2024年9月17日发(作者：撒贞芳)
己口Ｉ］年４月
第］己卷第４期 理论与方法
北斗ＭＥｏ／ＩＧＳｏ卫星Ｂ１频点信号捕获方法研究＊
史向男 巴晓辉 陈 杰
（中国科学院微电子研究所 北京 １０００２９）
摘 要：针对北斗ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星因存在ＮＨ码调制而导致使用ＧＰＳ捕获方法捕获灵敏度降低的问题，提出了差分相干方法和
全比特相干方法。差分相干方法克服了ＮＨ码和比特翻转的影响，能够快速捕获北斗ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点大于等于
４０ ｄＢ－Ｈｚ的强信号。全比特相干方法能够剥离ＮＨ码并实现全比特相干，从而捕获大于等于２８ｄＢＨｚ的弱信号。最后，针对应
用全比特相干捕获方法捕获北斗信号，在ＮＨ码未剥离成功时其结果出现多峰性的现象，本文进行了理论解释和仿真验证。
关键词：卫星导航；北斗卫星导航系统；高灵敏度捕获
中图分类号：ＴＮ９ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：５９０．２０２０
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂ １
ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ＭＥＯ／ＩＧＳＯ ｉｎ ＢＤＳ
Ｓｈｉ Ｘｉａｎｇｎａｎ Ｂａ Ｘｉａｏｈｕｉ Ｃｈｅｎ Ｊｉｅ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ａ ｆｕｌｌ—ｂｉｔ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔＯ
ａｄｄｒｅｓｓ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｂｒｏｕｇｈｔ ｂｙ ＮＨ ｃｏｄｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｂ１ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ＭＥＯ／ＩＧＳＯ．Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＮＨ ｃｏｄｅ ａｎｄ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ４０ｄＢ—Ｈｚ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ＭＥＯ／ｉＧＳＯ ｉｎ Ｂ１．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｆｕｌｌ—ｂｉｔ
ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｐｅｅｌ ｔｈｅ ＮＨ ｃｏｄｅ ａｎｄ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ２８ｄＢ—Ｈｚ ｓｉｇｎａ１．Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ
ａｒｅ ｓｈｏｗｎ ｔＯ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｍｕｌｔｉｐｌｙ ｐｅａｋｓ ｉｆ ＮＨ ｃｏｄｅ ｉｓ ｎｏｔ ｐｅｅｌｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ—
ｌｙ ｗｈｅｎ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｌｌ—ｂｉｔ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ＢＤＳ；Ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
１ 引 言
法 ］。因为北斗ＭＥＯ／ＩＧＳ０卫星Ｂ１频点信号存在ＮＨ码
调制的影响 ，使用以上捕获方法因相干累加时间不能超过
随着我国成功将第１６颗北斗导航卫星送入预定轨
１ ｍｓ而导致捕获灵敏度降低。为此，本文首先提出差分相干
道，北斗导航工程区域组网顺利完成。北斗导航系统的北
捕获方法，该方法克服了ＮＨ码和比特翻转的影响，能够快
斗卫星导航（区域）系统空间星座由１６颗组网卫星组成，
速捕获ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点强信号。然后针对ＭＥＯ／
包括６颗地球静止轨道（ＧＥＯ）和１Ｏ颗非地球静止轨道
ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点弱信号提出能够剥离ＮＨ码并实现全比
（Ｎｏｎ—ＧＥ０）卫星组成。其中，Ｎｏｎ—ＧＥＯ卫星包括５颗中
特相干的高灵敏度的全比特相干捕获方法。最后对当输入
圆地球轨道（ＭＥ０）卫星和５颗倾斜地球同步轨道（ＩＧＳＯ）
信号与本地的伪随机码对齐而ＮＨ码未对齐时，应用全比特
卫星Ⅲ。第二代北斗导航系统主要功能为定位、测速、单
相干捕获方法捕获ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点信号，其结果出
双向授时和短报文通信 ］。
现多峰性的原因进行理论解释和仿真验证。
目前，导航卫星捕获方法主要分为串行捕获和并行捕
获。串行搜索一般采用滑动相关器 ，每次只能搜索一个频
２差分相干捕获方法
点上的一个码相位；并行捕获方法有实现码域并行搜索的匹 为了快速捕获北斗强信号，本文提出差分相干捕获算
配滤波器法 ］，实现频域并行搜索的ＦＦＴ捕获方法 以及
法。该算法是基于ＧＰＳ的匹配滤波器加ＦＦＴ算法 ］，把
实现码域和频域并行搜索的部分匹配滤波器结合ＦＦＴ方 匹配滤波器中的相干累加变为差分相干，从而克服ＮＨ码
收稿日期：２０１３－０３
＊基金项目：国家自然科学基金（６１２２１００４）资助项目
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国外电子测量技术 一１９—
论与 法誊｜薯。
调制和比特翻转的影响。
北斗ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点信号１支路信号公式为：
Ｊ—ＡＣ（ ）Ｄ（ ）ＮＨ（ｆ）ｃｏｓ（２７【ｆｔ＋ ） （１）
首先对Ｊ支路信号做相关处理得：
Ｉ 一
ＡＣ Ｃ２Ｎｉｔ１（ｉ）ＮＨ２（ ）Ｄｋｃｏｓ（２Ⅱ 悫Ｔ）ｃｏｓ（２Ⅱ ｋＴ） （２）
Ｃ 为输入信号伪随机码，Ｃ 为本地复现的伪随机码；
， 为输入信号载波频率； 为本地复现载波频率；
ＮＨ （ ）为输入信号ＮＨ码，ＮＨ （ ）为本地ＮＨ码；Ｎ代
表每一分段的采样点数；Ｔ代表采样间隔。
令厂（ ）一ＮＨ （ｉ）ＮＨ （ｉ），Ｒ（ ）一∑Ｃ Ｃ。，对
式（２）在一个周期内求和可以得到Ｊ支路一个周期内相关
结果，同理可得Ｑ支路相关结果，即：
・
ｌ ｃｏｓ（２ｎＡｆＴＮ ＋７【△ （Ｎ一１））
］Ｑｆ一 ．
１ ｓｉｎ（２ｕＡｆＴＮｉ＋ △，丁（Ｎ一１））
对Ｊ—Ｉ 一Ｑ Ｑ一和Ｑ Ｉ ＋ＱＩ 组成的新的Ｊ和Ｑ
两路信号做ＦＦＴ得：
（Ｊ Ｊ 一Ｑ Ｑ ）＋ （Ｑｌ＋ Ｉ ＋ＱＪ ）一
４ ｓ娶 ｉｎ （７ｃ△／７＂） ｓｓｉｎｉ（ｎＭｏ（ｘ／ｘ２／、）２ … ） ｔ￣）
ｃｏｓ（２￣ＡｆＴＮ＋ ２）＋ｊｓｉｎ（２ｎＡｆＴＮ＋ ２）］
式中：声 一７ｃ（Ｍ 一１）（２ＡｆＴＮ—ｒｅ￣Ｍ）
那么相关包络为：
￣／（Ｉ Ｊ 一Ｑ Ｑ ） ＋（Ｑ Ｊ ＋Ｑ Ｊ ） 一
Ａ２ｓｉｎ２（￣ＡｆＴＮ）ｆ２ｆ —ｓｉｎ（ｎＭｏ（２ＡｆＴ
Ｎ－－ｒｅ￣Ｍ））（ｚｔ、
—
４ｓｉｎ （＇ｃ△ ） ” ｓｉｎ（ （２ＡｆＴＮ—ｒｅ￣Ｍ）） 、
由式（４）可得，差分相干方法使捕获信号幅度变为原
值的平方，从而克服比特反转和ＮＨ码调制对捕获结果的
影响，实现长时间差分相干累加。
３全比特相干捕获方法
３．１全比特相干捕获方法原理
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。为
了延长相干累加时间，应该将ＮＨ码从卫星信号中剥离。
为此，本文提出了全比特相干捕获方法。
全比特相干捕获算法是基于匹配滤波器加ＦＦＴ算法
的改进 ］。在相干累加之后，做ＦＦＴ之前加入ＮＨ码剥
离程序。为了实现２Ｏ次捕获结果的最大值，此次结果即
为正确剥离了ＮＨ码后的捕获结果。同时，为了提高捕获
灵敏度，设定相干累加时间为２０ ＩＴＩＳ。当ＮＨ码被正确剥
一
２０一 国外电子测量技术
己口１］年４月
第］己卷第４期
离时，在相干累加时间内也不会出现比特反转，从而在剥
离ＮＨ码的同时实现全比特相干，提高了捕获灵敏度。
３．２捕获结果出现多峰性原因分析
在捕获ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星信号时，当输入信号与本地
的伪随机码对齐而ＮＨ码未对齐时，应用全比特相干方法
的捕获结果会出现如图１所示的多峰性，即在正确的码相
位上出现多个能量峰值，原因推导如下：
∑Ｐｆ（ｉ）［ｃｏｓ（Ａ￣ ）＋ ｓｉｎ（Ａ￣ ）］ ｍ 一
！ ０
１
∑（Ｐｅ ‘ （ｉ））ｅＪ ｅ ” （５）
ｔ ０
令ｆ （ ）＝Ｐｅ ‘ ”－厂（ ），那么式（５）可写
＾ｔ一１
为∑ｆ （ ） Ⅱ 蚓 。
（×１Ｏ ）
多普勒频偏
图１ 北斗卫星信号捕获结果
信号 （ｉ）在时域内与因子 相乘，等效于在频域
中将整个频谱向频率增加方向搬移△厂。由此可知，在伪随机
码对齐，ＮＨ码未对齐的情况下捕获结果出现多峰性的原因
在于捕获结果显示了搬移多普勒频偏△，后的ＮＨ码频谱。
对以上推导进行仿真验证。采用全比特相干捕获方
法，测试对象为１号卫星，载波中频为４ １２３ ９６８ Ｈｚ，采样率
为１６ ３６７ ６６７ Ｈｚ，多普勒频偏为１ ０００ Ｈｚ。相干累加时间
为２Ｏ ｍｓ，非相干累加次数为１次，每ｍｓ分６段。检测捕获
结果最大能量值对应的多普勒频偏并做记录。然后将读人
数据起始点移位１ ｍｓ，重复上述步骤，共做２０次。
为与实测结果作对比，对ＮＨ码做５倍采样得１２０个
点，再补８个０得１２８个点。对采样起始点位移１ ｍｓ，重
复上述步骤得第２组１２８点数据。对两组数据做线性相
关，然后对其结果做１２８点ＦＦＴ，记录最大能量值所对应
多普勒频偏。重复上述步骤２０次，得到如表１所示结果。
仿真结果证明在伪随机码对齐，ＮＨ码未对齐的情况下捕
获结果出现多峰性的原因在于捕获结果显示了搬移多普
勒频偏△，后的ＮＨ码频谱。
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第］己卷第４期
理论与方法
Ｏ ０ Ｏ
斛 餐 案
０ ０ Ｏ ０ ０ ０
表１仿真信号峰值与ＮＨ码峰值对比
４仿真结果分析
对两种捕获方法进行仿真测试。测试数据载波中频
为４ １２３ ９６８ Ｈｚ，采样率为１６ ３６７ ６６７ Ｈｚ。相干累加时间
为２０ ｍｓ，非相干累加次数为１２次，捕获测试次数为１００
次，捕获结果如图２所示。用０．２４ Ｓ北斗ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫
星Ｂ１频点信号数据，差分相干捕获方法对４０ ｄＢ－Ｈｚ信号
４ ３ ３ ２
嘲箍
２ ● Ｏ Ｏ
０ ５ Ｏ ５ ０ ５ Ｏ ５
捕获成功概率为７３ ，全比特相干捕获方法对２８ ｄＢ—Ｈｚ
信号捕获成功概率为６２ 。
多普勒频偏／Ｈｚ 码相位
图４全比特相干捕获方法捕获结果
上述两幅图中的捕获结果可以明显的看到信号能量
峰值。
５ 结 论
本文对北斗ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点信号捕获方法
进行研究，针对北斗强信号和弱信号分别提出了差分相干
信号强度／（ｄＢ－Ｈｚ）
方法和全比特相干方法，并对两种方法进行仿真测试。
图２ ２种捕获方法捕获结果
全比特相干捕获方法捕获灵敏度比差分相干捕获方
对４０ ｄＢ－Ｈｚ信号，采用差分相干捕获方法的捕获结果如
法高１２ｄＢ—Ｈｚ，而差分相干捕获方法比全比特相干捕获方
图３所示，对２８ ｄＢ－Ｈｚ信号，采用全比特相干捕获方法的捕
法捕获强信号速度更快。对于大于等于４０ ｄＢ－Ｈｚ强信号
获结果如图４所示，横轴为多普勒频偏，纵轴为信号能量
用差分相干捕获方法，对于小于４０ ｄＢ—Ｈｚ而大于等于
×１０
２８ｄＢ—Ｈｚ的弱信号采用全比特相干捕获方法。
参考文献
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［４］ＥＬＬＩＯＮＴ Ｄ Ｋ．ＧＰＳ原理与应用［Ｍ］．寇艳红，译．北
多普勒频偏／Ｈｚ 码相位
京：电子工业出版社，２００７：６６—６９．
图３差分相干方法捕获结果
（下转第５Ｏ页）
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国外电子测量技术 一２１—
研究与开发
参考文献
己口１］年４月
第］己卷第４期——＿
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ｆａｕｌｔ—ｃｏｖｅｒａｇｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｏｆ ｄａｔａ，ｃｏｎｔｒｏｌ
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作者简介
［５］ ＣＯＴＡ Ｅ，ＫＡＳＴＥＮＳＭＩＤＴ Ｆ Ｌ，ＣＡＳＳＥＬ Ｍ，ｅｔ ａ１．
Ｒｅｄｅｆｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｆａｕｌｔｓ ｉｎ Ｍｅｓｈ
ＮｏＣｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ’ｌ Ｔｅｓｔ Ｃｏｎｆ．，２００７：１－１０．
［６］ＫＵＭＡＲ Ｓ Ｊ，ＳＣＨ Ａ，ＳＯＩＮＩＮＥＮ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｅｔｗｏｒｋ
ｏｎ ｃｈｉｐ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ［Ｃ］．
Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ａｎｎｕａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ
ｏｎ ＶＬＳＩ，ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ，２００２：１０５—１１２．
蔡荣艳：１９８６年出生，工学硕士，主要研究方向为自
动测试与控制系统。
Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｏｖｅｃｒｙｒ＠１２６．ｅｏｍ
（上接第２１页）
［５］丁继承．弱信号条件下ＧＰＳ接收机关键技术研
作者简介
究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２００９．
［６］林庆恩．ＧＰＳ软件接收机信号处理关键技术研
究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００９．
［７］魏丰，朱广伟，王瑞清，等．一种ＧＰＳ校准的数字式高
精度守时钟［Ｊ］．仪器仪表学报，２０１１，３２（４）：９２０—９２６．
史向男：１９８８年出生，硕士研究生，学生，主要研究方
向为卫星导航捕获算法。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｎｇｎａｎ９２００＠１２６．ｃｏｍ
［８］邵显奎，刘党辉，林建华，等．弱导航信号捕获技术仿
真分析［Ｊ］．国外电子测量技术，２０１２，３１（７）：２０—２３．
巴晓辉：副研究员，主要研究方向为卫星导航定位算
法与接收机设计。
Ｅ—ｍａｉｌ：ｂａｘｉａｏｈｕｉ＠１６３．ｃｏｍ
［９］李源明，张波，李署坚，等．ＧＰＳ软件接收机中一种新
的弱信号捕获算法［Ｊ］．电子测量技术，２０１２，３５（１１）：
１３—１８．
陈杰：研究员，研究方向为多核处理器、通信与多媒体
信号处理Ｓ０Ｃ研发。
Ｅ—ｍａｉｌ：ｉ ｃｈｅｎ＠ｉｍｅ．ａｅ．ｅｎ
［１Ｏ］张炳琪，刘峰，陈禾，等．北斗公开服务信号调制方式研
究［Ｊ］．中国科学：物理学，力学，天文学，２０１１（５）：５２—５８．
５０一 国外电子测量技术
中国科技核心期刊
2024年9月17日发(作者：撒贞芳)
己口Ｉ］年４月
第］己卷第４期 理论与方法
北斗ＭＥｏ／ＩＧＳｏ卫星Ｂ１频点信号捕获方法研究＊
史向男 巴晓辉 陈 杰
（中国科学院微电子研究所 北京 １０００２９）
摘 要：针对北斗ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星因存在ＮＨ码调制而导致使用ＧＰＳ捕获方法捕获灵敏度降低的问题，提出了差分相干方法和
全比特相干方法。差分相干方法克服了ＮＨ码和比特翻转的影响，能够快速捕获北斗ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点大于等于
４０ ｄＢ－Ｈｚ的强信号。全比特相干方法能够剥离ＮＨ码并实现全比特相干，从而捕获大于等于２８ｄＢＨｚ的弱信号。最后，针对应
用全比特相干捕获方法捕获北斗信号，在ＮＨ码未剥离成功时其结果出现多峰性的现象，本文进行了理论解释和仿真验证。
关键词：卫星导航；北斗卫星导航系统；高灵敏度捕获
中图分类号：ＴＮ９ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：５９０．２０２０
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｂ １
ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ＭＥＯ／ＩＧＳＯ ｉｎ ＢＤＳ
Ｓｈｉ Ｘｉａｎｇｎａｎ Ｂａ Ｘｉａｏｈｕｉ Ｃｈｅｎ Ｊｉｅ
（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００２９，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｒｅｓｅｎｔｓ ａ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ａｎｄ ａ ｆｕｌｌ—ｂｉｔ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｔＯ
ａｄｄｒｅｓｓ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｂｒｏｕｇｈｔ ｂｙ ＮＨ ｃｏｄｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｂ１ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ＭＥＯ／ＩＧＳＯ．Ｔｈｅ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ
ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ＮＨ ｃｏｄｅ ａｎｄ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ４０ｄＢ—Ｈｚ ｓｉｇｎａｌ ｏｆ ＭＥＯ／ｉＧＳＯ ｉｎ Ｂ１．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｆｕｌｌ—ｂｉｔ
ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｃａｎ ｐｅｅｌ ｔｈｅ ＮＨ ｃｏｄｅ ａｎｄ ｃａｐｔｕｒｅ ｔｈｅ ２８ｄＢ—Ｈｚ ｓｉｇｎａ１．Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ
ａｒｅ ｓｈｏｗｎ ｔＯ ｅｘｐｌａｉｎ ｔｈｅ ｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｈａｖｅ ｍｕｌｔｉｐｌｙ ｐｅａｋｓ ｉｆ ＮＨ ｃｏｄｅ ｉｓ ｎｏｔ ｐｅｅｌｅｄ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ—
ｌｙ ｗｈｅｎ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｌｌ—ｂｉｔ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ；ＢＤＳ；Ｈｉｇｈ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ｏｆ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ
１ 引 言
法 ］。因为北斗ＭＥＯ／ＩＧＳ０卫星Ｂ１频点信号存在ＮＨ码
调制的影响 ，使用以上捕获方法因相干累加时间不能超过
随着我国成功将第１６颗北斗导航卫星送入预定轨
１ ｍｓ而导致捕获灵敏度降低。为此，本文首先提出差分相干
道，北斗导航工程区域组网顺利完成。北斗导航系统的北
捕获方法，该方法克服了ＮＨ码和比特翻转的影响，能够快
斗卫星导航（区域）系统空间星座由１６颗组网卫星组成，
速捕获ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点强信号。然后针对ＭＥＯ／
包括６颗地球静止轨道（ＧＥＯ）和１Ｏ颗非地球静止轨道
ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点弱信号提出能够剥离ＮＨ码并实现全比
（Ｎｏｎ—ＧＥ０）卫星组成。其中，Ｎｏｎ—ＧＥＯ卫星包括５颗中
特相干的高灵敏度的全比特相干捕获方法。最后对当输入
圆地球轨道（ＭＥ０）卫星和５颗倾斜地球同步轨道（ＩＧＳＯ）
信号与本地的伪随机码对齐而ＮＨ码未对齐时，应用全比特
卫星Ⅲ。第二代北斗导航系统主要功能为定位、测速、单
相干捕获方法捕获ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点信号，其结果出
双向授时和短报文通信 ］。
现多峰性的原因进行理论解释和仿真验证。
目前，导航卫星捕获方法主要分为串行捕获和并行捕
获。串行搜索一般采用滑动相关器 ，每次只能搜索一个频
２差分相干捕获方法
点上的一个码相位；并行捕获方法有实现码域并行搜索的匹 为了快速捕获北斗强信号，本文提出差分相干捕获算
配滤波器法 ］，实现频域并行搜索的ＦＦＴ捕获方法 以及
法。该算法是基于ＧＰＳ的匹配滤波器加ＦＦＴ算法 ］，把
实现码域和频域并行搜索的部分匹配滤波器结合ＦＦＴ方 匹配滤波器中的相干累加变为差分相干，从而克服ＮＨ码
收稿日期：２０１３－０３
＊基金项目：国家自然科学基金（６１２２１００４）资助项目
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国外电子测量技术 一１９—
论与 法誊｜薯。
调制和比特翻转的影响。
北斗ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点信号１支路信号公式为：
Ｊ—ＡＣ（ ）Ｄ（ ）ＮＨ（ｆ）ｃｏｓ（２７【ｆｔ＋ ） （１）
首先对Ｊ支路信号做相关处理得：
Ｉ 一
ＡＣ Ｃ２Ｎｉｔ１（ｉ）ＮＨ２（ ）Ｄｋｃｏｓ（２Ⅱ 悫Ｔ）ｃｏｓ（２Ⅱ ｋＴ） （２）
Ｃ 为输入信号伪随机码，Ｃ 为本地复现的伪随机码；
， 为输入信号载波频率； 为本地复现载波频率；
ＮＨ （ ）为输入信号ＮＨ码，ＮＨ （ ）为本地ＮＨ码；Ｎ代
表每一分段的采样点数；Ｔ代表采样间隔。
令厂（ ）一ＮＨ （ｉ）ＮＨ （ｉ），Ｒ（ ）一∑Ｃ Ｃ。，对
式（２）在一个周期内求和可以得到Ｊ支路一个周期内相关
结果，同理可得Ｑ支路相关结果，即：
・
ｌ ｃｏｓ（２ｎＡｆＴＮ ＋７【△ （Ｎ一１））
］Ｑｆ一 ．
１ ｓｉｎ（２ｕＡｆＴＮｉ＋ △，丁（Ｎ一１））
对Ｊ—Ｉ 一Ｑ Ｑ一和Ｑ Ｉ ＋ＱＩ 组成的新的Ｊ和Ｑ
两路信号做ＦＦＴ得：
（Ｊ Ｊ 一Ｑ Ｑ ）＋ （Ｑｌ＋ Ｉ ＋ＱＪ ）一
４ ｓ娶 ｉｎ （７ｃ△／７＂） ｓｓｉｎｉ（ｎＭｏ（ｘ／ｘ２／、）２ … ） ｔ￣）
ｃｏｓ（２￣ＡｆＴＮ＋ ２）＋ｊｓｉｎ（２ｎＡｆＴＮ＋ ２）］
式中：声 一７ｃ（Ｍ 一１）（２ＡｆＴＮ—ｒｅ￣Ｍ）
那么相关包络为：
￣／（Ｉ Ｊ 一Ｑ Ｑ ） ＋（Ｑ Ｊ ＋Ｑ Ｊ ） 一
Ａ２ｓｉｎ２（￣ＡｆＴＮ）ｆ２ｆ —ｓｉｎ（ｎＭｏ（２ＡｆＴ
Ｎ－－ｒｅ￣Ｍ））（ｚｔ、
—
４ｓｉｎ （＇ｃ△ ） ” ｓｉｎ（ （２ＡｆＴＮ—ｒｅ￣Ｍ）） 、
由式（４）可得，差分相干方法使捕获信号幅度变为原
值的平方，从而克服比特反转和ＮＨ码调制对捕获结果的
影响，实现长时间差分相干累加。
３全比特相干捕获方法
３．１全比特相干捕获方法原理
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。为
了延长相干累加时间，应该将ＮＨ码从卫星信号中剥离。
为此，本文提出了全比特相干捕获方法。
全比特相干捕获算法是基于匹配滤波器加ＦＦＴ算法
的改进 ］。在相干累加之后，做ＦＦＴ之前加入ＮＨ码剥
离程序。为了实现２Ｏ次捕获结果的最大值，此次结果即
为正确剥离了ＮＨ码后的捕获结果。同时，为了提高捕获
灵敏度，设定相干累加时间为２０ ＩＴＩＳ。当ＮＨ码被正确剥
一
２０一 国外电子测量技术
己口１］年４月
第］己卷第４期
离时，在相干累加时间内也不会出现比特反转，从而在剥
离ＮＨ码的同时实现全比特相干，提高了捕获灵敏度。
３．２捕获结果出现多峰性原因分析
在捕获ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星信号时，当输入信号与本地
的伪随机码对齐而ＮＨ码未对齐时，应用全比特相干方法
的捕获结果会出现如图１所示的多峰性，即在正确的码相
位上出现多个能量峰值，原因推导如下：
∑Ｐｆ（ｉ）［ｃｏｓ（Ａ￣ ）＋ ｓｉｎ（Ａ￣ ）］ ｍ 一
！ ０
１
∑（Ｐｅ ‘ （ｉ））ｅＪ ｅ ” （５）
ｔ ０
令ｆ （ ）＝Ｐｅ ‘ ”－厂（ ），那么式（５）可写
＾ｔ一１
为∑ｆ （ ） Ⅱ 蚓 。
（×１Ｏ ）
多普勒频偏
图１ 北斗卫星信号捕获结果
信号 （ｉ）在时域内与因子 相乘，等效于在频域
中将整个频谱向频率增加方向搬移△厂。由此可知，在伪随机
码对齐，ＮＨ码未对齐的情况下捕获结果出现多峰性的原因
在于捕获结果显示了搬移多普勒频偏△，后的ＮＨ码频谱。
对以上推导进行仿真验证。采用全比特相干捕获方
法，测试对象为１号卫星，载波中频为４ １２３ ９６８ Ｈｚ，采样率
为１６ ３６７ ６６７ Ｈｚ，多普勒频偏为１ ０００ Ｈｚ。相干累加时间
为２Ｏ ｍｓ，非相干累加次数为１次，每ｍｓ分６段。检测捕获
结果最大能量值对应的多普勒频偏并做记录。然后将读人
数据起始点移位１ ｍｓ，重复上述步骤，共做２０次。
为与实测结果作对比，对ＮＨ码做５倍采样得１２０个
点，再补８个０得１２８个点。对采样起始点位移１ ｍｓ，重
复上述步骤得第２组１２８点数据。对两组数据做线性相
关，然后对其结果做１２８点ＦＦＴ，记录最大能量值所对应
多普勒频偏。重复上述步骤２０次，得到如表１所示结果。
仿真结果证明在伪随机码对齐，ＮＨ码未对齐的情况下捕
获结果出现多峰性的原因在于捕获结果显示了搬移多普
勒频偏△，后的ＮＨ码频谱。
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己口Ｉ］年４月
第］己卷第４期
理论与方法
Ｏ ０ Ｏ
斛 餐 案
０ ０ Ｏ ０ ０ ０
表１仿真信号峰值与ＮＨ码峰值对比
４仿真结果分析
对两种捕获方法进行仿真测试。测试数据载波中频
为４ １２３ ９６８ Ｈｚ，采样率为１６ ３６７ ６６７ Ｈｚ。相干累加时间
为２０ ｍｓ，非相干累加次数为１２次，捕获测试次数为１００
次，捕获结果如图２所示。用０．２４ Ｓ北斗ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫
星Ｂ１频点信号数据，差分相干捕获方法对４０ ｄＢ－Ｈｚ信号
４ ３ ３ ２
嘲箍
２ ● Ｏ Ｏ
０ ５ Ｏ ５ ０ ５ Ｏ ５
捕获成功概率为７３ ，全比特相干捕获方法对２８ ｄＢ—Ｈｚ
信号捕获成功概率为６２ 。
多普勒频偏／Ｈｚ 码相位
图４全比特相干捕获方法捕获结果
上述两幅图中的捕获结果可以明显的看到信号能量
峰值。
５ 结 论
本文对北斗ＭＥＯ／ＩＧＳＯ卫星Ｂ１频点信号捕获方法
进行研究，针对北斗强信号和弱信号分别提出了差分相干
信号强度／（ｄＢ－Ｈｚ）
方法和全比特相干方法，并对两种方法进行仿真测试。
图２ ２种捕获方法捕获结果
全比特相干捕获方法捕获灵敏度比差分相干捕获方
对４０ ｄＢ－Ｈｚ信号，采用差分相干捕获方法的捕获结果如
法高１２ｄＢ—Ｈｚ，而差分相干捕获方法比全比特相干捕获方
图３所示，对２８ ｄＢ－Ｈｚ信号，采用全比特相干捕获方法的捕
法捕获强信号速度更快。对于大于等于４０ ｄＢ－Ｈｚ强信号
获结果如图４所示，横轴为多普勒频偏，纵轴为信号能量
用差分相干捕获方法，对于小于４０ ｄＢ—Ｈｚ而大于等于
×１０
２８ｄＢ—Ｈｚ的弱信号采用全比特相干捕获方法。
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图３差分相干方法捕获结果
（下转第５Ｏ页）
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国外电子测量技术 一２１—
研究与开发
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作者简介
［５］ ＣＯＴＡ Ｅ，ＫＡＳＴＥＮＳＭＩＤＴ Ｆ Ｌ，ＣＡＳＳＥＬ Ｍ，ｅｔ ａ１．
Ｒｅｄｅｆｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ Ｆａｕｌｔｓ ｉｎ Ｍｅｓｈ
ＮｏＣｓ［Ｃ］．Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ Ｉｎｔ’ｌ Ｔｅｓｔ Ｃｏｎｆ．，２００７：１－１０．
［６］ＫＵＭＡＲ Ｓ Ｊ，ＳＣＨ Ａ，ＳＯＩＮＩＮＥＮ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ａ ｎｅｔｗｏｒｋ
ｏｎ ｃｈｉｐ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄｏｌｏｇｙ［Ｃ］．
Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＩＥＥＥ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ａｎｎｕａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ
ｏｎ ＶＬＳＩ，ＩＥＥＥ Ｐｒｅｓｓ，２００２：１０５—１１２．
蔡荣艳：１９８６年出生，工学硕士，主要研究方向为自
动测试与控制系统。
Ｅ—ｍａｉｌ：ｌｏｖｅｃｒｙｒ＠１２６．ｅｏｍ
（上接第２１页）
［５］丁继承．弱信号条件下ＧＰＳ接收机关键技术研
作者简介
究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２００９．
［６］林庆恩．ＧＰＳ软件接收机信号处理关键技术研
究［Ｄ］．上海：上海交通大学，２００９．
［７］魏丰，朱广伟，王瑞清，等．一种ＧＰＳ校准的数字式高
精度守时钟［Ｊ］．仪器仪表学报，２０１１，３２（４）：９２０—９２６．
史向男：１９８８年出生，硕士研究生，学生，主要研究方
向为卫星导航捕获算法。
Ｅ－ｍａｉｌ：ｘｉａｎｇｎａｎ９２００＠１２６．ｃｏｍ
［８］邵显奎，刘党辉，林建华，等．弱导航信号捕获技术仿
真分析［Ｊ］．国外电子测量技术，２０１２，３１（７）：２０—２３．
巴晓辉：副研究员，主要研究方向为卫星导航定位算
法与接收机设计。
Ｅ—ｍａｉｌ：ｂａｘｉａｏｈｕｉ＠１６３．ｃｏｍ
［９］李源明，张波，李署坚，等．ＧＰＳ软件接收机中一种新
的弱信号捕获算法［Ｊ］．电子测量技术，２０１２，３５（１１）：
１３—１８．
陈杰：研究员，研究方向为多核处理器、通信与多媒体
信号处理Ｓ０Ｃ研发。
Ｅ—ｍａｉｌ：ｉ ｃｈｅｎ＠ｉｍｅ．ａｅ．ｅｎ
［１Ｏ］张炳琪，刘峰，陈禾，等．北斗公开服务信号调制方式研
究［Ｊ］．中国科学：物理学，力学，天文学，２０１１（５）：５２—５８．
５０一 国外电子测量技术
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