一种自适应信噪比估计的北斗双频联合捕获方法及系统与流程

本技术涉及卫星导航信号处理，更具体地说，本技术涉及一种自适应信噪比估计的北斗双频联合捕获方法及系统。

背景技术：

1、卫星导航信号处理技术是北斗导航接收机实现定位、测速和授时功能的重要基础技术，其主要用于对卫星发射的导航信号进行接收、变频、捕获、跟踪和解算处理，随着北斗系统多频点服务能力的完善，双频信号处理能够利用不同频点之间的物理关联关系增强信号捕获能力，为高精度定位、弱信号检测和复杂环境下的连续导航提供重要支撑。

2、在现有技术中，北斗双频捕获通常采用固定联合搜索或主从式引导捕获方式，通过b1频点和b2频点之间的多普勒关联关系压缩搜索范围，然而，实际接收环境中常存在频率选择性衰落、脉冲干扰和电离层闪烁等非平稳因素，使两频点信号质量和幅度起伏呈现明显差异。现有方法多缺乏对输入信号质量的预先判断，在低信噪比或强畸变条件下仍执行固定捕获流程，容易造成劣质频点参与判决并引发误捕；同时，双频通道间硬件时延差异、载波相位偏移和电离层造成的非对称衰落也会削弱累积增益，使信噪比估计结果和捕获判决门限发生偏差。此外，传统非相干累积次数通常采用静态配置，难以跟随信噪比短时波动进行调整，影响弱信号条件下的捕获准确程度，因此，如何实现复杂非平稳接收环境下北斗双频捕获过程中信噪比估计结果与捕获判决门限之间的动态适配，从而提升弱信号场景下双频联合捕获的准确度成为了业界面临的难题。

技术实现思路

1、本技术提供一种自适应信噪比估计的北斗双频联合捕获方法及系统，可实现复杂非平稳接收环境下北斗双频捕获过程中信噪比估计结果与捕获判决门限之间的动态适配，从而提升弱信号场景下双频联合捕获的准确度。

2、第一方面，本技术提供一种自适应信噪比估计的北斗双频联合捕获方法，包括如下步骤：

3、对同时接收的b1频点和b2频点数字中频信号分别进行短时信号质量预评估，确定捕获模式并生成对应的控制信号；

4、设定双补偿方式，当确定为第一捕获模式时，通过第一补偿对b2频点输出序列进行时域对齐；

5、在信号累积过程中，监测对齐后的b1频点和b2频点相关峰值幅度起伏，并计算b1频点和b2频点的幅度波动差异度，基于所有的幅度波动差异度进行信噪比的第二补偿，获得扰频的校正信噪比；

6、将所述校正信噪比存入滑动窗，并计算信噪比变化趋势，根据所述信噪比变化趋势调整非相干累积次数，获得b1频点和b2频点的复相关累积结果；

7、对所有的复相关累积结果进行包络提取并计算互相关系数，根据所述互相关系数和所述校正信噪比分段修正捕获判决门限，并结合峰值尖锐度进行捕获判决。

8、在本实施例中，对同时接收的b1频点和b2频点数字中频信号分别进行短时信号质量预评估，确定捕获模式并生成对应的控制信号具体包括：

9、从b1频点和b2频点数字中频信号的当前帧中各截取相同长度的短时数据，将短时数据同时送入第一分析路径和第二分析路径；

10、在所述第一分析路径中对b1频点和b2频点的短时数据进行快速傅里叶变换，计算出频域平坦度；

11、在所述第二分析路径中对b1频点和b2频点的短时数据进行复信号取模，得到峰值均值比和幅度四分位差；

12、对所述第一分析路径和所述第二分析路径设定判断阈值，进而根据所述频域平坦度、所述峰值均值比和所述幅度四分位差判断b1频点和b2频点的质量状态；

13、根据b1频点和b2频点的质量状态确定捕获模式和对应的控制信号。

14、在本实施例中，根据b1频点和b2频点的质量状态确定捕获模式和对应的控制信号具体包括：

15、若b1频点和b2频点均为高质量状态，得到第一捕获模式的控制信号，所述第一捕获模式为双频联合捕获模式；

16、若b1频点为高质量状态且b2频点为低质量状态，得到第二捕获模式的控制信号，所述第二捕获模式为单频引导捕获模式，并设置频段优选标识为主频段b1、辅频段b2；

17、若b2频点为高质量状态且b1频点为低质量状态，得到第二捕获模式的控制信号，并设置频段优选标识为主频段b2、辅频段b1；

18、若b1频点和b2频点均为低质量状态，得到第三捕获模式的控制信号，所述第三捕获模式为增强累加模式。

19、在本实施例中，设定双补偿方式，当确定为第一捕获模式时，通过第一补偿对b2频点输出序列进行时域对齐具体包括：

20、预先设定双补偿方式，所述双补偿方式包括第一补偿和第二补偿；

21、通过通道差异校准获取b1频点和b2频点之间的相对时延差和相对相位旋转量，所述相对时延差表示b2频点输出序列相对于b1频点输出序列的时间偏移量；

22、当接收到第一捕获模式的控制信号时，激活第一补偿；

23、在所述第一补偿中，读取所述相对时延差，根据所述相对时延差对b2频点的输出序列执行多采样点插值重采样，使b2频点的输出序列与b1频点的输出序列在时域上对齐，得到时域对齐后的输出序列；

24、在所述第一补偿中，读取所述相对相位旋转量，根据所述相对相位旋转量对所述时域对齐后的输出序列执行相位旋转，使b2频点的输出序列与b1频点的输出序列的载波相位一致，得到相位对齐后的b2频点输出序列。

25、在本实施例中，在信号累积过程中，监测对齐后的b1频点和b2频点相关峰值幅度起伏，并计算b1频点和b2频点的幅度波动差异度具体包括：

26、获取b1频点的输出序列和b2频点的输出序列；

27、将b1频点的输出序列输入相干累积器进行累积，得到每个相干累积周期的b1频点瞬时幅度；

28、将b2频点的输出序列输入相干累积器进行累积，得到每个相干累积周期的b2频点瞬时幅度；

29、将b1频点瞬时幅度存入b1频点滑动窗，将b2频点瞬时幅度存入b2频点滑动窗，实时监测两个滑动窗内的幅度起伏；

30、对b1频点滑动窗内的幅度值进行归一化处理，得到b1归一化幅度序列；

31、对b2频点滑动窗内的幅度值进行归一化处理，得到b2归一化幅度序列；

32、根据所述b1归一化幅度序列和所述b2归一化幅度序列确定b1频点和b2频点的幅度波动差异度。

33、在本实施例中，基于所有的幅度波动差异度进行信噪比的第二补偿，获得扰频的校正信噪比具体包括：

34、根据所有的幅度波动差异度判断电离层是否处于活跃状态；

35、当所述电离层处于活跃状态时，比较b1归一化幅度序列的方差和b2归一化幅度序列的方差，将方差较小者对应的频点标记为稳频，将方差较大者对应的频点标记为扰频；

36、获取所述稳频的原始信噪比估计值；

37、根据稳频的原始信噪比估计值对扰频的原始信噪比估计值进行校正，得到扰频的校正信噪比。

38、在本实施例中，将所述校正信噪比存入滑动窗，并计算信噪比变化趋势具体包括：

39、将所述校正信噪比存入信噪比历史滑动窗；

40、对所述信噪比历史滑动窗内的信噪比代表值进行时序趋势判定，得到信噪比变化趋势。

41、在本实施例中，根据所述信噪比变化趋势调整非相干累积次数，获得b1频点和b2频点的复相关累积结果具体包括：

42、根据所述信噪比变化趋势确定目标相干积分长度和目标非相干累积次数；

43、读取当前相干累积器实际使用的当前积分长度；

44、根据所述目标相干积分长度与所述当前积分长度的差值将所述当前积分长度逐步调整至所述目标相干积分长度，得到更新后的积分长度；

45、通过更新后的积分长度和所述目标非相干累积次数确定b1频点的复相关累积结果和b2频点的复相关累积结果。

46、在本实施例中，对所有的复相关累积结果进行包络提取并计算互相关系数，根据所述互相关系数和所述校正信噪比分段修正捕获判决门限，并结合峰值尖锐度进行捕获判决具体包括：

47、对b1频点的复相关累积结果和b2频点的复相关累积结果分别进行峰值预筛，选出幅度超过预筛门限的局部峰，生成b1候选列表和b2候选列表；

48、当处于第一捕获模式时，根据多普勒频率索引对所述b1候选列表和所述b2候选列表中的候选峰进行配对，得到多个候选峰对；

49、从每个候选峰对中提取b1包络序列和b2包络序列，并计算所述b1包络序列与所述b2包络序列的互相关系数；

50、设置捕获判决门限，根据所述互相关系数和所述校正信噪比修正所述捕获判决门限，得到有效判决门限；

51、对每个候选峰对中的b1候选峰和b2候选峰分别进行相邻单元的幅值比较，得到各自的尖锐度比值，并通过尖锐度阈值校验每个尖锐度比值；

52、当存在一个候选峰对中b1候选峰的幅度和b2候选峰的幅度均超过所述有效判决门限、所述b1候选峰和所述b2候选峰均通过尖锐度校验且所述互相关系数高于阈值时，判定捕获成功。

53、第二方面，本技术提供一种自适应信噪比估计的北斗双频联合捕获系统，用于执行一种自适应信噪比估计的北斗双频联合捕获方法，所述北斗双频联合捕获系统包括：

54、信号质量预评估与模式控制模块，用于对同时接收的b1频点和b2频点数字中频信号分别进行短时信号质量预评估，确定捕获模式并生成对应的控制信号；

55、第一补偿时域对齐模块，用于设定双补偿方式，当确定为第一捕获模式时，通过第一补偿对b2频点输出序列进行时域对齐；

56、信噪比校正模块，用于在信号累积过程中，监测对齐后的b1频点和b2频点相关峰值幅度起伏，并计算b1频点和b2频点的幅度波动差异度，基于所有的幅度波动差异度进行信噪比的第二补偿，获得扰频的校正信噪比；

57、累积调度模块，用于将所述校正信噪比存入滑动窗，并计算信噪比变化趋势，根据所述信噪比变化趋势调整非相干累积次数，获得b1频点和b2频点的复相关累积结果；

58、捕获判决模块，用于对所有的复相关累积结果进行包络提取并计算互相关系数，根据所述互相关系数和所述校正信噪比分段修正捕获判决门限，并结合峰值尖锐度进行捕获判决。

59、本技术公开的实施例提供的技术方案具有以下有益效果：

60、对同时接收的b1频点和b2频点数字中频信号分别进行短时信号质量预评估，确定捕获模式并生成对应的控制信号；设定双补偿方式，当确定为第一捕获模式时，通过第一补偿对b2频点输出序列进行时域对齐；在信号累积过程中，监测对齐后的b1频点和b2频点相关峰值幅度起伏，并计算b1频点和b2频点的幅度波动差异度，基于所有的幅度波动差异度进行信噪比的第二补偿，获得扰频的校正信噪比；将所述校正信噪比存入滑动窗，并计算信噪比变化趋势，根据所述信噪比变化趋势调整非相干累积次数，获得b1频点和b2频点的复相关累积结果；对所有的复相关累积结果进行包络提取并计算互相关系数，根据所述互相关系数和所述校正信噪比分段修正捕获判决门限，并结合峰值尖锐度进行捕获判决。

61、由此可见本技术中，可以根据所述互相关系数和所述校正信噪比分段修正捕获判决门限，并结合峰值尖锐度进行捕获判决；其中，首先，通过对同时接收的b1频点和b2频点数字中频信号分别进行短时信号质量预评估，能够在正式捕获前识别两频点的信号质量差异，并据此确定捕获模式和控制信号，避免在低信噪比或强畸变条件下仍采用固定联合捕获流程，降低劣质频点参与判决引发误捕的风险；其次，通过在第一捕获模式下对b2频点输出序列进行第一补偿和时域对齐，能够削弱双频通道间硬件时延差异和载波相位偏移对相关峰位置及幅度比较造成的影响，使b1频点和b2频点的相关峰值幅度处于可对照的处理基础上，为后续信噪比估计提供准确的数据来源；进一步地，通过在信号累积过程中监测双频相关峰值幅度起伏，并根据幅度波动差异度对信噪比进行第二补偿，能够针对电离层闪烁等非平稳因素造成的双频非对称衰落修正扰频信噪比，减少原始信噪比估计失真对捕获判决门限造成的偏差；同时，将校正信噪比存入滑动窗并计算信噪比变化趋势，能够根据短时信噪比波动调整非相干累积次数，使复相关累积结果随当前信号状态动态更新，避免静态累积参数在弱信号或信号骤变场景下造成能量累积不足；最后，通过对复相关累积结果进行包络提取并计算互相关系数，结合校正信噪比分段修正捕获判决门限，并利用峰值尖锐度进行捕获判决，使捕获结果能够同时受到双频包络一致程度、信噪比校正结果和峰值形态的联合约束，减少复杂接收环境下因门限设置失配造成的误捕和漏捕，从整体上提高北斗双频联合捕获结果的可信程度。

62、综上所述，本技术采用的技术方案可实现复杂非平稳接收环境下北斗双频捕获过程中信噪比估计结果与捕获判决门限之间的动态适配，从而提升弱信号场景下双频联合捕获的准确度。