洪冰清，覃新賢,2,3，陳海強,2,3

(1. 廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004；2. 廣西大學 廣西高校多媒體通信與信息處理重點實驗室，廣西 南寧 530004；3. 廣西大學 廣西多媒體通信與網絡技術重點實驗室培育基地，廣西 南寧 530004)

?

北斗信號捕獲算法研究概述

洪冰清1，覃新賢1,2,3，陳海強1,2,3

(1. 廣西大學 計算機與電子信息學院，廣西 南寧 530004；2. 廣西大學 廣西高校多媒體通信與信息處理重點實驗室，廣西 南寧 530004；3. 廣西大學 廣西多媒體通信與網絡技術重點實驗室培育基地，廣西 南寧 530004)

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，是我國研制的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以提供精準的位置、速度和時間信息，對國防及民用生活具有重要意義。信號捕獲在導航定位中占據(jù)重要的位置，直接影響到基帶信號的后續(xù)處理。研究者們對北斗信號的捕獲方法展開了大量的研究，但針對捕獲算法的系統(tǒng)分類和概述較少。基于此，文中對國內外目前現(xiàn)有的捕獲技術進行整理和綜述，按照傳統(tǒng)捕獲、高靈敏捕獲兩個標準進行概括，并基于仿真實驗分析和對比了不同捕獲方法的性能。最后指出了目前捕獲技術存在的主要問題以及需要克服的技術難點。

北斗衛(wèi)星；捕獲算法；高靈敏度；相干累積；非相干累積

衛(wèi)星導航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)應用廣泛，其可提供實時的全天24 h精準的位置、速度及時間信息，已經成為國防安全和民用生活中不可缺少的重要工具[1]。世界上許多發(fā)達國家和地區(qū)考慮到自身的技術經濟以及國家安全利益，紛紛建立或者規(guī)劃建設全球性或者區(qū)域性的衛(wèi)星導航系統(tǒng)，例如美國的全球定位系統(tǒng)(GPS)、歐洲的Galileo、俄羅斯GLONASS、日本的QZSS計劃等[2]。

我國在“北斗一號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)的基礎上，正在積極的發(fā)展“北斗二號”衛(wèi)星導航系統(tǒng)。2007 年4 月14 日，成功發(fā)射了首顆“北斗二代”非同步軌道衛(wèi)星，標志著我國正式開始第二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)的建設計劃。2012 年12 月27 日，北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)組網建成，該系統(tǒng)首先提供了區(qū)域性的定位、定時服務，并加入了短報文通信功能。預計在2020 年，我國將建成由 30 顆非靜止軌道衛(wèi)星和5顆靜止軌道衛(wèi)星組成的覆蓋全球的北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)[3-4]。

北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)與GPS相同，均采用CDMA的調制方式進行擴頻調制[5-6]，若想要正確的解調出衛(wèi)星導航信號，首先必須要準確的獲得衛(wèi)星數(shù)據(jù)的偽碼和載波的參數(shù)。衛(wèi)星基帶信號處理的第一步，則是進行信號的捕獲。信號捕獲可以幫助獲得偽碼和載波的粗略值，由于跟蹤環(huán)路的跟蹤范圍有限，捕獲精度越高，則跟蹤到的成功率就越大。因此，捕獲環(huán)節(jié)至關重要，只有正確捕獲到衛(wèi)星，才能做更進一步的處理。由于捕獲對噪聲非常敏感[7](15 dB以上)，因此捕獲是否成功跟系統(tǒng)的靈敏度關系密切。

1 北斗信號模型及信號捕獲

“北斗二號”信號目前主要有B1，B2兩個頻段的信號。B1、B2信號均采用QPSK的正交調制方式。其中，I支路信號為開放服務，調制普通測距碼，提供民用服務，而Q支路信號為授權服務，調制加密測距碼，面向軍用用戶。隨著北斗導航系統(tǒng)B1I和B2I信號接口文件的陸續(xù)公布，我們知道，B1I和B2I兩種信號的結構和調制方式非常相似，因此，針對B1I信號的捕獲算法也可以用來處理B2I信號，此處僅對北斗B1I信號的捕獲算法進行研究[8]。B1I信號的標稱載波頻率F0為1561.098 MHz，采用QPSK調制方式，基于碼分多址 (CDMA)的擴頻，擴頻碼(測距碼)周期為1 ms,碼長2 046，碼速率2.046 Mcps。B1頻點信號模型表示如下

(1)

其中，k表示衛(wèi)星編號；AI，AQ分別表示I支路和Q支路的信號強度；CI，CQ分別表示I支路和Q支路的測距碼；DI和DQ分別表示I支路和Q支路測距碼上調制的導航數(shù)據(jù)；fB1表示BI頻點的標稱載波頻率；φ表示調制載波的初始相位。

信號捕獲，實際上就是進行三維的搜索：第一維搜索信號的載波頻率。第二維搜索測距碼的起始相位。第三維搜索衛(wèi)星偽碼本身。通常，該維搜索不是必不可少的，因為即使是已經過時的星歷或者歷書，也可以提供許多有用的參考信息。因此，捕獲過程通常只需要進行二維的載波頻率和碼相位的搜索。

捕獲通過將相關積分后輸出信號的功率(或幅值)大小與預先設定的門限相比較，來決定信號是否存在。若相關器輸出峰值超過閾值，則可以判斷存在該衛(wèi)星信號，反之，則不存在。且只有當輸入信號的載波頻率和碼相位與本地產生的載波頻率和碼相位完全一致時，相關積分運算才會輸出最大的峰值[3]。

2 國內外研究現(xiàn)狀分析

由于GPS 系統(tǒng)研究起步最早，因此，衛(wèi)星導航系統(tǒng)捕獲算法的研究中，以GPS 系統(tǒng)最為先進，也最具有代表性[9]。近年來，許多國外學者以及研究機構在衛(wèi)星捕獲技術方面也取得了相當?shù)倪M展。利用改進的相干累積和非相干累積算法[11]，通過對導航電文比特的統(tǒng)計估計，延長相干累積和非相干累積的時間，提高系統(tǒng)的增益，使捕獲靈敏度能夠達到21 dB Hz[12]。捕獲算法需要進行大量的相關運算，而基于快速傅里葉變換(FFT)捕獲方法已經成為GNSS接收機中常用的手段[13]。雖然我國對衛(wèi)星導航定位技術的研究起步較晚，但對這個領域的研究卻如火如荼。國內許多大學和研究機構對高靈敏度捕獲算法進行了研究并取得了不錯的進展。如中科院計算研究所、北京航空航天大學、北京郵電大學等。下面從傳統(tǒng)捕獲算法、高靈敏度捕獲算法對國內外捕獲現(xiàn)狀進行分析[4]。

2.1 傳統(tǒng)捕獲算法

2.1.1 串行搜索

比較簡單，就是通過不斷搜索本地測距碼的碼相位和本地載波的頻率來完成信號的捕獲。順序搜索首先在增加了多普勒頻移的信號頻率范圍內選定一個載波頻率，然后將本地測距碼和輸入信號相乘并在一個碼元周期或者更長時間里做積分，將積分結果和某一給定的閾值做比較，若大于閾值就可以認為信號捕獲成功，接著把接收信號送入到碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路。若小于閾值，則將碼片進行移位(一般為半個碼元的整數(shù)倍)，繼續(xù)上述過程。若嘗試了所有可能的碼相位，相關積分結果都不超過門限值，則認為在該頻點上，信號捕獲失敗。更換一個載波頻率重復上述過程，直到信號被捕獲。若搜索了全部可能的碼相位和載波頻率(多普勒頻率范圍內)仍然沒有捕獲到信號，則這個周期信號捕獲失敗，表明，當前的信號中，不存在該PRN的衛(wèi)星。順序搜索的流程圖如圖1所示。串行捕獲策略，原理簡單，可用于各種信號的捕獲，但它也是最費時的一種搜索方法。

圖1 串行順序搜索框圖

2.1.2 并行頻率搜索

為加快運算速度，減小搜索時間，根據(jù)相關運算和FFT的關系，可以用FFT來實現(xiàn)捕獲過程大量的相關運算[14-18]。并行頻率搜索算法，首先選定一個碼相位，然后搜索其所有可能的頻率[19]，其算法流程如圖2所示。

圖2 并行頻率搜索框圖

2.1.3 并行碼相位搜索

同理，并行頻率搜索方法即在一個頻點內，搜索全部的碼相位，其捕獲模型可以表示為

s(k)=IFFT{FFT[x(n)]×FFT*[C(n)]}

(2)

找出所有s(k)值中的最大值，并將這個最大值峰值與我們給定的閾值做對比，若峰值大于閾值我們則認為捕獲信號成功，此時峰值對應的值k,就是碼片的最佳延時。并行碼相位搜索捕獲算法框圖如圖3所示。

圖3 并行碼相位搜索框圖

2.2 高靈敏度捕獲算法

北斗衛(wèi)星在35 786 km的高空向地面發(fā)送定位信號，地面接收到的北斗衛(wèi)星信號非常微弱，在噪聲環(huán)境，尤其是弱信號環(huán)境下，利用相干累積和非相干累積技術可以提高捕獲靈敏度[20]。但是非相干累積存在平方損失，其平方損失隨著累加次數(shù)的增加而升高，由于非相干累積方法存在平方損失，該方法不可能通過無限增加累積的時間來提高捕獲成功率，因此，該方法的實際應用也受到限制。為了緩解平方運算造成的平方損失，文獻[21]提出了差分相關的方法，與非相關累積的方法不同，該方法先讓相鄰的相關值相乘，然后再進行疊加，因為若某一個比特數(shù)據(jù)發(fā)生了跳變，那么其相鄰一個導航電文周期內的比特不會再發(fā)生跳變，且相鄰噪聲是非相關的，因此疊加后噪聲污染減少，靈敏度提高。但是，當信噪比較低時，其累積效果不明顯。文獻[22]提出了一種自適應和數(shù)據(jù)碼檢測的方法來提高信噪比。2012年，文獻[19]提出了針對北斗B1信號的雙軌道并行搜索捕獲算法，改進了相關、非相關碼的并行捕獲算法，提高了捕獲靈敏度，改善了弱信號在復雜的噪聲環(huán)境下比較難捕獲的問題。2013年，文獻[23]提出了一種改進的同時適用于北斗和GPS的雙模弱信號捕獲算法，該算法采用非相干累積算法中的半比特交替法，累積時間可達10 ms，仿真驗證該算法可以捕獲到信噪比為-40 dB的GPS和北斗弱信號。北斗非靜止軌道衛(wèi)星由于要進行NH碼調制， NH碼周期為20 ms,一周期內包含20個碼片，由于NH碼的二次編碼以及NH碼可能出現(xiàn)的比特跳變，使得相關累積時間大幅減少。基于此，2013年，文獻[24]針對北斗非靜止軌道衛(wèi)星因調制了NH碼而導致捕獲靈敏度下降的問題，提出了全比特相干方法。該方法可以有效的將信號中的NH碼剔除，實現(xiàn)全比特相干，仿真結果表明該算法可實現(xiàn)信噪比低于-28 dB弱信號的捕獲。文獻[25]提出基于查分判決的弱信號長比特相干捕獲算法，利用差分判決的方式實現(xiàn)對導航信號中比特翻轉位置的準確判斷，并刪除含比特翻轉的小部分數(shù)據(jù)，該算法克服了導航信號中比特翻轉帶來的影響，可以實現(xiàn)較長時間的相干累積操作。文獻[26]針對NH碼比特翻轉，提出一種改進型的全比特算法，該算法使用較少的信號即可達到非相干積分算法的捕獲靈敏度，但其運算量大，比較耗時。2014年，文獻[27]從NH碼特性入手，針對北斗信號的特殊性設計了基于全比特相干的三級捕獲算法，第二級的全比特相關器通過將NH碼剝離，使信號的積分時間延長至20 ms，大幅提高了碼相位捕獲單元的輸出峰值。此外，國外一些學者就噪聲、比特翻轉和平方損失等問題對不同捕獲方法的影響進行研究，并取得了一些成果。例如文獻[28]針對非相干累積算法提出了一種評價指標等價相干輸出信噪比。文獻[29]詳細地分析了在比特翻轉影響下載噪比、累積時間與捕獲概率的影響。目前，國內對北斗系統(tǒng)捕獲方面統(tǒng)計學和估計理論的支撐還有所欠缺，這也是下一步需要考慮的方向。

3 算法性能比較

3.1 計算量比較

由于傳統(tǒng)的串行、并行捕獲算法信噪比增益較低，難以捕獲微弱的北斗信號，因此通常采取相干和非相干累積捕獲方法，下面著重對相干累積和非相干累積捕獲算法的性能進行比較。設輸入信號經過16.368 MHz的采樣，針對一個碼元周期的數(shù)據(jù)在一個頻點上進行捕獲需要的非相干累積運算次數(shù)為

2 046×(16 368×4+16 368)=1.67×108

(3)

相干累積運算次數(shù)

2 046×(16 368×2+16 368)=9.90×107

(4)

3.2 相同信噪比下捕獲性能比較

非相干累積算法包括半比特交替法和估計數(shù)據(jù)跳變的全比特法，非相干累積捕獲算法和相干累積捕獲算法在信噪比等于-38 dB的仿真結果如圖4所示。

如圖4 (a)和圖4(b)所示，非相干累積方法，由于存在平方計算，因此，累積時間越長，噪聲提升也越快。從圖中可以看出，非相干累積算法的噪聲比較大。而圖4 (c)采用相干累積的方法，在疊加運算時，沒有平方運算，因此噪聲功率上升比較緩慢。

圖4 SNR=-38 dB 的檢測結果

3種捕獲算法，進行相同時間的累積，比較他們捕獲成功率，如圖5所示。

圖5 捕獲成功率對比

仿真結果表明，在信噪比較低時(<-38 dB)，相干累積算法的捕獲成功率明顯優(yōu)于非相干累積算法。而非相干累積算法中的全比特算法的性能優(yōu)于半比特算法。在信噪比較高時(>-37 dB)，非相干累積算法的捕獲成功率與相干累積算法相當。

4 結束語

本文對現(xiàn)存的北斗捕獲算法進行了概述和分析，并仿真驗證了不同捕獲算法的性能優(yōu)劣。捕獲技術是接收機設計的一個重要環(huán)節(jié)，近年來，雖然國內外一些研究機構在衛(wèi)星導航捕獲技術方面取得了相當?shù)倪M展，但是仍然存在一些問題。一方面，如何進一步減少FFT 的運算次數(shù)從而減少運算量是目前捕獲算法熱點研究內容；另一方面，如何減少多徑對衛(wèi)星導航信號的影響，提高捕獲靈敏度，也是捕獲算法中需要重點考慮的問題。

[1] 謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.

[2] Li X, Zhang X, Ren X, et al. Precise positioning with current multi- constellation global navigation satellite systems: GPS, GLONASS, Galileo and Beidou[J].Scientific Reports,2015,8(5): 83-88.

[3] 覃新賢,韓承德,謝應科.GPS軟件接收機中的一種實用高靈敏度快速捕獲算法[J].電子學報,2010,38(1):99-104.

[4] Wei L U,Zhu J J.Overview for the compass satellite navigation system development[J]. Surveying & Mapping of Geology & Mineral Resources, 2007,23(3):29-32.

[5] Emardson T R, Elgered G, Johansson J M. Three months of continuous monitoring of atmospheric water vapor with a network of Global Positioning System receivers[J]. Journal of Geophysical Research Atmos- pheres,1998,103(2):1807-1820.

[6] 劉基余.GPS 衛(wèi)星導航定位原理與方法[M].北京:科學出版社,2005.

[7] 黃麗霞. GPS、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)組合單點定位模型及算法[J].電子科技,2014, 27(7):23-25.

[8] 謝非.北斗軟件接收機及慣性/衛(wèi)星超緊組合導航關鍵技術研究[D].南京:南京航空航天大學, 2014.

[9] 覃新賢,韓承德,謝應科.高靈敏度 GPS 軟件接收機開發(fā)平臺[J].計算機應用,2009,3(5):1452-1455.

[10] Psiaki M L.Block acqusition of weak GPS signals in a software receiver[J].Proceeding of Ion GPS,2001(5):2838-2850.

[11] Yan K,Ziedan N I,Zhang H,et al.Weak GPS signal tracking using FFT discriminator in open loop receiver[J]. GPS Solutions,2014,20(2):1-13.

[12] Starzyk J,Zhu Z.Averaging correlation for C/A code acquisition and tracking in frequency domain[C].Beijing:Proceedings of the IEEE 2001 Midwest Symposium on Circuits and Systems,2001.

[13] Akopian D.Fast FFT based GPS satellite acquisition methods[J]. IEE Proceedings of Radar, Sonar and Navigation,2005,152(4):277-286.

[14] Alaqeeli A,Starzyk J.Hardware implementation for fast convolution with a PN code using field programmable gate array[J].Proceedings of Southeastern Symposium on System Theory,2001,31 (6):197-201.

[15] Alaqeeli A,Starzyk J,Van Graas F. Real-time acquisition and tracking for GPS receivers[J].Proceedings IEEE Inter- national Symposium on Circuits and Systems,2003,4(4):500-503.

[16] Van Nee D J R,Coenen A J R M.New fast GPS code-acquisition technique using FFT[J].Electronics Letters,1991,27(2):158-160.

[17] 黃雋祎,李榮冰,王翌,等.北斗 B1 QPSK 調制信號的高靈敏度捕獲算法[J].航空計算技術,2012,42(5):38-42.

[18] Huang J W,Li R B,Wang Y,et al. High-sensitivity acquisition algorithm of QPSK-modulate BeiDou B1 signal[J]. Aeronautical Computing Technique, 2012,42(5):38-42.

[19] Tsui B Y.Fundamentals of global positioning system receivers[J].A Software Approach Wiley,2000,51(6-7):93-99.

[20] Elders-Boll H, Dettmar U.Efficient differentially coherent code/Doppler acquisition of weak GPS signals[C].CA,USA:IEEE Eighth Inter- national Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications,IEEE,2004.

[21] Chuang M Y,Feng K T.Adaptive GPS acquisition technique in weak signal environment[C].Nanjing:IEEE Vehicular Technology Conference,IEEE,2006.

[22] 陳慶.微弱GPS/北斗基帶信號捕獲研究與實現(xiàn)[D].廣州:暨南大學,2013.

[23] 史向男,巴曉輝,陳杰.北斗MEO/IGSO衛(wèi)星B1頻點信號捕獲方法研究[J].國外電子測量技術,2013,32(4):19-21.

[24] 劉遠.北斗二號導航弱信號捕獲算法研究[D].重慶:重慶大學,2014.

[25] 王慶雷.北斗導航信號捕獲算法研究及北斗授時服務系統(tǒng)設計[D].西安:西安電子科技大學,2014.

[26] 郭浩杰.北斗二代B1弱信號捕獲基帶架構的設計與實現(xiàn)[D].南京:東南大學,2015.

[27] Daniele B.A statistical theory for GNSS signal acquisition[D].Torno:Polytecnico di Torino NavSAS Group,2008.

[28] Shanmugam S K, Nielsen J, Lachapelle G. Enhanced differential detection scheme for weak GPS signal acquisition[J].Ion Gnss,2007,4(3):26-29.

Review of Signal Acquisition of the Beidou Navigation Satellite System

HONG Bingqing1, QIN Xinxian1,2,3, CHEN Haiqiang1,2,3

(1.School of Computer and Electronic Information, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Guangxi Colleges and Universities Key Laboratory of Multimedia Communications and Information Processing, Guangxi University,Nanning 530004, China; 3.Guangxi Key Laboratory of Multimedia Communications and Network Technology (Cultivating Base),Guangxi University, Nanning 530004, China)

The Beidou navigation satellite system (BDS), the first satellite navigation system developed by China, offers accurate position, speed and time information. Signal acquisition occupies a very important position in the navigation and positioning, directly affecting the subsequent processing of the baseband signal. A great many researches on the capture method of the Beidou signals have been done, but few focus on the classification and summary. We study the traditional acquisition algorithms and high sensitivity acquisition algorithms, compare their performance, and point out the challenges and development trend of the Beidou system signal capture techniques in the future.

Beidou satellite; acquisition algorithm; high sensitivity; coherent accumulation; non-coherent accumulation

2016- 08- 15

國家自然科學基金(61072153)

洪冰清(1990-)，女，碩士研究生。研究方向：衛(wèi)星導航基帶信號處理算法。覃新賢(1963-)，男，博士，教授。研究方向：衛(wèi)星導航基帶信號處理算法等。陳海強(1976-)，男，博士，教授。研究方向：編碼理論和中繼系統(tǒng)等。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.07.047

TN911.72

A

1007-7820(2017)07-165-05