北斗导航系统BDS二次差分相干数据位同步方法及系统

北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步方法及系统
技术领域
1.本发明属于导航数据同步技术领域，尤其涉及一种北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步方法及系统。


背景技术：

2.目前，北斗导航系统(bds)是中国自主建设运行的全球卫星导航系统，可为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务。2020年，我国北斗三号全球卫星导航系统最后一颗组网卫星发射升空，完成北斗卫星的全球组网，北斗导航系统在轨提供服务的卫星多达47颗。北斗导航被广泛应用于航空航海导航，抗震救灾定位，乃至太空卫星定位定轨当中。
3.在北斗信号中导航电文每隔20ms就可能发生一次翻转，导航电文的数据位同步是北斗导航信号接收机中进行信号处理的一个重要步骤，是进行信号中星历数据解析的前置条件，用于找到调制在载波上的导航电文的边沿位置。在北斗导航的诸多应用场景下，部分环境中信号功率低，强度弱，北斗导航系统的信号中二次调制的nh码(neumann-hoffman编码，固定序列为00000100110101001110，长度20，其起点与导航电文对齐)，在弱信号下会与噪声发生交织，产生大量未知符号翻转，弱信号环境下的数据位同步变得困难。
4.对于北斗信号的位同步，一般利用滑动匹配nh码与信号数据符号进行位同步，但该方法在弱信号下效果较差，无法可靠准确的找到数据位位同步位置。最大似然位同步是常用于弱信号环境下的导航信号位同步方法，论文《a new bit synchronization method for a gps receiver》将其应用于gps信号中，其在北斗信号下也同样适用，通过同时对二十个可能的数据位起点分别剥离去除nh码然后进行数据累积，比较累积值大小，取最大值位置为位同步位置，该方法需要同时存储多组累积值，消耗存储资源大，对信号多普勒敏感。专利《一种北斗卫星导航接收机位同步方法中》，采用分组匹配的方式实现北斗数据位同步，但其方法消耗资源多，需要在跟踪环路稳定后才能进行位同步，在信号微弱环境无法直接进行位同步。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
6.(1)现有利用滑动匹配nh码与信号数据符号进行位同步的方法在弱信号下效果较差的问题，无法可靠准确的找到数据位位同步位置。
7.(2)最大似然位同步是常用于弱信号环境下的导航信号位同步方法，该方法需要同时存储多组累积值，消耗存储资源大，对信号多普勒敏感。
8.(3)现有采用分组匹配的方式实现北斗数据位同步的方法中，消耗资源多，且在信号微弱环境无法直接进行位同步。


技术实现要素：

9.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步方法及系统，旨在解决由于二次调制nh码导致的弱信号下北斗数据位同步困难的
问题。
10.本发明是这样实现的，一种北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步系统，所述北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步系统包括：
11.数据预处理模块，用于将原始的北斗射频输入信号进行预处理，得到1ms复数相干数据，并送入间隔20ms差分模块；
12.间隔20ms差分模块，用于将数据预处理模块输出的1ms复数相干数据进行间隔20ms的复共轭差分，得到间隔20ms差分数据，并送入间隔1ms差分模块；
13.间隔1ms差分模块，用于将间隔20ms差分模块输出的差分数据进行间隔1ms的复共轭差分，得到间隔1ms差分数据，并送入存储折叠求解模块；
14.存储折叠求解模块，用于将间隔1ms差分数据进行数据存储与折叠相干累积，并给出位同步输出位置。
15.进一步，所述数据预处理模块包括：
16.模数转换单元，用于将射频处理后的中频bds信号进行模数转换，获得复数bds基带数据；
17.载波剥离单元，用于将复数基带数据中的载波信号与本地载波信号相乘进行剥离去除，得到无载波信号；
18.其中，所述复数基带数据包括i，q两个信号分量，i为实部，q为虚部；
19.在1ms相干积分器中，将长度为1ms的无载波信号与本地c/a码数据进行相乘与累加，获得1ms复数相干数据。
20.进一步，所述间隔20ms差分模块包括：
21.延迟20ms单元，用于将1ms复数相干数据的数据延迟20ms后再输出；
22.复共轭单元，用于将经过延迟20ms单元的1ms相干累积数据取复共轭处理，得到共轭延时20ms相干累积数据；
23.其中，乘法器将实时1ms相干累积数据和共轭延迟20ms相干累积数据相乘，将信号中的nh码剥离，得到间隔20ms差分数据。
24.进一步，所述间隔1ms差分模块包括：
25.延迟1ms单元，用于将间隔20ms差分数据延迟1ms后再输出；
26.复共轭单元，用于将经过延迟1ms单元的间隔20ms差分数据取复共轭处理，得到共轭延时1ms相干累积数据；
27.其中，乘法器将实时1ms相干累积数据和共轭延迟1ms相干累积数据相乘，得到间隔1ms差分数据。
28.进一步，所述存储折叠求解模块包括：
29.存储折叠单元，用于将间隔1ms差分数据进行累加；
30.取模单元，用于将存储折叠单元的20个结果进行取模运算；
31.最小值单元，用于寻找取模后的20个结果的最小值，并输出最小值在20个结果中的位置是最后输出位同步位置。
32.本发明的另一目的在于提供一种应用所述的北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步系统的北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步方法，所述北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步方法包括以下步骤：
33.步骤一，利用数据预处理模块将原始的北斗射频输入信号进行预处理，得到1ms复数相干数据，并送入步骤二进行间隔20ms差分；
34.步骤二，利用间隔20ms差分模块将输出的1ms复数相干数据进行间隔20ms的复共轭差分，得到间隔20ms差分数据，并送入步骤三进行间隔1ms差分；
35.步骤三，利用间隔1ms差分模块将步骤二输出的差分数据进行间隔1ms的复共轭差分，得到间隔1ms差分数据，并送入步骤四进行存储折叠求解；
36.步骤四，利用存储折叠求解模块将步骤三输出的间隔1ms差分数据进行数据存储与折叠相干累积，并给出位同步输出位置。
37.进一步，所述步骤二中的共轭运算形式为(i jq)
*
＝i-jq；
38.所述步骤三中的共轭运算形式为(i jq)
*
＝i-jq；
39.所述步骤四中，将间隔1ms差分数据按照如下公式进行累加：
[0040][0041]
其中，z(t)为第t个经过两次共轭差分运算的数据，实现差分结果的相干，经过折叠存储后，得到20个结果。
[0042]
本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0043]
利用数据预处理模块将原始的北斗射频输入信号进行预处理，得到1ms复数相干数据，并送入间隔20ms差分模块；利用间隔20ms差分模块将1ms复数相干数据进行间隔20ms的复共轭差分，得到间隔20ms差分数据，并送入间隔1ms差分模块；利用间隔1ms差分模块将差分数据进行间隔1ms的复共轭差分，得到间隔1ms差分数据，并送入存储折叠求解模块；利用存储折叠求解模块将间隔1ms差分数据进行数据存储与折叠相干累积，并给出位同步输出位置。
[0044]
本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：
[0045]
利用数据预处理模块将原始的北斗射频输入信号进行预处理，得到1ms复数相干数据，并送入间隔20ms差分模块；利用间隔20ms差分模块将1ms复数相干数据进行间隔20ms的复共轭差分，得到间隔20ms差分数据，并送入间隔1ms差分模块；利用间隔1ms差分模块将差分数据进行间隔1ms的复共轭差分，得到间隔1ms差分数据，并送入存储折叠求解模块；利用存储折叠求解模块将间隔1ms差分数据进行数据存储与折叠相干累积，并给出位同步输出位置。
[0046]
本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步系统。
[0047]
结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
[0048]
第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：
[0049]
本发明通过两次差分，并进行相干累积，避免nh码对位同步的影响，提升在弱信号下的位同步准确度。
[0050]
本发明采用两次差分相干方法进行数据位同步，既可以避免nh码对北斗数据位同步的影响，也可以降低因多普勒对位同步的影响。
[0051]
本发明采用存储折叠方式进行数据累积，占用空间少，可以无限延长参与差分处理的数据长度而不增加该发明所消耗的存储资源。
[0052]
本发明既能够有效的在弱信号环境下进行数据位同步，也满足在强信号下进行数据位同步的需要。
[0053]
第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
[0054]
本发明提供的北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步方法，基于差分相干方法进行数据位同步，可避免受到nh码的影响，在弱信号环境直接进行位同步，提升数据位同步效果，同时资源消耗小，受信号多普勒影响小。
[0055]
第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：
[0056]
(1)本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：
[0057]
本发明在弱信号环境下，对接收到的北斗导航信号，不经过信号跟踪处理，即可进行数据位同步，且存储资源占用低，填补了北斗导航信号弱信号环境下低资源消耗的数据位同步处理方法空白。
附图说明
[0058]
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0059]
图1是本发明实施例提供的北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步的方法流程图；
[0060]
图2是本发明实施例提供的北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步的系统结构示意图；
[0061]
图3是本发明实施例提供的间隔20ms复共轭差分原理示意图；
[0062]
图4是本发明实施例提供的存储折叠示意图；
[0063]
图5是本发明实施例提供的对比不同算法的存储资源占用情况结果图；
[0064]
图6是本发明实施例提供的二次差分相干不同多普勒残差性能对比图。
具体实施方式
[0065]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0066]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0067]
一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
[0068]
如图1所示，本发明实施例提供的北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步方法包括以下步骤：
[0069]
s101，利用数据预处理模块将原始的北斗射频输入信号进行预处理，得到1ms复数相干数据，并送入s102进行间隔20ms差分；
[0070]
s102，利用间隔20ms差分模块将输出的1ms复数相干数据进行间隔20ms的复共轭差分，得到间隔20ms差分数据，并送入s103进行间隔1ms差分；
[0071]
s103，利用间隔1ms差分模块将s102输出的差分数据进行间隔1ms的复共轭差分，得到间隔1ms差分数据，并送入s104进行存储折叠求解；
[0072]
s104，利用存储折叠求解模块将s103输出的间隔1ms差分数据进行数据存储与折叠相干累积，并给出位同步输出位置。
[0073]
如图2所示，本发明实施例提供的北斗导航系统bds二次差分相干数据位同步系统，包括数据预处理单元，间隔20ms差分单元，间隔1ms差分单元，存储折叠求解单元。数据预处理单元是将接收到的北斗导航信号进行模数转换，得到数字中频信号，通过与本地载波相乘，剥离原始信号中载波部分后，然后通过1ms相干积分模块，通过将信号与本地c/a码(北斗导航系统的一种伪随机码用于粗测距和捕获跟踪北斗卫星，其实是一种gold码)做相乘累加，计算得到1ms相干累积数据。间隔20ms差分单元通过对1ms相干累积数据做间隔20ms的复共轭差分运算，实现对数据中调制的nh码的剥离去除，避免nh码对后续处理的影响。间隔1ms差分单元通过对间隔20ms差分数据做间隔1ms复共轭差分，实现对导航电文的符号跳变点的计算。存储折叠求解单元通过对经过两次差分计算处理的数据进行折叠累积，提升信号的信噪比，然后通过取模和求最小值处理，通过寻找折叠累积值中的最小值位置来获得位同步位置输出。
[0074]
如图3所示，对于间隔20ms差分单元，1ms相干积分值的符号由北斗信号的导航电文符号和nh码符号共同决定，采用间隔20ms复共轭差分的方式，利用nh码循环调制在北斗导航信号中的特点，第n个1ms积分结果的nh码数据符号一定与n 20个1ms的积分结果的nh码数据符号相同，n为数据位置，进行间隔20ms的复共轭差分，可将因为调制nh码而导致的1ms符号位翻转剔除，得到仅包含因导航电文翻转而带来的符号位翻转的数据。
[0075]
如图4所示，对于存储折叠求解单元，通过存储折叠模块实现差分结果的相干累加处理，以提高二次差分处理在弱信号环境下的灵敏度性能。存储折叠的具体过程如下，将经过二次复共轭差分的结果存储在长度为20的存储区m中，z(t)为第t个差分结果，按照满足下列公式的规则存储在存储区中，则对应位置数据将折叠至同一位置。
[0076][0077]
通过数据折叠，少量因噪声影响而导致的符号翻转会在折叠累加的过程中抵消，参与折叠的数据长度可以无限延长，若数据折叠过程中原始的差分结果数据越长，则相干增益越高，最终能够求出的位同步位置正确概率越高。
[0078]
二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。
[0079]
本发明可应用在高轨北斗接收机或深空探测北斗接收机等无辅助极弱信号环境下的接收机数据位同步。如果应用在高轨北斗接收机中，接收机所处环境中北斗导航系统信号微弱，且因为处于轨道空间，无法依靠其他外部信号进行辅助。
[0080]
在高轨道弱信号环境，在完成信号的高灵敏度捕获后，信号的数据位边沿是未知状态，由于信号微弱，无法常规方法的信号跟踪，高灵敏度跟踪则需要已知的数据位边沿为前提，所以首先需要进行数据位同步。
[0081]
下面以高轨道航天器星载接收机为例，对本发明实例在实际应用过程中的具体实现方式进行详细说明。
[0082]
在高轨道环境中，航天器所处环境因轨道高于北斗导航卫星，且受到地球遮挡，仅能够接收到运行到地球对面位置的北斗导航卫星信号，接收机接收到的北斗信号后进行信号高灵敏度捕获测量，得到信号的实时码相位，粗略多普勒信息，由于粗略多普勒信息并不准确，存在一定的多普勒频率差，且所能接收到的信号微弱，无法进行常规信号跟踪。
[0083]
根据信号的码相位和粗略多普勒对接收到的北斗信号在数据预处理模块进行预处理，去除信号中频载波和粗多普勒，剥离信号c/a码并累加得到1ms相干累积值，此时得到的1ms相干累积值中可能因为残余多普勒，信号噪声等因素，发生错误的符号翻转。
[0084]
在间隔20ms差分模块，间隔1ms差分模块进行两次差分处理，去除信号中的nh码，并在差分过程中提取北斗导航电文可能跳变位置。
[0085]
在数据折叠求解模块中，对较长时间经过差分处理的数据完成折叠存储，在数据存储折叠过程中，信号噪声由于其高斯噪声特性，在折叠过程中抵消，而因导航数据跳变导致的符号变化不断累加，信号信噪比提高，通过折叠过程提高算法的灵敏度性能，求最小值后输出数据位同步位置。
[0086]
利用输出的数据位同步位置，延长信号积分时间，使相干积分时间从1ms延长至10ms，或者20ms等更长时间，以此为基础进行高灵敏度信号跟踪，缩小存在的多普勒误差，实现信号锁定，然后进行帧同步和电文解析，并参与接收机定位求解。
[0087]
应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、cd或dvd-rom的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。
[0088]
三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。
[0089]
通过在相同平台实现不同北斗数据位同步算法，对比不同算法的存储资源占用情况，如图5所示，在采用相同北斗信号数据长度进行数据位同步计算处理时，本发明的存储空间占用较其他算法显著减少，仅需其他算法的几分之一，就可实现基本的数据位同步功
能。
[0090]
利用卫星数据采集卡采集不同功率下的导航卫星模拟器北斗信号，进行仿真模拟，对信号仿真加入不同多普勒残差，计算在不同信号强度，不同多普勒残差下的数据位同步概率，如图6所示，本发明可在多普勒残差较低时，在弱信号环境进行有效的数据位同步处理，在有多普勒残差的情况下，仍能够保持一定的位同步效果。
[0091]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。