一种用于BDS3接收机工程实现的两级B1C信号捕获技术

第 ４４ 卷 第 １ ２０１９ 年 ２ 月
期
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DOI:１０．１３４４２/j．gnss．１００８Ｇ９２６８．２０１９．０１．００１
一种用于 BDSＧ３接收机工程 实现的两级 B１C 信号捕获技术
颜 舒 琳 ,丁 超
关键词:北斗三号;BOC 调制;B１C 信号;北斗接收机;信号捕获 中图分类号:P２２８������４ 文献标志码:A 文章编号:１００８Ｇ９２６８(２０１９)０１Ｇ０００１Ｇ０９
０ 引 言
中国北 斗 三 号 卫 星 导 航 系 统 (BDSＧ３)发 布 了 一种 名 为 B１C 的 现 代 民 用 GNSS 信 号．与 之 前 的 B１I信号相比,它 采 用 了 更 新 颖 的 信 号 设 计 方 法, 用 以 满 足 不 断 增 长 的 服 务 需 求 ．这 些 方 法 包 括 用 于 增 强 卫 星 信 号 之 间 的 互 相 关 性 能 的 较 长 扩 展 码 ,用 于 加 速 比 特 同 步 过 程 的 二 次 编 码 ,以 及 不 携 带 数 据 信 息 以 提 高 捕 获 灵 敏 度 的 导 频 分 量 ．虽 然 信 号 的 新 设 计 方 法 可 改 善 信 号 捕 获 性 能 ,但 同 时 带 来 了 一 系 列 问 题 ,使 信 号 捕 获 技 术 的 实 现 更 加 困 难 ．为 此 ,在 设 计 新 型 北 斗 接 收 机 的 捕 获 技 术 时 ,需 考 虑 三 大 问 题．
(青岛杰瑞自动化有限公司,山东 青岛２６６０６１)
VoFle．b４４,２,０N１o９．１
摘 要:北斗三号卫星导航系统(BDSＧ３)B１C 信号相较北斗二号卫星导航系统卫星信号, 从信号 结 构、编 码 方 式 再 到 导 航 电 文 结 构 都 发 生 了 改 变,包 括 引 入 导 频 信 号、二 次 编 码、BOC 调制、LDPC 编码和 BＧCNAV１导航电文结 构 等．这 些 改 变 一 方 面 提 高 了 信 号 性 能 (如 抗 多 路 径、信号捕获和跟踪精度等);另一方面,也带来了一 系 列 问 题,对 接 收 机 的 信 号 捕 获 技 术 提 出 了全新的要求,如需处理更大的数据流,解决由二 次 编 码 带 来 的 符 号 翻 转 和 BOC 调 制 造 成 的 捕获多峰性问题．针对 BDSＧ３接收机的工程实 现,本 文 提 出 了 一 种 新 颖 有 效 的 两 级 B１C 信 号 捕获技术．其中第一阶段采用扩展并行平均相关搜 获 结 构,用 以 解 决 符 号 翻 转 问 题,同 时 实 现 高 效 的 信 号 粗 捕 获 ;第 二 阶 段 在 缩 小 的 搜 索 范 围 内 进 行 高 精 度 搜 索 ,此 步 骤 可 有 效 避 免 信 号 多 峰性造成的误锁可能．除此之外,本文还介绍了单信 道 和 多 信 道 组 合 式 捕 获 技 术,用 户 可 根 据 资 源 占 用 和 捕 获 灵 敏 度 需 求 选 取 更 有 效 的 捕 获 方 法 ．实 验 结 果 表 明 ,本 文 提 出 的 方 法 允 许 使 用 更 小 更 经 济 的 快 速 傅 里 叶 变 换 (FFT)模 块 ,并 通 过 大 量 并 行 处 理 的 方 法 实 现 快 速 捕 获 ．相 较 传 统的高精度捕获技术,此方法在采样频率超过５０ MHz时,能够在保证相近的捕获精度的同时 减 少 至 少 ６１％ 的 运 算 行 相 关 ．此 方 法 由 于 增 加 了 数 据 长度,故大大增加 了 计 算 复 杂 度,并 且 由 于 仅 使 用 了一 半 的 信 号,因 此 该 方 法 效 率 不 高．之 后,文 献 [４Ｇ９]提 出 了 通 过 将 相 关 周 期 分 成 一 组 子 相 关 的 方 法 来 提 高 搜 索 效 率 ,再 通 过 组 合 子 相 关 结 果 的 方 法 避 免 灵 敏 度 的 衰 减 ．这 类 技 术 可 同 时 实 现 多 个 较 短 信号的相关运算,因此利于实际接收机采用 FPGA 的 工 程 实 现 ．此 外 ,文 献 [１０Ｇ１１]引 入 了 两 级 搜 索 的 技 术 方 案 来 克 服 符 号 翻 转 问 题 ．这 类 技 术 是 基 于 符 号翻转可引起多普勒频移而不影响码相位的假设 提出的．据此,这些 技 术 在 第 一 步 中 先 找 到 正 确 的 码相位,第 二 步 在 正 确 的 码 相 位 上 搜 索 多 普 勒 频 率．这些方法可有 效 实 现 强 信 号 的 捕 获,而 计 算 复 杂度仍相对较高．
学者们已经提出了各种技术来克服该 问 题 ． [１] 其中,最直接的 解 决 方 案 是 [２Ｇ３] 通 过 将 长 度 为 两 个 主码周期的卫星信号与等长补零的一个主代码周
收 稿 日 期 :２０１８Ｇ１０Ｇ２８ 通信作者:颜舒琳 EＧmail:shuliyan０９＠１６３．com
２
全 球 定 位 系 统
B１C 信号的扩展码由主码和副码的乘法构成, 其 中 每 个 副 码 码 片 覆 盖 一 个 主 码 周 期 ．副 码 是 导 频 信道中的一种短 PRN 代 码,但 在 数 据 信 道 中 是 恒 定 值 ．二 次 编 码 会 使 导 频 信 道 的 搜 索 过 程 存 在 符 号 翻转问题,但不会影响数据信道．然而,B１C 信号以 与 副 码 相 同 的 速 率 播 发 导 航 消 息 ,因 此 符 号 翻 转 问 题也存在于数据信道中．
１)符 号 翻 转 问 题 基于快速傅 里 叶 变 换 (FFT)的 快 速 捕 获 技 术 在 当 前 接 收 机 实 现 中 非 常 流 行 ．与 常 见 的 串 行 搜 索
捕获技术相比,它 可 以 大 大 加 快 搜 索 速 度,并 且 易 于在接收机硬件和软件中实现．基于 FFT 的 捕 获 方 法 等 效 于 循 环 相 关 技 术 ,故 在 积 分 周 期 内 发 生 的 符 号 翻 转 会 引 起 捕 获 性 能 的 下 降 ,特 别 是 当 翻 转 出 现在码 周 期 １/２ 处,相 关 峰 极 可 被 底 噪 淹 没,使 卫 星信号无法被探测到．