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北斗二代导航接收机基带处理的算法与实现

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硕士
专业学位类别
工程硕士
电子与通信工程 2015.03
论文答辩日期
2015.05 2015 年 6 月
学位授予单位和日期 答辩委员会主席《国际十进分类法 UDC》的类号。
ALGORITHM AND IMPLEMENTATION OF BASEBAND PROCESSING OF BEIDOU 2ND NAVIGATION RECIVER
电 子 科 技 大 学
UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA
专业学位硕士学位论文
MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE
（电子科技大学图标）
论文题目
北斗二代导航接收机基带处理 的算法与实现
专业学位类别 学 号
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。
II
ABSTRACT
detailed analyses the important modules of the design scheme of digital baseband processing and gives the actual interface list, ideas for design, module structure. we describe the process of its implementation and use Modelsim to simulate the code. In the end, the paper gives the resource usage, the hardware simulation results, comprehensive report and validates the performances of the algorithm. Keywords: Second generation of beidou, Receiver, Baseband signal proceecing, Signal capture, Signal track, FPGA
作者签名：
日期：
年
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日
论文使用授权
本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 （保密的学位论文在解密后应遵守此规定） 作者签名： 导师签名： 日期： 年 月 日
工程硕士 201222010645 郭峻峰 武 畅 副教授
作 者 姓 名 指 导 教 师
分类号 UDC 注 1
密级
学
位
论
文
北斗二代导航接收机基带处理 的算法与实现
（题名和副题名）
郭峻峰
（作者姓名）
指导教师
武
畅
副教授 成 都
电子科技大学
（姓名、职称、单位名称）
申请学位级别 工程领域名称 提交论文日期
摘要
摘
要
伴随着信息技术的高速发展，卫星定位导航技术在导航、测绘、天文、军事、 通讯等不同领域得到推广，许多地区和国家都在进行卫星导航接收机的开发。随 着北斗系统空间信号接口控制（ICD）文件的公布，我国自主研发的“北斗二代” 导航系统也逐步完善。基带信号处理部分的研究对发展我国未来卫星导航产业有 非常重要的意义，是北斗二代导航接收机性能好坏的关键。为此，本文重点研究 基带信号处理中的信号捕获和跟踪算法，然后用硬件描述语言设计各个模块并进 行仿真验证。主要工作表现在以下方面： 首先，本文介绍了北斗二代信号的特点、调制方式和构成，分析了导航电文、 载波、伪随机码的结构与生成；然后阐述了接收机结构、定位原理、原始观测量 的捕捉以及下变频理论基础；最后根据理论分析在 Simulink 平台中搭建了北斗二 代导航系统的发送端模型和接收端模型。 其次，本文研究了北斗二代信号基带数据处理中的捕获原理和算法。分析和 比较时域串行相关捕获算法、基于匹配滤波器的捕获算法、基于快速傅立叶变换 的并行捕获算法以及基于 PMF/FFT 的并行捕获算法。重点对基于 PMF/FFT 的算 法进行建模仿真。然后研究了北斗二代信号跟踪原理和算法，分析了载波跟踪环 和码跟踪环的结构以及特点，设计了跟踪算法的整体框架，并根据理论分析在 Simulink 平台中搭建了跟踪算法模型。 最后，本文给出了硬件设计方案，利用 Verilog HDL 语言在 FPGA 硬件平台对 算法进行逻辑实现。然后对设计的数字基带处理实现方案中的重要模块进行详细 分析，给出设计思路、模块结构、实际接口列表，并对实现过程进行阐述，再用 Modelsim 对代码进行功能仿真。最后给出了硬件仿真结果、综合报表、资源使用 情况，验证了算法的性能。 关键词：北斗二代，接收机，基带信号处理，信号捕获，信号跟踪，FPGA
I
ABSTRACT
ABSTRACT
With the rapid development of modern information technology, satellite navigation and positioning technology can be extended to the different fields such as navigation, surveying and mapping, astronomy, military and communication. Many regions and countries are engaged in the development and application of satellite navigation receiver. With the publishing of the ICD files of beidou satellite navigation system, the second generation of beidou navigation (BD2) system which is researched and developed independently in China is also gradually completely. As the key performances of the BD2 receiver, the study of baseband signal processing part has very important meaning in the development of satellite navigation industry in the future. Therefore, this article focuses on signal capturing and tracking algorithm in baseband signal processing. Then we design modules with the hardware description language for simulation. The points of the work are included in the following three aspects: First of all, this paper introduces the features, modulation mode and structure of the BD2 signals. And it analyses the organization and generation of navigation message, carrier, pseudo-random code. Then this paper expounds the structure of receiver, positioning principle, the catch of the original observation and the basis of the down converter theory in detail. In the end we build the sender model and the receiver model of the BD2 system in the Simulink platform according to the theoretical analysis. Secondly, this paper studies the principle and algorithm of baseband data processing of the BD2 signal capturing. Then we analyse and compare the time serial domain correlation capture algorithm, the parallel capture algorithm based on matched filter, the parallel capture algorithm based on FFT, the parallel capture algorithm based on PMF/FFT. And we respectively analyse the modeling and simulation result of the PMF/FFT algorithm. Then the paper researches the principle and algorithm of the BD2 signal tracking and respectively analyzes the structure and characteristics of the carrier tracking loop and code tracking loop. Then paper designs the whole framework of the tracking algorithm and sets up the tracking algorithm model in Simulink platform according to the theoretical analysis. Finally, this paper puts forward the hardware design scheme and realizes the algorithm with Verilog HDL language logic on the FPGA hardware platform. Then it

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北斗基带芯片

北斗基带芯片

北斗基带芯片北斗基带芯片（Beidou Baseband Chip）是指用于处理北斗卫星信号的一种集成电路芯片。

北斗导航系统是由中国自主研发的全球卫星导航定位系统，它可以为全球用户提供高精度、高可靠的导航、定位和授时服务。

而北斗基带芯片则是北斗导航系统中的核心组件之一，它负责将接收到的卫星信号处理成可用的导航、授时等相关信息。

北斗基带芯片的主要功能有以下几个方面：1. 卫星信号接收与解调：北斗基带芯片能够接收北斗卫星发射的信号，并对其进行解调。

它可以提取出信号中的导航、定位和授时等基本信息，并将其传递给其他模块进行进一步处理。

2. 导航计算与定位：北斗基带芯片通过对收集到的卫星信号进行计算和分析，能够确定接收器所处的位置和速度。

它可以通过多普勒效应、时差测量等技术来实现高精度的导航和定位功能。

3. 数据处理与通信：北斗基带芯片还具备数据处理和通信的能力。

它可以将处理得到的导航、定位等信息进行编码和解码，并与其他设备进行数据传输和通信。

这样，在车辆导航、物流追踪等应用场景中，北斗基带芯片可以与其他设备相互配合，实现信息的传递和交互。

4. 兼容性与多模态支持：北斗基带芯片通常具备兼容多种导航系统的能力，包括GPS、GLONASS等。

它能够同时接收多个导航系统的信号，并提供多模态的导航和定位服务。

这样，用户可以根据实际情况选择最适合的导航系统，并获得更加准确和可靠的定位结果。

在北斗基带芯片的应用方面，主要有以下几个领域：1. 车载导航与车联网：北斗基带芯片可以用于车辆导航和车联网系统中，提供高精度的定位和导航服务。

它可以帮助车辆准确掌握自己的位置和行驶路线，提供实时的交通信息和导航引导，提高驾驶安全性和行程效率。

2. 物流追踪与供应链管理：北斗基带芯片可以用于物流追踪和供应链管理系统中，实现货物的实时定位和追踪。

通过北斗导航系统，货物可以随时被监控和追踪，提高物流运输效率和货物安全性。

3. 农业与渔业应用：北斗基带芯片可以用于农业和渔业应用中，为农民和渔民提供导航、定位和天气等信息。

北斗B1I信号的捕获算法

北斗B1I信号的捕获算法

北斗B1I信号的捕获算法王丽黎;杨阳【摘要】北斗B1I信号的捕获是北斗2代接收机的核心模块,它是基于码相位和多普勒频移二维搜索的过程.对于捕获模块,通常采用并行码相位搜索捕获算法来实现对空中可见卫星的捕获.针对信号较弱情况下的卫星捕获,采用了非相干累加与并行码相位搜索捕获相结合的方法.测试结果表明,该捕获算法能够有效快速地实现弱信号的捕获.%BeiDou B1I signal acquisition is a hard core in a BeiDou receiver and is the two-dimension process of the search about the code delay and Doppler frequency. For acquisition, parallel search algorithm of code in frequency domain are usually adopted. For the acquisition of weak signal, a method combining non-correlation integration with parallel search algorithm of code in frequency domain was introduced. The test results show that the acquisition algorithm can effectively and quickly acquire the weak signal.【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2016(025)003【总页数】5页(P194-198)【关键词】北斗B1I信号;接收机;捕获;弱信号;非相干累加【作者】王丽黎;杨阳【作者单位】西安理工大学自动化与信息工程学院,西安 710048;西安理工大学自动化与信息工程学院,西安 710048【正文语种】中文随着我国成功将第16颗北斗导航卫星送入预定轨道, 北斗导航工程区域组网顺利完成[1]. 第2代北斗导航系统主要功能为定位、测速、单双向授时和短报文通信[2,3]. 因此, 针对北斗导航系统相应的接收技术的研究逐渐成为研究热点. 传统的接收机由射频前端、用于信号处理的ASIC以及高速运算的CPU核组成, 设计灵活性受到限制. 相比之下, 软件接收机只需对软件修改便可对接收机进行优化升级, 则更具有方便性和灵活性[4,5].在接收机内, 完成信号捕获是信号处理的第一步, 信号捕获重在估计两个重要参数: 一个是C/A码周期的开始, 另一个是输入信号的载波频率, 获得导航卫星信号的载波频率(或称为载波多普勒频移)和码相位这两个参数的粗略值, 然后跟踪过程则利用这些粗略值进一步得到频率和码相位的精确值并进而解算出导航电文. 因此对接收机性能好坏影响较大的是捕获跟踪算法的好坏[6,7].本文在详细分析了并行码相位搜索捕获算法原理的基础上, 为了能更好的实现对弱信号的捕获, 将并行码相位搜索捕获算法与非相干累加相结合, 不但提高捕获效率, 降低了噪声干扰, 而且有效的提高了弱信号的捕获.目前北斗2代播发B1、B2、B3三个频段的信号, 其信号复用方式为码分多址, 其中B1(1561.098 MHz)信号由I、Q两条支路的测距码和导航电文正交调制在载波上构成. 调制在B1频率上的信号可表示为式(1):其中上角标j表示卫星序号; AB1分别表示B1信号幅度; 分别表示B1信号测距码; 分别表示调制在B1测距码上的导航电文数据码; 表示B1信号载波频率; 表示B1信号载波初相.CB1I码的码速率为2.046 Mcps, 码长为2046, 码宽为488.7 ns(1/2.046 MHz). CB1I码发生的结构如图1所示, 其是由两个线性序列G1和G2模2和产生均衡Gold码后截短1个码片后生成. G1和G2序列分别由两个11级的线性移位寄存器生成, 其生成多项式如式(2)、式(3)所示.(2)(3)G1序列初始相位为************;G2序列初始相位为************.通过对产生G2序列的移位寄存器不同抽头的模2和可以实现G2序列相位的不同偏移, 与G1序列模2和后可生成不同卫星的测距码. 而之所以用这种码传输信号, 就是因为其良好的自相关和互相关特性.图1 CB1I码发生器示意图2 北斗2代B1信号CB1I码的捕获由于CB1I码除了自身完全对齐的情况外, 其余情况几乎是不相关的, 这种特性使得很容易找出两个完全对齐的相同的CB1I码. 捕获过程正是利用其这一特点.2.1 CB1I码的捕获接收机的信号捕获过程一般通过对卫星信号的载波频率和码相位进行扫描式搜索来完成. 捕获的目的就是为了对输入信号和一个测距码序列做相关运算. 并行码相位搜索捕获算法实际上是利用傅里叶变换这种数字信号处理技术来替代数字相关器的相关运算, 而我们需要证明一下两者的等价性.两个长度同为N的有限长序列和的离散傅里叶变换和计算如式(4)、式(5)所示.(4)(5)两个长度同为N的有限长序列和的循环互相关计算如式(6)所示.(6)下面的分析中均省略了中的缩放因子1/N, 的N点离散傅里叶变换计算如式(7)所示.(7)其中是的复共轭. 由式(7)可知, 两个序列与在时域内做相关运算, 相当于它们的离散傅里叶变换与在频域内做乘积运算. 于是倒过来, 乘积的离散傅里叶反变换正好是接收机需要进行检测的在各个码相位处的相关值. 一旦接收机通过傅里叶反变换计算得到相关值, 那么接下来的信号检测就同线性搜索捕获法一样, 即找出在所有搜索单元中自相关幅值的峰值, 并将该峰值与捕获门限值相比较. 若峰值超过捕获门限值, 则接收机捕获到了信号.图2 并行码相位搜索捕获算法原理图如图2所示为并行码相位搜索捕获算法的原理图, 考虑到导航数据位存在跳变的可能, 用含导航数据位的数据进行相关运算所获得的相关峰值将会有较大衰减从而造成漏捕, 在算法实现过程中, 总是采用两段连续数据进行同步相关运算, 在得到的两组相关结果中选择最大功率能量相关峰值较大者(认为该段数据中不包含导航数据位跳变)的相关结果作为捕获判断依据[8].2.2基于非相干累加的CB1I码捕获采用1 ms时长的数据进行上述捕获的时候, 由于噪声的作用可能导致误捕, 当信号较弱时, 甚至会出现漏捕. 而且在北斗MEO/IGSO卫星B1频点信号中, 因为NH 码调制的影响, 相干累加时间不能超过1 ms. 为了提高灵敏度, 只能通过提高非相干累加次数来捕获弱信号[9], 即将相干积分结果进行平方处理后再累加, 从而获得信号增益. 其非相关累加值[10]可表示为式(8):(8)其中: 为M ms的数据信息与测距码的非相干捕获相关值. 可以看出导航电文数据位翻转对积分结果的影响被平方运算有效的降低了. 因此非相干积分可以进行积分时间超过1 ms的积分.非相干累加法消除了导航电文数据位翻转造成的影响, 同时平方运算消除了相位误差造成的副作用, 而前面提到的并行码相位搜索捕获算法通过傅里叶变换实现循环相关, 将相位域捕获过程并行化, 使得搜索量减少到了只需搜索不同的载波频率, 提高运算效率. 将非相干累加法与并行码相位搜索捕获算法相结合, 在大幅降低捕获时间的前提下, 实现了对弱信号的捕获. 其原理图如图3所示.图3 非相干累加捕获原理图通过图3可知, 非相干累加捕获的方法是将并行码相位搜索捕获算法每毫秒的捕获结果按照预先设定好的累加时间进行累加, 其累加原理如式(8)所示, 由于噪声累加的结果增大不如信号累加的结果增加的快, 使得经过一段时间累加后, 可找出明显的相关峰值.3 仿真验证在Matlab环境下对本文研究的信号捕获方案进行仿真验证. 利用卫星信号模拟器对北斗B1频点中频信号进行仿真, 仿真信号的中频频率为2.098MHz, 采样频率为8.8MHz, 仿真产生60s的数据中频信号, 信号中共调制了1号、2号、3号、4号、7号、8号、10号、12号和13号等9颗卫星信号. 信号中加入的是高斯白噪声,信噪比为-35dB. 利用生成的信号, 就可以进行捕获的仿真, 捕获程序流程图如图4所示.图4 CB1I码捕获程序流程图图5是用图1所示的CB1I码发生器产生的对应10号卫星的本地伪码, 其是由两个11级移位寄存器进行模2和生成的. 不同的卫星编号对应不同的抽头, 不同卫星对应的CB1I码则通过查表的方式就可以实现. 横坐标表示采样点数, 截取了2046个码片的前100位, 纵坐标表示CB1I码的相位幅度.图5 10号卫星本地伪码部分截图CB1I码具有良好的自相关和互相关特性, 如图6和图7所示. 除了延迟为零外, 几乎没有自相关性. 只有当本地伪码与接收到的信号的伪码序列能够对齐时才可得到最大相关值. 根据这一特性可轻易找出何时两个码是严格对齐的, 本文采用并行码相位搜索捕获也正是基于此特性. 横坐标表示码片数, 纵坐标分别表示自相关值和互相关值.图6 测距码的自相关性图7 测距码的互相关性当检测门限选用最大峰值与次大峰值的比值(大于2.5)时, 首先使用两段连续的单位数据段, 本文以1 ms数据位为单位数据段, 对其做同步相关运算即对这两段数据进行并行码相位搜索捕获, 在得到的两组相关结果中选择较大的相关峰值作为捕获判断依据进行弱信号捕获的验证结果如图8所示. 其次使用5 ms和10 ms数据进行非相干积分的弱信号捕获验证结果如图9和图10所示.图8 并行码相位搜索捕获算法捕获情况图9 进行5 ms非相干累加的捕获情况图10 进行10 ms非相干累加的捕获情况由图可以看出, 在信噪比为-35dB的情况下, 图8中仅使用并行码相位搜索捕获算法得到的最大峰值与次大峰值的比值并不是很大; 而在图9和图10中采用将并行码相位搜索捕获算法与非相干累加相结合的捕获算法, 在累加时间增大时, 该比值结果明显增加. 证明当进行非相干积分所用数据长度从1ms增加到10ms时, 信号中所有可见卫星的最大峰值与次大峰值的比值增加的都很明显, 能够实现低信噪比信号的捕获, 提高接收机的灵敏度. 当然, 也可以根据实际的需要选择合适的相干累加时间, 达到设计目的.接着再从单颗卫星角度进行研究, 以10号卫星为例, 即PRN=10, 分别进行3ms、6ms和10ms数据的相干累加, 其捕获结果如图11、图12和图13所示.图11 10号卫星进行3 ms非相干累加结果图12 10号卫星进行6 ms非相干累加结果图13 10号卫星进行10 ms非相干累加结果由图11、图12和图13可以看出, 随着捕获所用数据长度的增加, 即非相干累加数据长度增加, 噪声得到一定的抑制, 可见卫星正确相位所对应的归一化相关值也更加明显, 该部分也达到了有效地捕获弱信号的预期效果.4 结语本文研究了北斗软件接收机捕获算法, 分析了并行码相位搜索捕获算法并将其与非相干积分相结合, 并通过仿真数据对算法进行了验证. 可见非相干积分与并行码相位搜索捕获算法相结合不但捕获效率高, 而且较好地抑制了噪声信号, 有效地实现了弱信号的捕获. 对于软件接收机相关模块的研究具有一定的意义, 能够使用户在接收机算法处理和软件更新等方面具有很大的灵活性.参考文献1 何敏,葛榜军.北斗卫星导航系统及应用.卫星应用,2012, (5):19–23.2 中国卫星导航系统管理办公室.北斗导航系统发展报告.国际太空,2012,(4):6–11.3 Meng WX, Liu E, Han Sh. Resaerch and development on satellite positioning and navigation in China. IEICE Trans. Commun, 2012(E95-B): 3385–3392.4 杨东凯,张飞舟,张波译.软件定义的GPS和伽利略接收机.北京:国防工业出版社,2009.5 杨俊,武奇生.GPS基本原理及其Matlab仿真.西安:西安电子科技大学出版社,2006.6 王冰.GPS信号捕获算法的研究.电子科技,2014,27(8): 154–156.7 谢刚.GPS原理与接收机设计.北京:电子工业出版社,2009.8 黄隽祎,李荣冰,王翌等.北斗B1 QPSK调制信号的高灵敏度捕获算法.航空计算技术,2012,42(5):38–42.9 史向男,巴晓辉,陈杰.北斗MEO/IGSO卫星B1频点信号捕获方法研究.国外电子测量技术,2013,32(4):19–21.10 陈军,潘高峰,李飞,余金峰,黄静华译. GPS软件接收机基础(第2版).北京:电子工业出版社,2007.Acquisition Algorithm of BeiDou B1I SignalWANG Li-Li, YANG Yang(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi′an University of Technology, Xi’an 710048, China)Abstract：BeiDou B1I signal acquisition is a hard core in a BeiDou receiver and is the two-dimension process of the search about the code delay and Doppler frequency. For acquisition, parallel search algorithm of code in frequency domain are usually adopted. For the acquisition of weak signal, a method combining non-correlation integration with parallel search algorithm of code in frequency domain was introduced. The test results show that the acquisition algorithm can effectively and quickly acquire the weak signal.Key words：BeiDou B1I signal; receiver; acquisition; weak signal; non-coherent integration① 收稿时间：2015-07-06;收到修改稿时间:2015-09-06CB1I码的码速率为2.046 Mcps, 码长为2046, 码宽为488.7 ns(1/2.046 MHz). CB1I码发生的结构如图1所示, 其是由两个线性序列G1和G2模2和产生均衡Gold码后截短1个码片后生成. G1和G2序列分别由两个11级的线性移位寄存器生成, 其生成多项式如式(2)、式(3)所示.G1序列初始相位为************;G2序列初始相位为************.通过对产生G2序列的移位寄存器不同抽头的模2和可以实现G2序列相位的不同偏移, 与G1序列模2和后可生成不同卫星的测距码. 而之所以用这种码传输信号, 就是因为其良好的自相关和互相关特性.由于CB1I码除了自身完全对齐的情况外, 其余情况几乎是不相关的, 这种特性使得很容易找出两个完全对齐的相同的CB1I码. 捕获过程正是利用其这一特点.2.1 CB1I码的捕获接收机的信号捕获过程一般通过对卫星信号的载波频率和码相位进行扫描式搜索来完成. 捕获的目的就是为了对输入信号和一个测距码序列做相关运算. 并行码相位搜索捕获算法实际上是利用傅里叶变换这种数字信号处理技术来替代数字相关器的相关运算, 而我们需要证明一下两者的等价性.两个长度同为N的有限长序列和的离散傅里叶变换和计算如式(4)、式(5)所示. 两个长度同为N的有限长序列和的循环互相关计算如式(6)所示.下面的分析中均省略了中的缩放因子1/N, 的N点离散傅里叶变换计算如式(7)所示.其中是的复共轭. 由式(7)可知, 两个序列与在时域内做相关运算, 相当于它们的离散傅里叶变换与在频域内做乘积运算. 于是倒过来, 乘积的离散傅里叶反变换正好是接收机需要进行检测的在各个码相位处的相关值. 一旦接收机通过傅里叶反变换计算得到相关值, 那么接下来的信号检测就同线性搜索捕获法一样, 即找出在所有搜索单元中自相关幅值的峰值, 并将该峰值与捕获门限值相比较. 若峰值超过捕获门限值, 则接收机捕获到了信号.如图2所示为并行码相位搜索捕获算法的原理图, 考虑到导航数据位存在跳变的可能, 用含导航数据位的数据进行相关运算所获得的相关峰值将会有较大衰减从而造成漏捕, 在算法实现过程中, 总是采用两段连续数据进行同步相关运算, 在得到的两组相关结果中选择最大功率能量相关峰值较大者(认为该段数据中不包含导航数据位跳变)的相关结果作为捕获判断依据[8].2.2基于非相干累加的CB1I码捕获采用1 ms时长的数据进行上述捕获的时候, 由于噪声的作用可能导致误捕, 当信号较弱时, 甚至会出现漏捕. 而且在北斗MEO/IGSO卫星B1频点信号中, 因为NH码调制的影响, 相干累加时间不能超过1 ms. 为了提高灵敏度, 只能通过提高非相干累加次数来捕获弱信号[9], 即将相干积分结果进行平方处理后再累加, 从而获得信号增益. 其非相关累加值[10]可表示为式(8):其中: 为M ms的数据信息与测距码的非相干捕获相关值. 可以看出导航电文数据位翻转对积分结果的影响被平方运算有效的降低了. 因此非相干积分可以进行积分时间超过1 ms的积分.非相干累加法消除了导航电文数据位翻转造成的影响, 同时平方运算消除了相位误差造成的副作用, 而前面提到的并行码相位搜索捕获算法通过傅里叶变换实现循环相关, 将相位域捕获过程并行化, 使得搜索量减少到了只需搜索不同的载波频率, 提高运算效率. 将非相干累加法与并行码相位搜索捕获算法相结合, 在大幅降低捕获时间的前提下, 实现了对弱信号的捕获. 其原理图如图3所示.通过图3可知, 非相干累加捕获的方法是将并行码相位搜索捕获算法每毫秒的捕获结果按照预先设定好的累加时间进行累加, 其累加原理如式(8)所示, 由于噪声累加的结果增大不如信号累加的结果增加的快, 使得经过一段时间累加后, 可找出明显的相关峰值.在Matlab环境下对本文研究的信号捕获方案进行仿真验证. 利用卫星信号模拟器对北斗B1频点中频信号进行仿真, 仿真信号的中频频率为2.098MHz, 采样频率为8.8MHz, 仿真产生60s的数据中频信号, 信号中共调制了1号、2号、3号、4号、7号、8号、10号、12号和13号等9颗卫星信号. 信号中加入的是高斯白噪声,信噪比为-35dB. 利用生成的信号, 就可以进行捕获的仿真, 捕获程序流程图如图4所示.图5是用图1所示的CB1I码发生器产生的对应10号卫星的本地伪码, 其是由两个11级移位寄存器进行模2和生成的. 不同的卫星编号对应不同的抽头, 不同卫星对应的CB1I码则通过查表的方式就可以实现. 横坐标表示采样点数, 截取了2046个码片的前100位, 纵坐标表示CB1I码的相位幅度.CB1I码具有良好的自相关和互相关特性, 如图6和图7所示. 除了延迟为零外, 几乎没有自相关性. 只有当本地伪码与接收到的信号的伪码序列能够对齐时才可得到最大相关值. 根据这一特性可轻易找出何时两个码是严格对齐的, 本文采用并行码相位搜索捕获也正是基于此特性. 横坐标表示码片数, 纵坐标分别表示自相关值和互相关值.当检测门限选用最大峰值与次大峰值的比值(大于2.5)时, 首先使用两段连续的单位数据段, 本文以1 ms数据位为单位数据段, 对其做同步相关运算即对这两段数据进行并行码相位搜索捕获, 在得到的两组相关结果中选择较大的相关峰值作为捕获判断依据进行弱信号捕获的验证结果如图8所示. 其次使用5 ms和10 ms数据进行非相干积分的弱信号捕获验证结果如图9和图10所示.由图可以看出, 在信噪比为-35dB的情况下, 图8中仅使用并行码相位搜索捕获算法得到的最大峰值与次大峰值的比值并不是很大; 而在图9和图10中采用将并行码相位搜索捕获算法与非相干累加相结合的捕获算法, 在累加时间增大时, 该比值结果明显增加. 证明当进行非相干积分所用数据长度从1ms增加到10ms时, 信号中所有可见卫星的最大峰值与次大峰值的比值增加的都很明显, 能够实现低信噪比信号的捕获, 提高接收机的灵敏度. 当然, 也可以根据实际的需要选择合适的相干累加时间, 达到设计目的.接着再从单颗卫星角度进行研究, 以10号卫星为例, 即PRN=10, 分别进行3ms、6ms和10ms数据的相干累加, 其捕获结果如图11、图12和图13所示.由图11、图12和图13可以看出, 随着捕获所用数据长度的增加, 即非相干累加数据长度增加, 噪声得到一定的抑制, 可见卫星正确相位所对应的归一化相关值也更加明显, 该部分也达到了有效地捕获弱信号的预期效果.本文研究了北斗软件接收机捕获算法, 分析了并行码相位搜索捕获算法并将其与非相干积分相结合, 并通过仿真数据对算法进行了验证. 可见非相干积分与并行码相位搜索捕获算法相结合不但捕获效率高, 而且较好地抑制了噪声信号, 有效地实现了弱信号的捕获. 对于软件接收机相关模块的研究具有一定的意义, 能够使用户在接收机算法处理和软件更新等方面具有很大的灵活性.1 何敏,葛榜军.北斗卫星导航系统及应用.卫星应用,2012, (5):19–23.2 中国卫星导航系统管理办公室.北斗导航系统发展报告.国际太空,2012,(4):6–11.3 Meng WX, Liu E, Han Sh. Resaerch and development on satellite positioning and navigation in China. IEICE Trans. Commun, 2012(E95-B): 3385–3392.4 杨东凯,张飞舟,张波译.软件定义的GPS和伽利略接收机.北京:国防工业出版社,2009.5 杨俊,武奇生.GPS基本原理及其Matlab仿真.西安:西安电子科技大学出版社,2006.6 王冰.GPS信号捕获算法的研究.电子科技,2014,27(8): 154–156.7 谢刚.GPS原理与接收机设计.北京:电子工业出版社,2009.8 黄隽祎,李荣冰,王翌等.北斗B1 QPSK调制信号的高灵敏度捕获算法.航空计算技术,2012,42(5):38–42.9 史向男,巴晓辉,陈杰.北斗MEO/IGSO卫星B1频点信号捕获方法研究.国外电子测量技术,2013,32(4):19–21.10 陈军,潘高峰,李飞,余金峰,黄静华译. GPS软件接收机基础(第2版).北京:电子工业出版社,2007.。

北斗卫星导航接收机设计原理与开发平台实验演示20140818

北斗卫星导航接收机设计原理与开发平台实验演示20140818


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伪距测量原理
利用接收机产生复制 码（本地码）与卫星发播
的伪随机码进行相关运算，
通过测量相关函数最大值
的位置来测定卫星信号传
播延迟，从而求得卫星到 接收机的距离观测值。
与伪距相关的原始测量量

The start of a subframe is found for all channels The accuracy of the pseudoranges with a time resolution of 1 ms is 300000m The code tracking loop can tell the precise start of the C/A code
容的终端
用户段重要性：
用户段是决定卫星系统成败的关键，应用卫星卫
星应用；
从GPS、GLONASS不同命运，可以看出对用户段的重
视程度，决定了卫星导航系统的生命力；
卫星导航成为国家战略信息产业，主要产业突破也
必然体现在用户段。
卫星导航接收机指通过接收导航卫星发射的导航
信号，在接收机端进行位置、速度和时间等信息解算
BIT同步

Output from the tracking loop is -1 or 1 every millisecond
45

Output from bit syncronization is -1 or 1 every 20 ms 1 -1 1 1 -1 1

Find the start of Databit ------add a 20ms time window
波测量量降低伪距的观测噪声
考虑到伪距与载波相位都可以标示距离，可采用载波相 位数据（精度约为2mm）对伪距数据进行平滑处理，可以将 伪距测量噪声减小60%。
高精度北斗导航定位系统设计与实现

高精度北斗导航定位系统设计与实现

高精度北斗导航定位系统设计与实现导语：随着卫星导航技术的快速发展，全球定位系统（GPS）在生活中的应用越来越广泛。

而作为我国自主研发的全球卫星导航系统，北斗导航系统在提供导航定位服务方面具备独特的优势。

为了满足用户对于高精度定位需求，高精度北斗导航定位系统的设计与实现成为一个重要的研究方向。

本文将介绍高精度北斗导航定位系统的设计原理与实现方法。

一、设计原理高精度北斗导航定位系统主要包括信号接收与处理、数据计算与校正、定位算法与精度优化等模块。

下面将详细介绍这些模块的设计原理。

1. 信号接收与处理高精度北斗导航定位系统首先需要接收卫星发射的导航信号。

一般情况下，系统会选择多颗卫星进行信号接收，以提高定位精度。

接收到的信号需要进行预处理，包括频率同步、码相对齐等操作，以便后续的数据计算与校正。

2. 数据计算与校正接收到的导航信号中包含了多种参数，如卫星位置、钟差等。

系统需要对这些参数进行计算和校正，以获得更精确的定位结果。

数据计算与校正主要涉及导航星历解算、钟差修正等算法，采用高精度的数学模型来提高定位精度。

3. 定位算法与精度优化根据接收到的导航信号和经过计算与校正的参数，系统可以通过定位算法来估计用户的位置。

定位算法有多种，常用的包括最小二乘法（LS）、卡尔曼滤波（KF）等。

为了提高定位精度，系统还可以采用精度优化的方法，如差分定位、多智能体定位等技术。

二、实现方法高精度北斗导航定位系统的实现需要考虑多个方面的因素，包括硬件设备、软件算法以及系统架构等。

下面将介绍高精度北斗导航定位系统的实现方法。

1. 硬件设备高精度北斗导航定位系统的硬件设备包括天线、接收机、信号处理器等。

天线用于接收导航信号，接收机负责信号的放大和处理，信号处理器用于对信号进行解调和解码。

为了提高定位精度，硬件设备要具备高灵敏度和低噪声的特点。

2. 软件算法高精度北斗导航定位系统的软件算法是实现高精度定位的关键。

根据设计原理中提到的信号接收与处理、数据计算与校正、定位算法与精度优化等模块，可以选择合适的算法来实现系统功能。