论文研究-北斗基带接收系统中捕获算法的改进研究 .pdf-资料库

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5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线北斗基带接收系统中捕获算法的改进研究 http://www.paper.edu.cn 晋永龙，林家儒** （北京邮电大学信息与通信工程学院，北京 100876）摘要：北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统。目前，“北斗一号”系统已经十分成熟，我国已经开始积极建设“北斗二号”系统。建设北斗卫星导航系统具有十分重大的军事价值和社会价值，对于促进我国的科学研究、生活生产、国防安全等都有十分重要的战略意义。本文对北斗卫星基带信号接收系统中同步阶段传统的基于变换域的时频同时捕获算法进行了研究，并针对该算法 FFT 运算量过大及相关检测函数性能不佳的问题，对捕获算法进行了优化，提高了捕获的精度，同时大大降低了捕获算法的复杂度。关键词：导航、制导与控制；北斗接收系统；捕获中图分类号：TN967.1 The Optimization of Acquisition Algorithm in the Compass Baseband Receiving System Jin Yonglong, Lin Jiaru (Information and Telecommunication Engineering School, Beijing University of Posts and Telecommunications, Beijing 100876) Abstract: Compass satellite navigation system is a satellite navigation system which is researched and developed by China independently.Up to now, "Compass I" system has been very successfully established, and "Compass II" now is being actively built.The Compass satellite navigation system has a lot of military and social values, it has a very important strategic significance for the promotion of scientific research, life and production, national defense and security.In this article the the synchronization stage in the Compass satellite baseband signal receiving system are researched. To solve the problems of too large computaiton complexity of FFT and poor performance of correlation detection function, a new optimization is proposed to improve the accuracy of the acquisition stage, and significantly reduce the complexity of the acquisition algorithm. Keywords: Navigation, Guidance and Control; Compass Receiving System; Acquisition time-frequency acquisition algorithm of transform domain based traditional 0 引言北斗基带处理系统的功能主要是针对接收到的模拟中频信号进行数字化处理和基带信号处理，完成对卫星信号的载波同步，PN 码同步，信号解调解扩，维特比译码，CRC 校验，以及伪距和时差测量，并将数据信号和测量值送到信息解算单元[1]。所以，一般来讲北斗卫星基带接收系统可以分为三个功能模块：同步功能模块，数据处理功能模块和卫星定位功能模块。其中，同步功能模块是整个接收系统的基石。卫星接收机接收到的信号是以码片形式存在的，所以接收到卫星信号之后，必须先进行码片级上的处理，使之还原到符号级信号，才能进行后续的解调、解括等操作，这就是同步功能模块要完成的任务。码片级处理，又称捕获，是对接收到的卫星基带信号的第一步处理。它的主要作用是对本地序列和接收信号进行同步，并对接收信号的多普勒频移进行估计。一般常用的卫星信号的捕获方法有串行两步时频捕获技术和基于变换域的时频同时捕获技术。前者是最早的用于卫星同步的算法，原理简单，但十分耗时，这里不做赘述。而后者则巧妙利用接收信号的变换域特征将卫星信号的时域同步和频偏估计放在一起进行完成，付出了一定的硬件复杂度，但节省了大量的时间。作者简介：晋永龙，（1988-），男，硕士研究生，主要研究方向：卫星导航系统。通信联系人：林家儒，（1958-），男，教授，主要研究方向：信息与通信理论、移动通信、通信系统等。 E-mail: jrlin@bupt.edu.cn - 1 -

45 50 55 60 65 70 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 本文通过研究基于变换域的捕获算法，针对其 FFT 运算复杂度过高及 MBOC 副载波自相关性能欠佳的问题，提出了优化方案，以期能进一步提高对卫星信号捕获的速度和精度。 1 传统的基于变换域时频同时捕获算法传统的基于变换域的时频同时捕获算法如图 1 所示。算法流程是： (1) 频偏的预补偿。确定最大频偏，并以适当频偏作为步长，进行频偏的补偿。 (2) 将 I 路和 Q 路信号作为一个复数，进行长度为 N 的 FFT 变换。 (3) 将本地的 BOC 信号的 N 个数据，做 FFT 变换，并将结果取共轭。 (4) 将两个 FFT 的结果进行相乘，并取 IFFT。对结果取模，进行判决。 (5) 使用下一组的 BOC 本地码，进行上面的搜索，直至搜索出足够的卫星数目[2]。图 1 传统的基于变换域的时频同时捕获算法 2 对于时频同时捕获算法的改进虽然相对于串行捕获算法而言，上述算法已经将捕获速度提高了很多，但这种算法仍然有很多的细节可以优化，比如它要对于整个周期的扩频码进行 FFT 操作，运算量巨大，而且北斗 2 号提供 OS(Open Service)服务类型的 B1 信号的扩频码还进行了 MBOC(6,1,1/11)的副载波调制[3]。引入这种副载波调制是为了可以通过调整参数将频谱进行不同程度的分离，避免与其他卫星定位系统的频谱发生重叠，提高信号的抗干扰和抗衰落能力[4]。但 MBOC 信号自相关性能并不十分理想。对于前一个问题，本文将分组相关的理论应用到北斗卫星的捕获算法中进行优化，而针对后一个问题，本文则参考 BOC(n,n)信号的跟踪优化方案，利用 MBOC 信号自相关函数的特点以及 MBOC 信号和扩频码 PRN 序列的互相关函数的特点，尝试对 MBOC(6,1,1/11)信号的自相关特性进行优化。 2.1 同步分组北斗卫星信号的扩频码序列很长，为 4092 个符号，此外还要再对其进行 MBOC(6,1,1/11) 的副载波调制，如果对一个周期的码片直接进行 FFT 变换，硬件实现是很困难的。针对这个问题，可以先让接收信号和本地 PRN 码进行分组相关，再将相关的结果进行 FFT 运算。如图 2，相关运算由 N 个复数相关器完成，每个相关器的点数为 M。第 1 个相关器使用输入信号的 0～(M-1)码片做相关运算，第 2 个相关器使用 M～(2M-1)码片，直到第 N 个相关器使用(N-1)M~(M-1)码片做相关运算[5]。如果对这 N 个相关器的结果做累积，那么结果与积分长度为 NP 的相关器是一样的，因此 N 个相关器的等效积分时间为 T，每个部分相关 - 2 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 75 器的积分时间为 L=T/N。多普勒频偏搜索范围 W 由部分相关器的积分时间 NT 决定， W 理论上来说，如果适当选取 M 的值，就可以降低 FFT 运算量，且满足精度的要求。 1 = 。 T N ⊗ c n τ− ( ) M 1 − •∑ ( ) n = 0 M 1 − •∑ ( ) n = 0 M 1 − •∑ ( ) n = 0 M 1 − •∑ ( ) n = 0 80 图 2 引入分组相关的改进型变换域捕获算法 2.2 MBOC 信号的自相关性能优化北斗系统的 OS 服务信道使用了 MBOC(6,1,1/11)副载波调制，而 MBOC(6,1,1/11)的自相关性并不是很好，除了有一个零点的主瓣之外，还在前后二分之一码片的位置处各有一个旁瓣，如图 3。 85 4 北斗信号的自相关特性局部放大（匹配值附近） x 10 5 4.5 4 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 值关相 0 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 相对时延图 3 北斗扩频码信号的自相关特性为了抑制旁瓣，可以根据 BOC 信号自相关函数的特点以及 BOC 信号和扩频码 PRN 序列的互相关函数的特点，将亚载波信号的自相关函数的平方与亚载波和扩频码序列互相关函数的平方差所构成的新函数作为检测函数，可以有效消除 BOC 信号自相关函数中的边峰，即 2 R BOC BOC { , } − R BOC PRN 2 { , } R τ = 该算法称为 Aspect 算法[6]，最早用于 BOC 信号的跟踪。值得一提的是，该算法虽然只适用于 BOC(n,n)的调制信号，但是，对于北斗卫星信号，其使用的 MBOC(6,1,1/11)调制信 - 3 - 90 95

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 号其实是两路调制信号的叠加，主体是 BOC(1,1)信号，而另一个调制信号仅仅用于优化功率谱波形，所以 Aspect 算法也适用于北斗卫星信号。加入抑制旁瓣方法之后的自相关波形如图 4 所示。可见，半码片处的旁瓣被明显抑制，已经对最大值不构成威胁。 x 109 2.5 使用aspect算法的北斗信号相关特性值关相 2 1.5 1 0.5 0 -0.5 -10 3 仿真验证 3.1 仿真参数 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 相对时延图 4 优化后的 MBOC 信号自相关特性码片级处理算法的仿真在-30dB 的低信噪比下完成。具体的仿真参数如下： (1) 信号调制方式为北斗 PRN 码扩频之后再进行 MBOC(6,1,1/11)副载波调制。 (2) 相位时延为 7 个码片。 (3) 多普勒频移为 175Hz。 3.2 仿真结果 100 105 - 4 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 8 x 10 4采样时的捕获仿真结果 2.5 2 1.5 1 0.5 0 果结 T F F 100 200 300 频偏/Hz 400 500 600 图 5 改进的基于变换域的时频同时捕获算法的仿真结果各个信噪比下的漏检概率曲线 110 -0.5 -1 -1.5 0 10-1 10-2 10-3 率概检漏 10-4 -30 -29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -22 -21 -20 信噪比/dB 图 6 改进算法的漏检概率仿真图 - 5 -

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 0 10 -1 10 10-2 率概警虚 10-3 10-4 -30 各个信噪比下的虚警概率曲线 -29 -28 -27 -26 -25 -24 -23 -22 -21 -20 信噪比/dB 图 7 改进算法的虚警概率仿真图 115 120 125 从图 5 可以看出，在-30dB 的低信噪比下，改进后的捕获算法仍然能正常工作，具有很高的捕获精度。从图 6 和图 7 可以看出，该码片级处理系统在-20dB 的一般接收环境下的漏检概率和虚警概率都表现良好，符合接收机性能的要求。 4 结论本文对于传统的基于变换域的捕获算法提出了优化方案，将分组同步的理论应用到北斗扩频码的相关运算中，大大降低了捕获算法的硬件实现复杂度。针对北斗卫星信号自相关特性有较大旁瓣的问题，本文借鉴 BOC(n,n)信号的跟踪优化算法，利用 BOC 信号自相关函数的特点以及 BOC 信号和扩频码 PRN 序列的互相关函数的特点，提出了用于 MBOC(6,1,1/11) 相关检测的公式，有效的抑制了旁瓣。仿真结果表明，这些改进确实能够提高捕获精度，达到了预期的目的。下一步的工作将继续深入研究北斗卫星接收系统中的各个模块，以期能找出更多的优化方案，进一步提高北斗卫星接收系统的性能。 130 [参考文献] (References) [1] 陈友坚. BD/GLONASS 卫星接收机基带处理研究[D]. 西安：西安电子科技大学，2008. [2] 应士君，邹绪平，刘卫，王坤. 基于北斗二代系统的船用导航仪硬件设计及关键算法研究[J]. 科学技术与工程，2012，12（9）：2238-2240. [3] 李豹，许江宁，曹可劲，朱银兵. 北斗二代导航信号抗多径性能分析与仿真[J]. 中国惯性技术学报，2012， 20（3）：340-342. [4] 郝建军，何秋生，李辉，程亚奇，王立军. 伽利略系统 BOC 信号的特性及码跟踪方法研究[J]. 电光与控制，2007，14（4）：140-143. [5] 侯维玮. 高灵敏度 GNSS 捕获技术研究[D]. 浙江：浙江大学，2010. [6] 刘艳，廖炳瑜，袁洪. Galileo 系统 BOC(1，1)信号码跟踪算法研究[J]. 计算机仿真，2010，27（5）：42-45. 135 140 - 6 -

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