一种适用于北斗MEO-IGSO卫星的弱信号捕获算法.doc
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1、一种适用于北斗MEO/IGSO卫星的弱信号捕获算法针对北斗B1频段MEO/IGSO卫星上NH码调制导致捕获难度增大的问题,对GPS所用的差分捕获算法进行改进,得出了一种适合北斗B1 MEO/IGSO卫星的捕获算法。通过本地生成经NH调制的C/A码作为新的伪随机码,加长相干积分时间,以差分累加的方式对相干积分结果进行运算,并按照累加结果最大准则判断差分项的符号,找出最佳搭配组合。仿真结果表明,改进算法能提高2 dB3 dB的增益。0 引言信号捕获是处理卫星信号的必要步骤,其结果对于后续跟踪、定位解算的精度有很大的影响1。尤其是在复杂环境中,弱信号的捕获技术一直是限制卫星导航技术应用的关键因素2-
2、4。其中差分相干算法在全球定位系统(Global Positioning System,GPS)弱信号捕获中已经被广泛应用,然而对于调制NH码的北斗B1中地球轨道/倾斜地球同步轨道(Medium Earth Orbit/Inclined Geosynchronous Orbit,MEO/IGSO)卫星,直接使用差分捕获算法不能达到捕获弱信号的目的。经过NH(Neumann-Hoffman)调制虽然提高了抗窄带干扰能力、增强了卫星信号的相关性,但也带入了更多的比特跳变5-7。为了能够充分利用差分捕获算法的优势,文献8介绍了一种四分法与差分相干结合的改进算法,这种算法对导航数据跳变进行了估计,提高
3、了数据利用率,但这种算法只适合于北斗GEO;文献9提出了的一种基于复数型差分相关的弱信号快速捕获算法,削弱了NH码相位变化的影响,但对比特跳变的影响没做过多的处理;文献10基于差分相干与短时匹配滤波器和快速傅里叶变换,并利用最小二乘拟合,可以得到更精确的捕获多普勒频率值,但算法复杂度也比较高,不利于硬件实现。本文拟从减弱比特跳变的影响和加长积分时间两方面着手对差分算法进行改进,分析二次调制对卫星信号的影响,估计差分项的符号,以期提高捕获灵敏度。1 捕获原理卫星信号的捕获即是对中频数字信号进行解调以及解扩的过程。经过二次调制的导航电文实现了二次扩频,因此通过二次解扩才能有效地捕获到卫星信号。本文
4、中把经二次调制的测距码认定为一种新的码(NH),只需实现NH码的解扩。判断解调与解扩之后的相关峰值,超过捕获预设门限则捕获成功。常用的卫星信号捕获方法有串行捕获和并行捕获,本次实验使用基于FFT的并行码相位捕获算法。捕获原理如图1所示。经过数模转换后的SB1I数字中频输入信号数学表达式为11:式中,k为参与相干积分的离散点数。通过不断调整多普勒频率和延迟,当=L以及fd=fLd时,S(,fd)的值最大。相干积分处理增益与相干时间呈正相关,但导航数据的跳变使得相干积分不能无限制使用,因此一般使用非相干或差分相干的方式对相干积分结果进行累加来提高信噪比。非相干积分是对每次相干积分取模后平方的值进行
5、累加。数学原理如式(6)所示,由于进行了平方操作,因此非相干积分可以消除导航数据跳变的影响,有效提高信号的信噪比。但信号平方的同时噪声也进行了平方,且经过平方的噪声不能通过累加抵消,这样会带来很大的平方损耗12,因此针对弱信号捕获一般使用差分相干技术。2 改进算法2.1 新本地码生成常规的捕获算法中是以C/A码作为本地码与卫星信号进行匹配,北斗卫星C/A码的长度为1 ms,由于NH调制的存在,因此每次相干积分的时间只能为1 ms。若超过1 ms,NH码相位的跳变会导致相干积分结果的衰减。本文以NH二次调制的伪码作为新的本地码,称为新本地码。新本地码的相关性如图2所示,可以看出经NH码二次调制的
6、测距码也有良好的自相关特性,虽然在其他码片处也会出现相关峰值,但与主峰相比较低,不影响捕获结果。从图中可以看出相邻峰值的差值为2 046的倍数,所以在捕获结果中会出现相对较低的其他峰值,这些峰值之间的距离为2 046的整数倍(若码片精度为一个码片)。经过二次调制的测距码与导航电文具有相同的周期,测距码的起始跳变沿即为导航电文的跳变沿,因此完全解扩后的相干积分时间段内不存在导航电文的跳变,消除了由此带来的相关功率损耗。新本地码长度为20 ms,因此可以与卫星信号进行长达20 ms的相干积分,极大地提高了处理增益。2.2 差分相干算法及改进将ML ms的数据分为M等份,对每L ms数据与本地C/A
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