摘 要：提出一種利用互聯(lián)網(wǎng)提高北斗二號(hào)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(shí)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(hào)接收機(jī)，基于互聯(lián)網(wǎng)的北斗二號(hào)接收機(jī)性能得到顯著提高。從消除北斗二號(hào)衛(wèi)星強(qiáng)信號(hào)對弱信號(hào)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(hào)干擾的特點(diǎn)，提出了消除強(qiáng)信號(hào)干擾的具體方法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)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(hào); 互相關(guān)檢測; FPGA; 捕獲靈敏度

中圖分類號(hào)：

TN927+.234

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004373X(2012)05

0036

03

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

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HUANG Haisheng， LI Xin， HUI Nan

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

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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.

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



收稿日期：20111018

基金項(xiàng)目：陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(2010JK818)

0 引 言

互相關(guān)就是指北斗二號(hào)接收機(jī)對接收到的不同衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算時(shí)，兩個(gè)不同衛(wèi)星信號(hào)之間的相關(guān)值。雖然在北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)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(hào)(-130 dBm)情況下，信號(hào)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(jì)。但是，在室內(nèi)或城市峽谷區(qū)域，有些衛(wèi)星的信號(hào)在傳輸過程中衰減很大，其自相關(guān)值與該信號(hào)和強(qiáng)信號(hào)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(hào)就要考慮其他強(qiáng)信號(hào)對這個(gè)弱信號(hào)的干擾問題。因?yàn)檫@種干擾可能引起誤捕獲。理論計(jì)算得出，在沒有多普勒效應(yīng)的情況下，強(qiáng)弱信號(hào)相差30 dB時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)對弱信號(hào)的干擾；在有多普勒效應(yīng)存在，多普勒頻率為幾千赫茲時(shí)，強(qiáng)弱信號(hào)相差27 dB時(shí)，出現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)對弱信號(hào)的干擾［57］。

1 理論分析

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

北斗二號(hào)信號(hào)可以簡單地表示為多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的線性組合，每個(gè)信號(hào)有適當(dāng)?shù)难舆t和衰減。下面以兩顆衛(wèi)星信號(hào)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(hào)衛(wèi)星的復(fù)合信號(hào)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(gè)衛(wèi)星信號(hào)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(gè)衛(wèi)星Gold碼;ω1和ω2是為兩顆北斗二號(hào)衛(wèi)星的多普勒頻率;Φ1和Φ2是兩個(gè)信號(hào)的載波相位;dt是兩個(gè)信號(hào)到達(dá)的相對時(shí)間之差。

該復(fù)合北斗二號(hào)信號(hào)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(hào)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(gè)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(yùn)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(xiàng)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(jì)算R2(τ)；

計(jì)算C(τ)；

計(jì)算R2e(τ)=R2(τ)-C(τ)；

重復(fù)計(jì)算。

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

2 分 析

2.1 影響衛(wèi)星信號(hào)的互相關(guān)因素分析

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

(2) 在衛(wèi)星信號(hào)很強(qiáng)的情況下，多普勒不確定性主要是由用戶的移動(dòng)造成的，基于網(wǎng)絡(luò)的北斗二號(hào)將把快速移動(dòng)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(gè)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(shí)間增長時(shí)，互相關(guān)值隨著多普勒的變化而變化，互相關(guān)信號(hào)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(huì)消除互相關(guān)效應(yīng)。對于長時(shí)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(hào)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(shí)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)旁瓣能量統(tǒng)計(jì)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(jì)

開始進(jìn)行捕獲時(shí)，就要找到超過設(shè)定閾值的峰值。找出M個(gè)峰值及非相干和陣列。檢測流程分兩個(gè)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(gè)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(jì)數(shù)；

(3) 如果計(jì)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(shí)現(xiàn)；硬件采用Xilinx的FPGA XC5VLX330實(shí)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(shí)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(hào)接收機(jī)測試系統(tǒng)。對算法進(jìn)行了實(shí)際測試，在弱信號(hào)下，系統(tǒng)的冷啟動(dòng)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)

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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?yàn)閷I(yè)集成電路設(shè)計(jì)。

李 鑫 男，1986年出生，研究生。主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。

惠 楠 女，1988年出生，研究生。主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。

(上接第35頁)

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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?yàn)橥ㄐ排c信息系統(tǒng)。