許良備，應(yīng)忍冬，陳 新，劉佩林，趙 毅

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司，上海 200233)

北斗非GEO衛(wèi)星信號(hào)碼并行捕獲

許良備1，應(yīng)忍冬1，陳 新1，劉佩林1，趙 毅2

(1.上海交通大學(xué)，上海 200240；2.上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司，上海 200233)

2012年12月，北斗二代的接口控制文件正式公布。北斗B1I頻點(diǎn)的非GEO衛(wèi)星上調(diào)制20 bit的NH碼，因此每1 ms信號(hào)可能存在比特跳變。借鑒傳統(tǒng)GPS并行碼相位捕獲算法，本文研究了一種基于補(bǔ)零FFT的并行碼相位算法。該算法能夠?qū)崿F(xiàn)1～20 ms相干積分，利用非相干累加提高信噪比，并采用一種對(duì)信號(hào)強(qiáng)度和采樣率不敏感的判決變量。仿真表明，通過(guò)相干積分和非相干累加，該算法使用400 ms數(shù)據(jù)可以捕獲24 dBHz的弱信號(hào)。

北斗二代；捕獲；信噪比；快速傅里葉變換

一、引 言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(global navigation satellites systems，GNSS)已進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。除了進(jìn)入現(xiàn)代化計(jì)劃的GPS，中國(guó)的北斗二代也進(jìn)入了實(shí)用化的關(guān)鍵階段。2012年12月，北斗二代的接口控制文件正式公布。

對(duì)于GNSS信號(hào)的處理主要包括捕獲、跟蹤及解算。其中捕獲階段因?yàn)樾枰l(wèi)星信號(hào)進(jìn)行三維搜索，計(jì)算資源消耗大，其靈敏度相比跟蹤階段低，是制約GNSS定位在弱信號(hào)應(yīng)用的瓶頸。目前常用的搜索策略有串行搜索[1-2]、頻率并行搜索[3]、碼并行搜索[4]策略。頻率并行搜索和碼并行搜索利用快速傅里葉算法提高運(yùn)算效率，加快捕獲速度，從而能夠在一定時(shí)間內(nèi)捕獲到更弱的信號(hào)。

通常處理一個(gè)擴(kuò)頻碼周期獲得的信噪比增益不足以捕獲弱信號(hào)(如低于44 dBHz的GPS L1信號(hào))。因此需要對(duì)多個(gè)周期的結(jié)果進(jìn)行累積，提高處理增益。常用的累積方法有：相干積分累加、非相干積分累加、差分相干積分累加[5]。文獻(xiàn)[6]詳細(xì)比較了3種累加方式的性能，相干積分累加對(duì)信噪比的提升最大，同時(shí)需要減小頻率搜索步長(zhǎng)；非相干積分累加引入了平方損耗，但是無(wú)須減小頻率搜索步長(zhǎng)；差分相干積分累加的信噪比增益介于兩者之間，同時(shí)無(wú)需減小頻率搜索步長(zhǎng)，但是算法比較復(fù)雜。文獻(xiàn)[7]提出了半比特交替法及估計(jì)比特跳變的全比特方法，該方法在10 ms或20 ms相干積分，總信號(hào)長(zhǎng)度30 s基礎(chǔ)上，利用碼并行搜索算法可以捕獲到14 dBHz。

上述方案在理論情況下能夠捕獲足夠弱的信號(hào)，而只受限于接收機(jī)、衛(wèi)星動(dòng)態(tài)及計(jì)算能力。因?yàn)楦哽`敏度捕獲要求在短時(shí)間內(nèi)消耗巨大的計(jì)算資源，因此有許多研究者提出了各種優(yōu)化算法。文獻(xiàn)[8]在半比特交替法及估計(jì)比特跳變的全比特方法基礎(chǔ)上提出了1/4字節(jié)步進(jìn)法，該方案能夠用更短信號(hào)長(zhǎng)度捕獲到相同靈敏度的弱信號(hào)。另外文獻(xiàn)[9]利用延時(shí)相關(guān)法，將多普勒和碼相位的二維搜索變成兩個(gè)一維搜索過(guò)程，從而提高捕獲速度，不過(guò)該算法增加了噪聲功率，并不適用弱信號(hào)捕獲。文獻(xiàn)[10]利用數(shù)學(xué)運(yùn)算技巧減少碼并行捕獲算法冗余計(jì)算量，從而提高捕獲效率。文獻(xiàn)[11]則從整體捕獲策略上對(duì)捕獲過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，提高捕獲速度。

北斗B1I信號(hào)是2012年12月公布的最新北斗二代導(dǎo)航信號(hào)。北斗GEO衛(wèi)星播發(fā)D2電文，其碼率為500 bps；非GEO衛(wèi)星播發(fā)D1電文，其碼率為50 bps，另外調(diào)制20比特碼率為1 Kbps的二級(jí)碼(NH碼)。北斗非GEO衛(wèi)星的信號(hào)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)GPS L1信號(hào)有較大區(qū)別，因此需要新型優(yōu)化捕獲算法。文獻(xiàn)[12]提出了一種雙通道捕獲算法，不過(guò)目前北斗只公開(kāi)I路信號(hào)結(jié)構(gòu)，因此該算法還未能在實(shí)際信號(hào)中使用。文獻(xiàn)[13]提出一種導(dǎo)航比特邊沿、多普勒、碼相位聯(lián)合搜索算法，不過(guò)該算法運(yùn)算量大，并且相干積分時(shí)間只能取1 ms和20 ms，難以適應(yīng)強(qiáng)弱不同信號(hào)的捕獲。

為此本文根據(jù)北斗B1I非GEO衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)研究一種可變相干積分時(shí)間的捕獲算法。該算法利用補(bǔ)零后的FFT完成部分NH碼周期的循環(huán)卷積運(yùn)算，并利用非相干累加提高信噪比，從而捕獲弱信號(hào)。

二、北斗衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)

北斗B1I信號(hào)結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)[1]中公開(kāi)。其中非GEO衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 北斗B1I非GEO衛(wèi)星信號(hào)結(jié)構(gòu)

其信號(hào)可以表示為

式中，j表示衛(wèi)星編號(hào)；A表示信號(hào)振幅；N表示二級(jí)碼；C表示測(cè)距碼(擴(kuò)頻碼)；D表示測(cè)距碼上面調(diào)制的數(shù)據(jù)碼；f0是載波頻率；φ是載波初始相位。因?yàn)椴东@過(guò)程對(duì)于每顆衛(wèi)星都是一樣的，因此下面省略衛(wèi)星編號(hào)j。

相比較GPS L1信號(hào)，北斗B1I非GEO衛(wèi)星信號(hào)除了擴(kuò)頻碼率、載波頻率及導(dǎo)航電文比特率不一樣外，其信號(hào)還調(diào)制20比特的二級(jí)碼。該二級(jí)碼是Neumann-Hoffman碼(NH碼)，其1比特寬度與擴(kuò)頻碼周期相同，20比特排列如下(0 0 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0)。

三、北斗非GEO衛(wèi)星捕獲

1.基于FFT的碼并行捕獲算法

碼并行捕獲算法首先應(yīng)用于GPS L1信號(hào)捕獲[6]。該算法對(duì)N ms(1≤N≤10，N為整數(shù))的數(shù)據(jù)下變頻后變換到頻率域，本地產(chǎn)生N ms擴(kuò)頻碼，變換到頻率后取共軛，二者相乘并取IFFT轉(zhuǎn)換到時(shí)域，獲得接收信號(hào)與本地?cái)U(kuò)頻碼的卷積結(jié)果，最后進(jìn)行M次非相干累加，從而快速捕獲弱信號(hào)。對(duì)于B1I上非GEO衛(wèi)星信號(hào)，因?yàn)槠湔{(diào)制有1 Kbps的NH碼，因此N并不能取任意值，因?yàn)镹H碼會(huì)使相鄰毫秒的數(shù)據(jù)極性相反，從而抵消擴(kuò)頻增益。

為此利用補(bǔ)零FFT解決NH碼帶來(lái)的跳變問(wèn)題。例如要實(shí)現(xiàn)N ms(1≤N≤20，N為整數(shù))相干積分可以采用如下策略。假設(shè)搜索載波頻率頻點(diǎn)為fk(k＝0，1，…，K)，具體步驟如下：

1)將輸入信號(hào)與頻率fk的載波相乘下變頻至基帶信號(hào)。

2)將輸入信號(hào)2N ms一段分為L(zhǎng)段，N (L＋1)＞20，每相鄰兩段信號(hào)有N ms的重合，這樣共N( L＋1)ms信號(hào)，記為si[n](i＝0，1，…，L-1)。本地產(chǎn)生N ms的擴(kuò)頻碼信號(hào)，調(diào)制上N比特的NH碼，如前N個(gè)比特(0 0 0 0…)，本地信號(hào)補(bǔ)零至2N ms，記為c[n]。

3)利用FFT算法分別將L段2N ms輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，得到Si[n]＝FFT(si[n])，i＝0，1，…，L -1。

4)利用FFT算法將本地2N ms信號(hào)轉(zhuǎn)換到頻域，并取共軛

5)將頻域的本地信號(hào)與頻域的輸入信號(hào)相乘并取IFFT轉(zhuǎn)換到時(shí)域，得到本地信號(hào)與輸入信號(hào)的卷積Ri[n]＝IFFT(C[n]·Si[n])，i＝0，1，…，L-1。

6)搜索下一載波頻點(diǎn)fk＋1，重復(fù)步驟1)—5)，得到L個(gè)二維矩陣Ri(i＝0，1，…，L-1)。

7)因?yàn)镹( L＋1)＞20，因此至少存在一段2N ms信號(hào)i，含有一段N ms信號(hào)，其NH碼與本地產(chǎn)生的NH碼對(duì)齊。當(dāng)該衛(wèi)星可見(jiàn)，并且擴(kuò)頻碼相位對(duì)齊和多普勒頻點(diǎn)對(duì)齊，能夠在Ri得到一個(gè)峰值，從而捕獲到該衛(wèi)星信號(hào)(如圖2所示)。

圖2 N ms相干積分示意圖

2.非相干累加

因?yàn)槲粗獙?dǎo)航比特邊沿跳變的影響，上述算法最多只能實(shí)現(xiàn)20 ms的相干積分累加。為了捕獲到更弱的信號(hào)(如信號(hào)功率小于34 dBHz)，需要非相干累加，進(jìn)一步提高信噪比。非相干累加是對(duì)相關(guān)結(jié)果取模后進(jìn)行二次累加的過(guò)程，其數(shù)學(xué)原理如下

在前面的N ms相干積分基礎(chǔ)上，利用非相干累加，可以不用縮短頻率搜索步長(zhǎng)，獲得一定的信噪比增益，從而快速捕獲弱信號(hào)。同時(shí)需要注意的一點(diǎn)是，該方法引入了“平方損耗(squaring loss)”，使得其信噪比改善效果降低。圖3給出了一定次數(shù)的非相干累加次數(shù)下的信噪比增益。

圖3 非相干累加次數(shù)與非相干增益

3.判決變量

非相干累加后得到L個(gè)二維矩陣矩陣的每個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)多普勒頻點(diǎn)和擴(kuò)頻碼相位組合。為了適應(yīng)信號(hào)強(qiáng)度的變化及采樣率的變化，增強(qiáng)判決算法魯棒性，采用如下判決變量

式中，ymax是L個(gè)二維矩陣的最大值；ymean是二維矩陣的近似方差。

實(shí)際上無(wú)須遍歷Yi，NC的所有元素計(jì)算其近似方差，而是簡(jiǎn)單遍歷足夠數(shù)量的元素即可，如1000個(gè)元素。當(dāng)D大于預(yù)設(shè)定的閾值則宣布捕獲成功。

四、仿真和測(cè)試結(jié)果

在Matlab中實(shí)現(xiàn)仿真，利用Matlab產(chǎn)生B1I非GEO衛(wèi)星信號(hào)，共產(chǎn)生強(qiáng)、中、弱3種強(qiáng)度的信號(hào)，并對(duì)該算法進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。信號(hào)參數(shù)為：衛(wèi)星編號(hào)sv＝6，中頻IF＝2.42 MHz，多普勒頻移DP＝2345 Hz，初始碼相位CP＝100 Chip，采樣頻率FS＝12.288 MHz，噪聲功率密度N0＝204 dBW/Hz，信號(hào)強(qiáng)度C/N0＝44 dBHz、34 dBHz、24 dBHz。捕獲結(jié)果分別顯示在圖4—圖6。從圖中可以看出，當(dāng)碼相位對(duì)齊時(shí)，相關(guān)值出現(xiàn)較明顯的尖峰，該算法對(duì)強(qiáng)、中、弱3種信號(hào)均能成功捕獲。

圖4 C/N0＝44 dBHz捕獲結(jié)果

圖5 C/N0＝34 dBHz捕獲結(jié)果

圖6 C/N0＝24 dBHz捕獲結(jié)果

從表1可以看出，碼片誤差值0.3碼片以內(nèi)，而多普勒誤差與頻率搜索步長(zhǎng)有關(guān)，相干積分時(shí)間增長(zhǎng)，搜索步長(zhǎng)減小，多普勒誤差也減小。對(duì)于強(qiáng)弱不同的信號(hào)，通過(guò)配置相干積分時(shí)間和非相干累加次數(shù)可以在捕獲速度和靈敏度方面取得好的折中。如強(qiáng)信號(hào)44 dBHz時(shí)，1 ms相干積分和1次非相干累加即可快速捕獲信號(hào)。而要捕獲24 dBHz的弱信號(hào)，則需要20 ms的相干積分和20次非相干累加次數(shù)，這種情況下捕獲運(yùn)算量是巨大的。為了減小捕獲運(yùn)算量，可以采用10ms相干積分和更多次的非相干累加次數(shù)，同時(shí)也能擴(kuò)大頻率搜索步長(zhǎng)，從而降低一定運(yùn)算量。另外需要指出的是，因?yàn)槠椒綋p耗的原因，無(wú)限次增加非相干累加次數(shù)并不能獲得足夠的信噪比增益從而捕獲弱信號(hào)。如圖3所示，非相干次數(shù)從100增加到1000，其信噪比增益不到5 dB。

表1 北斗6號(hào)衛(wèi)星捕獲結(jié)果

致謝:本工作受到了上海市北斗導(dǎo)航與位置服務(wù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和上海華測(cè)導(dǎo)航技術(shù)有限公司的資助，在此一并感謝。

[1] 謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009：366-368.

[2] KAPLAN E D，HEGARTY C J.Understanding GPS：Principles and Applications[M].2nd Ed.[S.l.]：Artech House，1996：162-170.

[3] SPANGENBERG S M，SCOTT I，MCLAUGHLIN S，et al.An FFT-based Approach for Fast Acquisition in Spread Spectrum Communication Systems[J].Wireless Personal Communications，2000，13(1-2)：27-55.

[4] VAN NEE D J R，COENEN A.New Fast GPS Code-acquisition Technique Using FFT[J].Electronics Letters，1991，27(2)：158-160.

[5] ELDERS-BOLL H，DETTMAR U.Efficient Differentially Coherent Code/Doppler Acquisition of Weak GPS Signals[C]∥2004 IEEE Eighth International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications.[S. l.]：IEEE，2004：731-735.

[6] BORIO D，O’DRISCOLL C，LACHAPELLE G.Coherent，Noncoherent and Differentially Coherent Combining Techniques for Acquisition of New Composite GNSS Signals[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，2009，45(3)：1227-1240.

[7] PSIAKI M L.Block Acquisition of Weak GPS Signals in a Software Receiver[C]∥ION GPS.Salt Lake City：[s. n.]，2001：1-13.

[8] 張興新，羅懋康.一種基于FFT塊處理的微弱GPS信號(hào)檢測(cè)新方法[J].四川大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，49(3)：494-498.

[9] LIN D，TSUI J.Acquisition Schemes for Software GPS Receiver[C]∥Proceedings of ION GPS.[S.l.]：Institute of Navigation，1998：317-326.

[10] AKOPIAN D.Fast FFT Based GPS Satellite Acquisition Methods[J].IEEE Proceedings-Radar，Sonar and Navigation，2005，152(4)：277-286.

[11] CHUANG M Y，F(xiàn)ENG K T.Adaptive GPS Acquisition Technique in Weak Signal Environment[C]∥Vehicular Technology Conference，2006.[S.l.]：Spring，2006：2612-2616.

[12] 黃雋祎，李榮冰，王翌，等.北斗B1 QPSK調(diào)制信號(hào)的高靈敏度捕獲算法[J].航空計(jì)算技術(shù)，2012，42(5)：38-42.

[13] 薛文通.史雅茹，白陽(yáng)，等一種捕獲北斗D1衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)弱信號(hào)的方法：中國(guó)，201210412200.9[P]. 2013-02-13.

[14] 劉莉，戰(zhàn)興群，劉衛(wèi)，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS兼容性評(píng)估[J].測(cè)繪學(xué)報(bào)，2011，40(S1)：11-18.

Code Parallel Acquisition of BeiDou None-GEO Satellite Signal

XU Liangbei，YING Rendong，CHEN Xin，LIU Peilin，ZHAO Yi

P228.4

B

0494-0911(2014)09-0012-04

2013-07-06

國(guó)家863計(jì)劃(2012AA12A209)；上海市科委科研計(jì)劃(11511501700)

許良備(1989—)，男，福建泉州人，碩士，主要從事GNSS接收機(jī)設(shè)計(jì)工作。

許良備，應(yīng)忍冬，陳新，等.北斗非GEO衛(wèi)星信號(hào)碼并行捕獲[J].測(cè)繪通報(bào)，2014(9)：12-15.

10.13474/j.cnki.11-2246.2014.0282