摘 要：提出一種利用互聯(lián)網(wǎng)提高北斗二號接收機(jī)捕獲靈敏度的方法。由于接收機(jī)所在的大概位置、星歷、時間和多普勒頻率等信息必須通過網(wǎng)絡(luò)得到，相對自主北斗二號接收機(jī)，基于互聯(lián)網(wǎng)的北斗二號接收機(jī)性能得到顯著提高。從消除北斗二號衛(wèi)星強(qiáng)信號對弱信號干擾的角度分析了影響接收機(jī)捕獲靈敏度的因素，根據(jù)強(qiáng)信號干擾的特點，提出了消除強(qiáng)信號干擾的具體方法。經(jīng)過實驗測試，系統(tǒng)的捕獲靈敏度得到顯著提高，從28 dBHz提高到21 dBHz。



關(guān)鍵詞：互聯(lián)網(wǎng); 北斗二號; 互相關(guān)檢測; FPGA; 捕獲靈敏度

中圖分類號：

TN927+.234

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004373X(2012)05

0036

03

Research on cross correlation detection algorithm for Compass II by using Internet



HUANG Haisheng， LI Xin， HUI Nan

(Xi’an University of Posts and Telecommunications， Xi’an 710121， China)



Abstract：

A method of improving the acquisition sensitivity for Compass Ⅱ receiver by using the Internet is introduced. As the data of the approximate location where the receiver， ephemeris， time and Doppler frequency to be received by network，Internetbased Compass Ⅱ receiver performance has been significantly improved. The goal of this paper is to describe a crosscorrelation detection algorithm that can be used to eliminate 1 acquisitions. It is proved by hardware and software. After experimental tests， the acquisition sensitivity of the system is improved significantly from 28 dBHz to 21 dBHz.



Keywords： Internet; Compass Ⅱ; crosscorrelation detection; FPGA; acquisition sensitivity



收稿日期：20111018

基金項目：陜西省教育廳專項科研計劃項目(2010JK818)

0 引 言

互相關(guān)就是指北斗二號接收機(jī)對接收到的不同衛(wèi)星信號進(jìn)行相關(guān)運算時，兩個不同衛(wèi)星信號之間的相關(guān)值。雖然在北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計時就充分考慮了不同衛(wèi)星的PN碼之間的互相關(guān)問題，不同衛(wèi)星信號之間的互相關(guān)值很小?；ハ嚓P(guān)值為-65/2 046(概率為12.5％)，-1/2 046(概率為75％)，63/2 046(概率為125％)［12］；在強(qiáng)信號(-130 dBm)情況下，信號之間的互相關(guān)值相對于自相關(guān)值很小，低30 dB的概率是12．5％，低66.2 dB的概率是75％，低30.2 dB的概率是12.5％［34］，可以忽略不計。但是，在室內(nèi)或城市峽谷區(qū)域，有些衛(wèi)星的信號在傳輸過程中衰減很大，其自相關(guān)值與該信號和強(qiáng)信號之間的互相關(guān)值比較，達(dá)到了相同的數(shù)量級。在這種情況下，捕獲該弱信號就要考慮其他強(qiáng)信號對這個弱信號的干擾問題。因為這種干擾可能引起誤捕獲。理論計算得出，在沒有多普勒效應(yīng)的情況下，強(qiáng)弱信號相差30 dB時，出現(xiàn)強(qiáng)信號對弱信號的干擾；在有多普勒效應(yīng)存在，多普勒頻率為幾千赫茲時，強(qiáng)弱信號相差27 dB時，出現(xiàn)強(qiáng)信號對弱信號的干擾［57］。

1 理論分析

兩個信號之間的互相關(guān)定義為［8］：



RC(τ)=∫x(t)y(t+τ)dt



式中:x和y是兩個互相關(guān)聯(lián)的信號;RC(τ)為互相關(guān)函數(shù)。對北斗二號信號，x和y就是Gold碼，RC(τ)的波形顯示在特定的點τ1，τ2，…，τn有多個峰。

北斗二號信號可以簡單地表示為多個衛(wèi)星信號的線性組合，每個信號有適當(dāng)?shù)难舆t和衰減。下面以兩顆衛(wèi)星信號為例進(jìn)行說明，對于多顆衛(wèi)星的情況，與兩顆衛(wèi)星的情況類似，這里就不進(jìn)一步說明。兩顆北斗二號衛(wèi)星的復(fù)合信號表示為：



S(t)=A1D1PN1(t)cos(ω1t+Φ1)+ 

A2D2PN2(t+dt)cos\\[ω2(t+dt)+Φ2\\]



式中:A1和A2是對應(yīng)的兩個衛(wèi)星信號的振幅;D1和D2是為SV1及SV2的數(shù)據(jù)比特;PN1及PN2是兩個衛(wèi)星Gold碼;ω1和ω2是為兩顆北斗二號衛(wèi)星的多普勒頻率;Φ1和Φ2是兩個信號的載波相位;dt是兩個信號到達(dá)的相對時間之差。

該復(fù)合北斗二號信號與PN2的互相關(guān)為：



R2(τ)=∫S(t)PN2(t+τ)

exp{j［ω2l(t+τ)+Φ2l］}dt



式中：

ω2l是本地產(chǎn)生的信號多普勒;Φ2l是本地產(chǎn)生的載波相位;j是復(fù)指數(shù)。這種關(guān)聯(lián)性可以為兩個部分。一是PN2的自相關(guān)，另一是PN2與PN1互相關(guān)。確定R2(τ)的自相關(guān)部分，就要從中減去互相關(guān)部分。由于相關(guān)運算是線性操作，互相關(guān)可以直接去掉?；ハ嚓P(guān)的表達(dá)式如下：



C(τ)=∫A1D1PN1(t)exp{j(ω1t+Φ1)}

PN2(t+τ)exp{j［ω2l(t+τ)+Φ2l］}dt



自相關(guān)項表示為：



R2e(τ)=R2(τ)－C(τ)



在接收機(jī)中去掉互相關(guān)的步驟為：

計算R2(τ)；

計算C(τ)；

計算R2e(τ)=R2(τ)-C(τ)；

重復(fù)計算。

這里的互相關(guān)是指除了要計算的衛(wèi)星信號之外的所有其他衛(wèi)星信號的干擾，弱信號與強(qiáng)信號之間的互相關(guān)值達(dá)到弱信號的自相關(guān)值可比的數(shù)量級，因此必須消除；弱信號與弱信號的互相關(guān)的值很小，可以忽略不計。消除互相關(guān)以后，對弱信號進(jìn)行自相關(guān)處理。

2 分 析

2.1 影響衛(wèi)星信號的互相關(guān)因素分析

自主北斗二號與基于網(wǎng)絡(luò)的北斗二號之間，影響互相關(guān)的因素有明顯的差異。主要區(qū)別是搜索空間不同，基于網(wǎng)絡(luò)的北斗二號的搜索空間很小［910］，主要由于：

(1) 基于網(wǎng)絡(luò)的北斗二號相對自主北斗二號降低了約10倍的搜索空間；

(2) 在衛(wèi)星信號很強(qiáng)的情況下，多普勒不確定性主要是由用戶的移動造成的，基于網(wǎng)絡(luò)的北斗二號將把快速移動用戶的多普勒頻率從自主模式下的10 kHz降到幾百赫茲，對于一般用戶降到幾個赫茲。

由于搜索空間小，互相關(guān)發(fā)生的幾率大大降低。

相關(guān)法影響互相關(guān)的有兩種方式：

(1) 預(yù)檢測積分時間增長時，互相關(guān)值隨著多普勒的變化而變化，互相關(guān)信號出現(xiàn)的概率將隨著多普勒頻率的下降而下降。

(2) 不同衛(wèi)星之間導(dǎo)航信息不同，導(dǎo)航數(shù)據(jù)位會消除互相關(guān)效應(yīng)。對于長時間的預(yù)檢測積分，不同衛(wèi)星之間的導(dǎo)航位是相同的可能性非常小。

在基于網(wǎng)絡(luò)的北斗二號中，通過網(wǎng)絡(luò)得到可靠的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，使預(yù)檢測積分的時間加長，互相關(guān)進(jìn)一步變小。

2.2 互相關(guān)和自相關(guān)的圖形表示

圖1表示的是100碼片的自相關(guān)峰值，圖2表示的是沒有多普勒效應(yīng)的互相關(guān)峰值，可以很容易從這兩個圖中看出二者的差異。

然而，在有多普勒存在的情況下，互相關(guān)的峰值有明顯的變化。圖3中選擇了特定比較差的互相關(guān)(一個表示PN3和PN15之間的互相關(guān)，且有11 kHz的多普勒頻率)，在圖中，一個峰值明顯高于其他峰值。

2.3 如何區(qū)分自相關(guān)和互相關(guān)

對于各種自相關(guān)和互相關(guān)，主峰值非常相似，主峰值之外的旁瓣變化很大。自相關(guān)的旁瓣的能量值相對于其主峰值很小，但是互相關(guān)的旁瓣的能量值相對于其主峰值很大。這將是形成互相關(guān)檢測算法的基礎(chǔ)。

從本質(zhì)上講，要形成一個旁瓣能量統(tǒng)計測試，以確定是自相關(guān)還是互相關(guān)的主峰。由于白噪聲的存在，測試應(yīng)該區(qū)分自相關(guān)與噪聲對互相關(guān)與噪聲。

3 互相關(guān)檢測算法設(shè)計

開始進(jìn)行捕獲時，就要找到超過設(shè)定閾值的峰值。找出M個峰值及非相干和陣列。檢測流程分兩個步驟：

第一步僅著眼于M峰值，處理如下：

(1) 尋找所有接近于檢測峰值的峰值；

(2) 除了主峰值外，如果沒有大于設(shè)定的A值，認(rèn)為是自相關(guān)；

(3) 如果多于N個峰值大于設(shè)定的B值，檢測到的峰值是互相關(guān)；

(4) 如果兩種情況都沒有，上面檢測沒有結(jié)果，進(jìn)入下一步檢測。

第二步考慮非相干和(NonCoherent Sum，NCS)陣列。

(1) 尋找所有接近于檢測峰值的峰值；

(2) 對峰值超過C的峰值進(jìn)行計數(shù)；

(3) 如果計數(shù)的結(jié)果小于D，為自相關(guān)，否則為互相關(guān)。

M，N，A，B，C和D的值通過寄存器進(jìn)行設(shè)定。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)分為軟件和硬件兩部分，軟件采用ARM公司的ARM926EJS開發(fā)系統(tǒng)實現(xiàn)；硬件采用Xilinx的FPGA XC5VLX330實現(xiàn)；RF芯片采用SDT6112芯片；網(wǎng)絡(luò)功能調(diào)用客戶端軟件SDTCompassII 1.0系統(tǒng)，該軟件具有標(biāo)準(zhǔn)的supl接口。物理連接采用PC機(jī)實現(xiàn)與標(biāo)準(zhǔn)的supl服務(wù)器相連接，通過ARM926EJS的串口，把導(dǎo)航數(shù)據(jù)輸入到北斗二號接收機(jī)測試系統(tǒng)。對算法進(jìn)行了實際測試，在弱信號下，系統(tǒng)的冷啟動靈敏度從28 dBHz提高到21 dBHz，系統(tǒng)的捕獲性能得到明顯提高。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］TSUI James Baoyen， Fundamentals of global positioning system receiversa software approach \\[M\\]. \\[S.l.\\]: John Wiley Sons， Inc.， 2000.



［2］MISRA Pratap， ENGE Per， Global positioning system: signals， measurements， and performance \\[M\\]. USA: GangaJamuna Press， 2006.



［3］SiRF Technology Inc.. SiRFstarIV GSD4t \\[M\\]. \\[S.l.\\]: SiRF Technology Inc.， 2009.



［4］KARUNANAYAKE M D， CANNON M E， LACHAPELLE G. Evaluation of assisted GPS(AGPS) in weak signal environments using a hardware simulator \\[C\\]. Long Beach， CA: ION GNSS 2004 Conference. 2004.



［5］LACHAPELLE G， KUUSNIEMI H， DAO D T H， et al. HSGPS signal analysis and performance under various indoor conditions \\[J\\]. Journal of The Institute of Navigation，2004，51(1): 11711184.



［6］FRANCISCO Barceló， ISRAEL MartínEscalona， Coverage of hybrid terrestrialsatellite location in mobile communications \\[EB/OL\\]. \\[20060916\\]. http://inestigation.ac.upl.edu/conferencies/ew2004/papers/30.pgf.



［7］GLENNON E P， DEMPSTER A G D. A review of GPS cross correlation mitigation techniques \\[C\\]. Sydney， Australia: The 2004 International Symposium on GNSS/GPS， 2004.



［8］GLENNON E P. A novel GPS cross correlation mitigation technique \\[C\\]. Long Beach， CA : ION GNSS 2005， 2005: 190199.



［9］LAWRENCE A. Modern inertial technology: navigation， guidance， and control \\[M\\]. New York: SpringerVerlag， 1998.



［10］Open Mobile Alliance. Mobile Location Protocol. OMALIFMLP v300 \\[P\\]. \\[20050713\\]: Open Mobile Alliance.



作者簡介：

黃海生 男，1964年出生，陜西靖邊人，教授。主要研究方向為專業(yè)集成電路設(shè)計。

李 鑫 男，1986年出生，研究生。主要研究方向為電路與系統(tǒng)。

惠 楠 女，1988年出生，研究生。主要研究方向為電路與系統(tǒng)。

(上接第35頁)

［5］JERUCHIM M C， BALABAN P， SHANMUGAN K S. Simulation of communication systems: modeling， methodology and techniques \\[M\\]. 2nd Ed. \\[S.l.\\]: Kluwer Academic/Plenum Publishers， 2001.



［6］PARHINSON W， SPILKER J J. Global positioning system， theory and applications \\[M\\]. Washington: Parkinson and Spilker， 1996.



［7］REBEYROL E， MACABIAU C， JULIEN O， et al. Signal distortions at GNSS payload level \\[C\\]//ION GNSS 19th International Technical Meeting of the Satellite Division. Fort Worth TX: \\[s.n.\\]， 2007: 2629.



［8］BETZ J W. Binary offset carrier modulations for radio navigation \\[J\\]. Journal of The Institute of Navigation， 2001，48(4): 227246.



［9］OPPENHEIM A V， SCHAFER R W. Digital signal processing \\[M\\]. \\[S.l.\\]: Prentice Hall， 2012.



［10］李仰志，呂晶，吳勇敢，等.Galileo衛(wèi)星有效載荷發(fā)射信號失真分析與仿真［C］//第一屆中國衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(CSNC2010)論文集，北京：\\[出版者不詳\\]，2010:8285.



作者簡介：

郭媛媛 女，1987年出生，湖北當(dāng)陽人，碩士研究生。主要研究方向為通信與信息系統(tǒng)。