跳变序列，位同步检测器中预设的计数器与预设的NH码元跳变序列一一对应，每个预设的NH码元跳变序列是根据采样得到的第1ms的中频导航卫星信号中的NH码元在NH码序列中位置的假设得到的；当TONG检测器中计数器的计数器值加1但没有达到上限A时，将检测值所对应的NH码元跳变情况与20个NH码元跳变序列中时间对应的K长度子序列进行逐一比较，当NH码元跳变序列的子序列与所对应的NH码元跳变情况相同时，位同步检测器中该子序列所在的NH码元跳变序列所对应的计数器的计数器值加1；当TONG检测器中计数器的计数器值达到计数上限A时，找到位同步检测器中最大计数值的计数器，将该计数器对应的NH码元跳变序列中的NH码元起始信息作为即导航信息位的起始信息进行输出，宣布达到位同步；当TONG检测器中的计数器的计数器值减1且没达到计数下限0时，位同步检测器中的计数器的计数器值保持不变；当TONG检测器中计数器的计数器值达到计数下限0时，位同步检测器中的所有计数器的计数器值都初始化为0。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，其特征在于：包括顺序进行的以下步骤：
步骤1、设置预检测积分时间Kms，K＝1,2,…,20；设定本地信号多普勒频率fd的频移范围搜索频率步进Δf以及本地码延时以此确定本地信号，其中表示本地信号多普勒频率的取值范围的下限，表示本地信号多普勒频率取值范围上限，本地码延时n＝0,1,…,N-1，N表示每1ms的采样点个数；同时设置TONG检测器检测的阈值门限Vt；
步骤2、选取Kms的采样后的中频导航卫星信号并进行本地载波剥离，之后假设这段时间内每1ms的中频导航卫星信号中有NH码元跳变和没有NH码元跳变两种情况，针对上述两种情况分别获得相应的本地扩频码信号，将每1ms内的本地载波剥离后的中频导航卫星信号的数据分别与两种情况下的本地扩频码信号做圆相关运算，得到两种情况下的圆相关运算结果；
步骤3、对于任意一个以本地信号多普勒频率本地码延时为参数估计值的本地信号而言，对在Kms的中频导航卫星信号中所有可能存在的NH码元跳变序列，按照每一种NH码元跳变序列，将步骤2中得到的每1ms相应的圆相关运算结果进行相干累加，得到该本地信号下的每一种NH码元跳变序列相应的累加结果；
步骤4、将该本地信号下的所有累加结果中绝对值最大的那个结果作为检测值输入TONG检测器中进行检测，比较检测值和阈值门限Vt的大小，并根据比较结果设置TONG检测器中的计数器值的增减，根据计数器值判断是否捕获到导航信号；一旦TONG检测器确定捕获到导航信号，则TONG检测器输出捕获到的导航信号的多普勒频率fd和导航信号的码延时τ；
同时设置位同步检测器，所述位同步检测器中预设有20个计数器和20个NH码元跳变序列，位同步检测器中预设的计数器与预设的NH码元跳变序列一一对应，每个预设的NH码元跳变序列是由假设第1ms中频导航卫星信号中的NH码元在整个NH码序列中的不同位置所得，根据TONG检测器中检测值和阈值门限Vt的比较结果设置位同步检测器中计数器值的增减；
TONG检测器中每当检测值大于阈值门限Vt但未达到TONG检测器中计数器值上限时，在位同步检测模块中，根据检测值对应的NH码元跳变序列，遍历搜索20个预设的NH码元跳变序列的每一个序列中的相应的K长度的子序列，若子序列与检测值对应的NH码元跳变序列相同，则位同步检测器中该子序列所在的NH码元跳变序列所对应的计数器的计数器值增加固定值△；一旦TONG检测器确定捕获到导航信号，位同步检测器找到其中最大计数器值的计数器，将此计数器对应的NH码元跳变序列以及NH码元起始信息作为输出，获得捕获到的导航信号中导航信息位的起始信息。
2.根据权利要求1所述的基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，其特征在于：步骤2具体包括以下步骤：
步骤2-1、将Kms中的每1ms采集到的中频导航卫星信号的数据记录为rk(n)，其中k表示第kms,k＝1,2,…,K,n＝0,1,…,N-1，n表示每1ms内的第n个采样点，N表示每1ms的采样点个数，将上述每1ms的中频信号的数据进行本地载波剥离后获得的信号记录为 y k = ( f d ‾ , τ ) = y k ( f d ‾ , 0 ) y k ( f d ‾ , 1 ) . . . y k ( f d ‾ , N - 1 ) , k表示第kms，表示本地信号多普勒平移频率，τ表示导航信号的码延时；
步骤2-2、假设每1ms的中频导航卫星信号中均没有NH码元跳变，此种假设下，将步骤2-1中每1ms经过本地载波剥离后获得的信号进行FFT变换，表示为：
Y k 0 ( f d ‾ , 0 ) Y k 0 ( f d ‾ , 1 ) . . . Y k 0 ( f d ‾ , N - 1 ) = FFT y k ( f d ‾ , 0 ) y k ( f d ‾ , 1 ) . . . y k ( f d ‾ , N - 1 ) - - - ( 1 )
假设每1ms的中频导航卫星信号中均有NH码元跳变，此种假设下，将步骤2-1中每1ms经过本地载波剥离后获得的信号按照(2)式对应相乘幂指数系数 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) 后进行FFT变换，表示为：
Y k 1 ( f d ‾ , 0 ) Y k 1 ( f d ‾ , 1 ) . . . Y k 1 ( f d ‾ , N - 1 ) = FFT y k ( f d ‾ , 0 ) y k ( f d ‾ , 1 ) e - j 2 π 2 N . . . y k ( f d ‾ , N - 1 ) e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) - - - ( 2 )
步骤2-3、无论是否有NH码元跳变的情况，本地扩频码信号均为 c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) ;
对于每1ms的中频导航卫星信均没有NH码元跳变的情况下，对本地扩频码信号 c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) 进行FFT变换后取共轭，表示为：
L 0 ( 0 ) L 0 ( 1 ) . . . L 0 ( N - 1 ) = ( FFT c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) ) * - - - ( 3 )
对于每1ms的中频信号均有NH码元跳变的情况下，对本地扩频码信号 c ( 0 ) c ( 1 ) . . . c ( N - 1 ) 取反后按照(4)式对应相乘幂指数系数 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) 后进行FFT变换并取共轭，表示为：
L 1 ( 0 ) L 1 ( 1 ) . . . L 1 ( N - 1 ) = ( FFT - c ( 0 ) - c ( 1 ) e - j 2 π 2 N . . . - c ( N - 1 ) e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) ) * - - - ( 4 )
步骤2-4、对于每1ms的中频导航卫星信号均没有NH码元跳变的情况下，将(1)式运算结果和(3)式的运算结果相乘后进行IFFT变换，然后再按照(5)式对应相乘幂指数系数 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) , 得到每1ms中频导航卫星信号中均没有NH码元跳变情况下的圆相关运算结果，表示为：
R k 0 ( f d ‾ , 0 ) R k 0 ( f d ‾ , 1 ) . . . R k 0 ( f d ‾ , N - 1 ) = 1 e - j 2 π 2 N . . . e - j 2 π 2 N ( N - 1 ) · * ( IFFT Y k 0 ( f d ‾ , 0 ) L 0 ( 0 ) Y k 0 ( f d ‾ , 1 ) L 0 ( 1 ) . . . Y k 0 ( f d ‾ , N - 1 ) L 0 ( N - 1 ) ) - - - ( 5 )
对于每1ms的中频导航卫星信号均有NH码元跳变的情况下，将(2)式运算结果和(4)式的运算结果相乘后进行IFFT变换，得到每1ms中频导航卫星信号中均有NH码元跳变情况下的圆相关运算结果，表示为：
R k 1 ( f d ‾ , 0 ) R k 1 ( f d ‾ , 1 ) . . . R k 1 ( f d ‾ , N - 1 ) = FFT Y k 1 ( f d ‾ , 0 ) L 1 ( 0 ) Y k 1 ( f d ‾ , 1 ) L 1 ( 1 ) . . . Y k 1 ( f d ‾ , N - 1 ) L 1 ( N - 1 ) - - - ( 6 )
(5)式等号左侧即为没有NH码元跳变情况下的圆相关运算的积分结果，(6)式等号左侧即为有NH码元跳变情况下的圆相关运算结果。
3.根据权利要求1所述的基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，其特征在于：步骤3中，按照第m种NH码元跳变序列进行累加的方法如下：根据第m种NH码元跳变序列中的第kms数据中有无NH码元跳变，取对应跳变假设情况下的圆相关运算结果，对每1ms圆相关运算结果进行相干累加得到第m种NH码元跳变序列的累加值
4.根据权利要求1所述的基于NH码元跳变检测的北斗卫星导航信号捕获方法，其特征在于：所述步骤4中位同步检测模块的处理流程，具体为：
步骤4-1、初始化位同步模块的计数器的计数器值；
步骤4-2、等待TONG检测器中计数器值的变化：
若TONG检测器中的计数器值增加但没有达到计数器值上限时，根据检测值对应的NH码元跳变序列，遍历搜索20个预设的NH码元跳变序列的每一个序列中的相应的K长度的子序列，若子序列与检测值对应的NH码元跳变序列相同，则位同步检测器中该子序列所在的NH码元跳变序列所对应的计数器的计数器值增加固定值△＝1；
若TONG检测器中计数器值增加且达到计数器值上限时，找到位同步检测模块中拥有最大计数器值的计数器，将该计数器对应的NH码元跳变序列中的NH码元起始信息，即导航信息位的起始信息输出，实现位同步；
若TONG检测器中的计数器值减少但没达到计数器值下限时，位同步模块中的计数器的计数器值保持不变，继续等待TONG检测器中计数器值的变化；
若TONG检测器中计数器值减少且达到计数器值下限时，位同步模块的所有计数器的计数器值初始化为0。
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