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一种避免二次编码跳变影响的“北斗”弱信号捕获算法

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电讯技术 2021年第6期61卷 722-727页

作者：李孟恒劳源基王中豪覃团发广西大学计算机与电子信息学院南宁530004 广西大学广西多媒体通信与网络技术重点实验室南宁530004

在现阶段,“北斗”B1I信号在D1导航电文中引入现代化GPS和Galileo系统常用的二次编码调制,使得比特跳变周期变短,降低了系统的捕获灵敏度。为解决上述问题,提出了一种基于码元排布顺序的改进相干累积捕获算法,通过分组来遍历并统计一个... 详细信息

在现阶段,“北斗”B1I信号在D1导航电文中引入现代化GPS和Galileo系统常用的二次编码调制,使得比特跳变周期变短,降低了系统的捕获灵敏度。为解决上述问题,提出了一种基于码元排布顺序的改进相干累积捕获算法,通过分组来遍历并统计一个数据段的累加和相关值,并且采用一种改进的判决方法进行双重判决,最终确定其中最大相关值并完成捕获。此方法有效延长了积分长度,克服了因Neumann-Hoffman(NH)码造成的相干累积时间过短的缺陷,能改善在低信噪比环境下的信号捕获能力。在高斯白噪声模型下对各个捕获算法进行的仿真对比结果表明,所提算法在低信噪比(-36~-34 dB)情况下,与补零算法相比,信号捕获灵敏度有约1.7 dB的提升。

关键词： “北斗”信号弱信号捕获 NH码相干累积判决算法

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一种改进FFT弱信号捕获算法研究

制造业自动化 2014年第6期36卷 1-3页

作者：刘富星任全会郑州铁路职业技术学院 450052

为了解决传统的弱信号捕获算法灵敏度和运算效率低的问题,文章提出了一种改进FFT弱信号捕获算法。该算法是基于FFT捕获方法的,改进了传统FFT捕获算法。改进的算法充分利用批处理的方法和SINC内插算法,并且增加了多普勒补偿技术,这样可... 详细信息

为了解决传统的弱信号捕获算法灵敏度和运算效率低的问题,文章提出了一种改进FFT弱信号捕获算法。该算法是基于FFT捕获方法的,改进了传统FFT捕获算法。改进的算法充分利用批处理的方法和SINC内插算法,并且增加了多普勒补偿技术,这样可以提高信号累加时间容限,同时提高了捕获增益和信号捕获灵敏度。测试结果表明,和传统的FFT弱信号捕获算法相比,该算法弱信号捕获的概率大大增加。

关键词： FFT 弱信号捕获 SINC内插多普勒补偿

“北斗二代”B1频段弱信号捕获技术研究与实现

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“北斗二代”B1频段弱信号捕获技术研究与实现

作者：璩莹莹西安电子科技大学

学位级别：硕士

北斗卫星导航系统作为我国具有自主知识产权并独立运行的全球导航定位系统，已拥有覆盖亚太大部分地区的区域服务能力。基于北斗系统的位置服务应用需求急剧增加，在室内、城市等弱信号环境下新的导航定位技术已成为研究热点，弱信号的... 详细信息

北斗卫星导航系统作为我国具有自主知识产权并独立运行的全球导航定位系统，已拥有覆盖亚太大部分地区的区域服务能力。基于北斗系统的位置服务应用需求急剧增加，在室内、城市等弱信号环境下新的导航定位技术已成为研究热点，弱信号的捕获技术是关键技术之一。针对“北斗二代”B1频段弱信号的捕获问题，在对北斗导航系统和信号结构掌握的基础上，结合GPS弱信号捕获方法，分析了多普勒频移对测距码的影响和霍夫编码调制对相干积分的影响;提出最优化差分相干估计法和本地NH码调制伪码相干法两类方法，并对各个方法的具体参数进行分析和总结。在MATLAB环境下，通过对实际采集数据的处理，对所提方法进行了验证和对比分析，得到正确的码相位和多普勒频偏，而且捕获效果比普通方法更为显著。测试结果证明本文所提方法有效且可实施。最后，介绍了基于DSP开发平台的硬件环境、软件方法及采用本地NH调制伪码的差分非相干法的具体步骤，并对该方法进行了验证。

关键词：北斗卫星导航系统弱信号捕获差分相干本地NH码调制伪码 DSP

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GNSS弱信号捕获与跟踪

GNSS弱信号捕获与跟踪

作者：范曹明山东科技大学

学位级别：硕士

为促进GNSS发展,美国联邦通讯委员会(Federal Communications Commission,FCC)和欧洲委员会(European Commssion,EC)分别在 1996 年和2003年颁布了行政性命令Enhanced911(E911)和EI12,要求将导航接收机集成到移动电话中,为用户提供定位和紧急呼叫服务。一般的GNSS接收机难以满足对室内GNSS定位的新要求,这给接收机的设计带来了诸多的新挑战。在室内、密集城区等复杂环境中,遮挡、多径和干扰等现象较为严重,GNSS信号功率会严重衰减,比正常信号低20-30dBm,所以接收机很难捕获到这些弱信号,即使捕获上,跟踪精度也难以保证。因此本文围绕弱信号的捕获和跟踪展开研究,主要工作如下:(1)推导了相干积分/非相干积分组合时的捕获概率与门限的关系。给出了一种全比特相干积分方法,并对此方法进行了优化,使得计算复杂度大大降低,仿真验证了此方法的正确性。(2)介绍了适用于弱信号的载波鉴频器,如NSFM、FFT鉴频器。改进了FFT鉴频器频率精化方法,并进行了蒙特卡洛仿真,分析他们的性能。FFT鉴频器更易受噪声影响,在载噪比大于***时,FFT-Refine比FFT-Coarse精度高,且随着载噪比的提高,FFT-Refine的精度非常高,数据长度对精度基本没有影响,而FFT-Coarse的精度主要受限于数据长度。而NSFM-Coherent对载噪比变化不敏感,在载噪比高于***时,NSFM-NonCoherent比NSFM-Coherent精度高,且NSFM-NonCoherent不受比特翻转影响。(3)提出了一种在强信号干扰弱信号的情况下,消除强信号干扰的方法。其主要思想就是从原始信号中去除强信号,此方法仅需要求得强信号的载波频率和码相位,分析了强信号跟踪误差对此干扰消除方法的影响。从理论分析和仿真实验验证了本方法的有效性。

关键词：弱信号捕获弱信号跟踪干扰消除鉴频器

TC-OFDM室内定位接收机的弱信号捕获算法研究与实现

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TC-OFDM室内定位接收机的弱信号捕获算法研究与实现

作者：刘志超北京邮电大学

学位级别：硕士

随着社会经济的高速发展,位置服务(LBS,Location Based Service)已融入人们的日常生活中。GNSS(Global Navigation Satellite System)信号能够为人们提供室外位置服务,但难以实现室内环境的定位功能。本文研究的 TC-OFDM(Time&Code Divi... 详细信息

随着社会经济的高速发展,位置服务(LBS,Location Based Service)已融入人们的日常生活中。GNSS(Global Navigation Satellite System)信号能够为人们提供室外位置服务,但难以实现室内环境的定位功能。本文研究的 TC-OFDM(Time&Code Division-Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系统是基于无线广播的定位系统,能够实现广域米级高精度室内外位置服务。TC-OFDM系统使用室外基站播发定位信号,同时使用室内信号增补器增加室内定位信号强度和覆盖范围。但在某些特殊场景(如火灾)下,室内信号增补器将不可用。因此,本文提出了室内信号增补器不可用和可用两种情况下的捕获方法,分别对应第一类和第二类定位接收机。在室内增补器不可用时,解决定位接收机难以捕获微弱信号的问题;在室内增补可用时,针对信号捕获算法存在寄存器资源消耗大的不足进行改善。具体研究内容和成果如下:1、针对第一类接收机对微弱信号捕获能力不够的问题,提出了一种基于噪声功率补偿的差分相干累积的捕获算法。该算法从差分相干积分结果中估算出噪声功率值,利用该值对一个周期内的积分结果进行补偿。仿真结果表明,相较于现有的差分相干累积算法,该算法有效提升现有定位接收机捕获灵敏度2dB,成功捕获到CNR(Carrier Noise Ratio)为29dB·Hz的定位信号,可用于消防救援等特殊场景。2、针对第二类定位接收机信号捕获算法硬件存储资源消耗大的问题,提出了一种基于块平均的PMF-FFT(Partial Matched Filters-FastFourierTransformation)弱信号捕获算法。该算法用块平均处理模块加单段长度的PMF,代替现有系统中5段长度的PMF,以降低现有PMF模块带来的系统存储资源的消耗。仿真结果表明,该算法可以成功捕获到CNR为39dB·Hz定位信号,满足第二类接收机的应用需求。同时,较改进前算法,该算法在不损失捕获灵敏度的情况下,节省系统硬件存储资源28.9%。3、采用FPGA+ARM架构,搭建了适合上述两类场景的TC-OFDM系统定位接收机验证平台。将本文提出的两种捕获算法在对应的平台上进行实现与验证。实验结果表明,基于噪声功率补偿的差分相干累积算法和基于块处理的PMF-FFT捕获算法成功实现上述性能,能够满足不同的应用需求。

关键词： TC-OFDM 室内定位弱信号捕获 PMF-FFT 差分相干累积

基于DSP的GNSS弱信号捕获算法的研究与实现

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基于DSP的GNSS弱信号捕获算法的研究与实现

作者：谢松哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

在现代社会中,卫星导航技术得到了广泛的应用。然而在一般的室内环境下信噪比比较低,传统的接收技术无法使接收机正常工作。因此,在微弱信号环境下,提供快速准确定位服务受到极大地推崇。信号捕获是微弱GPS信号处理技术的核心环节。传... 详细信息

在现代社会中,卫星导航技术得到了广泛的应用。然而在一般的室内环境下信噪比比较低,传统的接收技术无法使接收机正常工作。因此,在微弱信号环境下,提供快速准确定位服务受到极大地推崇。信号捕获是微弱GPS信号处理技术的核心环节。传统的捕获方法只适用于室外开阔的环境中,难以实现对弱信号的捕获。据此,本文对高灵敏度软件接收机的捕获算法进行了理论研究和实现。本文首先介绍了GPS卫星系统的组成和卫星信号特点,描述了GPS中所用C/A码的产生过程以及相关特性。同时对由卫星和接收机之间的相对运动产生的载波多普勒频移也进行了说明。接着介绍了GPS信号的捕获技术。对软件接收机中常用的循环相关捕获算法进行了介绍。要提高接收机的灵敏度,降低噪声,增加处理增益,就要进行累积。对常见的相干累积、非相干累积和分相干累积算法进行了仿真和分析,比较了它们的性能。然后本文在对捕获GPS弱信号常用的半比特法、全比特法和估计最佳导航数据位组合的圆周算法进行分析的基础上,提出了一种改进的差分相干累积算法,它通过估计相邻导航数据位乘积的组合使得长时间的相干累积也可应用于差分算法中。仿真结果说明改进的差分算法,在计算量没有显著增长的情况下,减小了半比特、全比特算法中的平方损耗,提高了接收机的灵敏度。最后,介绍了关于DSP的基本知识和DSP软件的开发方法,选择了捕获方案,并通过Matlab软件对其进行了仿真。给出了捕获算法的程序基本流程,完成了CCS环境下的C程序及相关文件的编写,在DSP平台上验证了捕获算法。

关键词：软件接收机弱信号捕获 DSP 差分累积

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GNSS弱信号捕获算法研究

GNSS弱信号捕获算法研究

作者：卢涛电子科技大学

学位级别：硕士

在强噪声环境下,导航接收机接收到的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)信号非常微弱。如何在弱信号场景下提高接收机灵敏度,保证定位服务的可靠性是当前研究的重点和热点。本文以弱信号为研究对象,围绕着捕获... 详细信息

在强噪声环境下,导航接收机接收到的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)信号非常微弱。如何在弱信号场景下提高接收机灵敏度,保证定位服务的可靠性是当前研究的重点和热点。本文以弱信号为研究对象,围绕着捕获算法展开研究。本文首先对GNSS中频信号建模,分析了几种传统捕获算法原理,并对信号衰减原因进行了讨论。之后介绍了常见的积分和克服比特跳变的方法,其目的都是为了加长信号积累时间,从而实现弱信号的捕获。随后本文研究了基于随机共振的微弱周期信号检测方法,通过调节非线性系统参数,可以使得系统、噪声和信号发生协同作用,能够增强系统输出信噪比。然后本文改进了部分匹配滤波和FFT相结合(Partial Match Filter-Fast Fourier Transform,PMF-FFT)的算法,通过补零可以有效抑制捕获算法的扇贝损失。将数据进行分块,利用差分得以检测信号发生符号反转的位置,能够大幅度增加积分时间。文章主要针对改进后算法的捕获灵敏度进行仿真,实验结果表明通过补零和差分检测可以在低信噪比下实现信号捕获,较改进前算法灵敏度也有很好的提升。最后,文章提出了一种基于随机共振的弱信号捕获算法,分析了算法流程,并对主要部分的原理进行了详细说明。利用信号和本地伪码延时相乘再做相关可以获取码相位信息,然后对信号预处理后通过随机共振系统,根据输出频谱捕获多普勒频率。仿真表明,相比于直接FFT运算,随机共振至少有2 d B的捕获增益。并且通过估计数据位和利用频率补偿可以平衡计算复杂度和捕获精度,也能进一步提高码相位的捕获灵敏度。

关键词：全球定位系统弱信号捕获随机共振延时相乘比特符号翻转

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GNSS系统弱信号捕获技术研究

GNSS系统弱信号捕获技术研究

作者：周金广东工业大学

学位级别：硕士

全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)发展至今,美国的GPS导航系统已经深入而广泛的应用到各个领域,俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO系统以及我国正在发展的北斗导航系统等也逐渐普及。目前导航定位技术在诸多领... 详细信息

全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)发展至今,美国的GPS导航系统已经深入而广泛的应用到各个领域,俄罗斯的GLONASS、欧盟的GALILEO系统以及我国正在发展的北斗导航系统等也逐渐普及。目前导航定位技术在诸多领域都担任着重要的角色,人们对于导航定位技术的要求给导航定位技术带来极大挑战。多数应用中需要有GNSS系统的精确定位。信号同步过程是GNSS系统能精确定位的前提,要实现信号的同步,首先要完成捕获过程,然后才能进入跟踪阶段。但低轨道处的GNSS系统由于其传播信道的复杂性,在传播过程中容易受到大幅度衰减以及噪声的影响,到达地面的信号可能经历反射、折射等环境因素的干扰,加上接收机的快速移动问题,从而产生各种衰落,导致存在着较大的多普勒频偏及码延迟。这样,接收码和本地伪码同步过程中的相关峰值将会急剧下降,GNSS接收机对伪码捕获的难度加大,捕获时间延长。且由于无线设备接收到的信号功率非常低,通常载噪比C/N。小于25dB-Hz,传统的GNSS信号接收机甚至无法正常工作。因此,在弱信号环境下,实现伪码和多普勒频偏的快速捕获,无论在民用领域或是军事领域都具有重要的研究意义。目前,GNSS弱信号捕获主要可分为辅助型和无辅助两种,而无辅助的GNSS弱信号捕获技术主要以提高信号处理增益和合理选择捕获策略为主。针对以上问题,本文就基于PMF-FFT的弱信号捕获算法进行优化,再将基于PMF-FFT的码捕获算法与几种频偏估计算法进行结合,对联合捕获算法进行加窗减少扇贝损失,改善频偏对捕获概率的影响。并在不同的移动速度下,通过MATLAB仿真结果找出该速度和环境下最合适的捕获方法。本文的主要工作可以概括为以下四点：1.深入研究GNSS信号结构及捕获定位技术,并建立数学模型;2.分析部分匹配滤波PMF的原理以及用于捕获算法中的优势;3.总结分析现有的GNSS系统弱信号环境下基于部分匹配滤波的码捕获算法;4.对弱信号条件下基于PMF-FFT的码和多普勒联合捕获算法进行加窗处理,减小扇贝损失,提高检测概率,并在不同移动速度下对比仿真结果选择最优捕获算法。

关键词： GNSS 弱信号捕获 PMF-FFT 加窗

“北斗二代”B1频段D2弱信号捕获算法研究及其FPGA验证系统实现

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“北斗二代”B1频段D2弱信号捕获算法研究及其FPGA验证系统实现

作者：朱惠敏东南大学

学位级别：硕士

卫星导航在人类发展历史中起着相当重要的作用,而北斗导航卫星系统以其独特的优势,已经在多个行业和居民生活领域得到了广泛的应用。室内、森林和城市等环境下定位导航需求在不断地增加,而在这些环境中,由于受到多径传播和穿墙损耗等因... 详细信息

卫星导航在人类发展历史中起着相当重要的作用,而北斗导航卫星系统以其独特的优势,已经在多个行业和居民生活领域得到了广泛的应用。室内、森林和城市等环境下定位导航需求在不断地增加,而在这些环境中,由于受到多径传播和穿墙损耗等因素的影响,接收到信号的功率被大大地减弱。此时,普通的北斗接收机很难捕获到正确的信号。因此,解决微弱环境下北斗信号的正确接收十分重要。本文主要研究北斗二代B1频段D2弱信号的捕获。在深入理解北斗二代导航原理及B1频带D2信号结构的基础上,研究了传统信号捕获技术,包括串行捕获算法、时域并行捕获算法和频域并行捕获算法,以及弱信号常用的捕获方法,包括增长积分时间和差分相干积分。分析比特反转对信号捕获带来的影响,研究并仿真了存在比特翻转时域并行捕获(Time Parallel Acquisition with Bit Transition,TPABT)算法,对结果进行分析,达到了虚警概率为10情况下,捕获概率在0.99以上的指标。在ISE Design Suite 14.7平台上利用Verilog-HDL语言实现了TPABT算法FPGA验证的设计,使用chipscope完成了TPABT算法在Xilinx xc7vx485t-2ffg1761型号评估板上的板级验证,结果符合设计要求。目前,国内外对北斗卫星弱信号捕获技术的研究还比较少,而本文研究的TPABT捕获算法可以应用到北斗接收机,实现高楼、森林林立等环境中的弱信号的捕获,进而有望加快形成北斗完整的卫星导航产业链,为交通、电力、通信、金融等领域的应用提供更好的保障措施。

关键词：北斗二代B1I信号弱信号捕获比特翻转 TPABT算法 FPGA