北斗導(dǎo)航接收機(jī)B1信號捕獲算法的深度剖析與FPGA驗證研究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今全球化的信息時代，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已成為現(xiàn)代社會不可或缺的重要基礎(chǔ)設(shè)施，廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。作為我國自主建設(shè)、獨立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）的全面建成和投入使用，標(biāo)志著我國在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了從跟跑到領(lǐng)跑的重大跨越，具有極其重要的戰(zhàn)略意義和深遠(yuǎn)影響。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)憑借其高精度、高可靠、高穩(wěn)定的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)，在交通運(yùn)輸、農(nóng)林漁業(yè)、水文監(jiān)測、氣象預(yù)報、通信時統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等諸多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用，為國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會穩(wěn)定和國防安全提供了堅實的支撐。例如，在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，北斗系統(tǒng)可以實現(xiàn)車輛、船舶的實時定位和跟蹤，優(yōu)化運(yùn)輸路線，提高運(yùn)輸效率，降低物流成本；在農(nóng)林漁業(yè)方面，利用北斗的精準(zhǔn)定位和導(dǎo)航功能，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、智能漁業(yè)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和漁業(yè)資源利用率；在救災(zāi)減災(zāi)中，北斗系統(tǒng)可以為救援人員提供準(zhǔn)確的位置信息，快速定位受災(zāi)區(qū)域，提高救援效率，保障人民生命財產(chǎn)安全。B1信號作為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要信號之一，承載著豐富的導(dǎo)航信息。B1信號捕獲算法則是北斗導(dǎo)航接收機(jī)的核心技術(shù)，其性能優(yōu)劣直接決定著接收機(jī)能否快速、準(zhǔn)確地捕獲衛(wèi)星信號，進(jìn)而影響到整個導(dǎo)航系統(tǒng)的定位精度、可靠性和實時性。高效的B1信號捕獲算法能夠顯著縮短接收機(jī)的首次定位時間（TTFF），提高定位的成功率，增強(qiáng)接收機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和抗干擾能力，為用戶提供更加優(yōu)質(zhì)、可靠的導(dǎo)航服務(wù)。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用場景的不斷拓展和深化，對B1信號捕獲算法的性能提出了更為嚴(yán)苛的要求。在一些特殊應(yīng)用場景，如城市峽谷、室內(nèi)環(huán)境、高速移動平臺等，衛(wèi)星信號往往受到遮擋、多徑效應(yīng)、多普勒頻移等因素的嚴(yán)重影響，導(dǎo)致信號強(qiáng)度減弱、信噪比降低，傳統(tǒng)的捕獲算法難以滿足快速、準(zhǔn)確捕獲信號的需求。因此，深入研究和優(yōu)化B1信號捕獲算法，對于提升北斗導(dǎo)航接收機(jī)的性能，推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用和可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。此外，通過對B1信號捕獲算法的研究，還能夠促進(jìn)相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展，如數(shù)字信號處理、通信技術(shù)、集成電路設(shè)計等。這些技術(shù)的進(jìn)步將進(jìn)一步提升我國在衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的核心競爭力，為我國在全球衛(wèi)星導(dǎo)航市場中贏得更大的發(fā)展空間。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)作為現(xiàn)代信息技術(shù)的重要組成部分，在全球范圍內(nèi)受到了廣泛的關(guān)注和深入的研究。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的逐步完善和應(yīng)用拓展，針對北斗B1信號捕獲算法及其實現(xiàn)在FPGA上的研究也取得了豐富的成果。國外在衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲算法領(lǐng)域的研究起步較早，尤其是在GPS信號捕獲方面積累了深厚的技術(shù)基礎(chǔ)。早期，串行捕獲算法是較為常用的方法，該算法通過逐次搜索偽碼相位和多普勒頻移來實現(xiàn)信號捕獲，雖然原理簡單，但捕獲時間較長，難以滿足實時性要求較高的應(yīng)用場景。隨著技術(shù)的發(fā)展，頻域并行捕獲算法和時域并行捕獲算法應(yīng)運(yùn)而生。頻域并行捕獲算法利用快速傅里葉變換（FFT）將信號從時域轉(zhuǎn)換到頻域進(jìn)行處理，大大提高了捕獲速度，如基于FFT的并行碼相位捕獲算法，能夠在較短時間內(nèi)完成對多個衛(wèi)星信號的捕獲。時域并行捕獲算法則通過并行相關(guān)器同時對多個偽碼相位進(jìn)行搜索，也顯著提升了捕獲效率。在北斗B1信號捕獲算法研究方面，國內(nèi)學(xué)者針對北斗信號的特點，進(jìn)行了大量富有成效的研究工作。由于北斗B1信號存在導(dǎo)航電文比特翻轉(zhuǎn)、NH碼二次調(diào)制等特殊情況，傳統(tǒng)的捕獲算法在應(yīng)用時面臨諸多挑戰(zhàn)。例如，北斗靜止軌道衛(wèi)星電文傳輸速率高，電文翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致捕獲算法的相關(guān)增益和頻移搜索精度降低。針對這一問題，有研究結(jié)合傳統(tǒng)部分匹配濾波器與FFT捕獲算法的優(yōu)點，提出一種能夠消除導(dǎo)航電文翻轉(zhuǎn)、提高頻移搜索精度的快速捕獲方法。該方法通過理論論證和仿真驗證，表明在獲得相同偽碼搜索精度的條件下，能夠有效消除電文翻轉(zhuǎn)對多普勒頻移搜索精度的影響，實現(xiàn)北斗B1信號的高精度快速捕獲。針對BDSB1頻點的D1導(dǎo)航電文因存在NH碼二次調(diào)制，導(dǎo)致相干累積時間不能超過1ms，從而影響增益累積效果、降低弱信號捕獲性能的問題，有研究基于NH碼與CB1I碼疊加碼的自相關(guān)性，提出了一種改進(jìn)的基于全比特累積的差分相干算法來實現(xiàn)BDS弱信號捕獲。該算法通過將非相干算法和傳統(tǒng)差分相干算法有效結(jié)合，解決了傳統(tǒng)差分相干算法不適用于長時間相干累積的問題。仿真結(jié)果表明，改進(jìn)算法能夠?qū)崿F(xiàn)信號功率低至-178dBW的BDS-B1頻點弱信號的捕獲。在FPGA驗證方面，國內(nèi)外都致力于將捕獲算法在FPGA平臺上實現(xiàn)，以滿足實際應(yīng)用中對硬件實時性和可靠性的要求。FPGA具有并行計算、高速處理等優(yōu)點，適用于復(fù)雜信號處理任務(wù)。在實現(xiàn)過程中，需要考慮資源利用效率、功耗、時鐘約束等因素。例如，通過合理設(shè)計硬件架構(gòu)，優(yōu)化邏輯代碼，減少不必要的計算，提高運(yùn)算速度，同時采用低功耗設(shè)計技術(shù)，如動態(tài)功耗管理、休眠模式等，降低系統(tǒng)功耗。然而，目前的研究仍存在一些不足之處。部分算法在復(fù)雜環(huán)境下的抗干擾能力有待進(jìn)一步提高，如在多徑效應(yīng)嚴(yán)重、信號遮擋等情況下，捕獲性能會受到較大影響。此外，在FPGA實現(xiàn)中，如何在有限的資源條件下進(jìn)一步優(yōu)化算法，提高資源利用率，也是需要深入研究的問題。隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用場景的不斷拓展，對B1信號捕獲算法的性能和FPGA實現(xiàn)的要求也將越來越高，未來的研究需要在提高捕獲精度、速度、抗干擾能力以及優(yōu)化硬件實現(xiàn)等方面不斷探索和創(chuàng)新。1.3研究目標(biāo)與內(nèi)容本研究旨在深入探究北斗導(dǎo)航接收機(jī)B1信號捕獲算法，通過優(yōu)化算法提升其性能，并完成在FPGA上的驗證，以實現(xiàn)更加高效、可靠的衛(wèi)星信號捕獲。在算法原理研究方面，深入剖析北斗B1信號的結(jié)構(gòu)特點，包括載波特性、測距碼生成方式及其自相關(guān)特性，以及導(dǎo)航電文的格式和特點。例如，詳細(xì)研究測距碼CB1I碼的碼速率為2.046Mb/s，碼長為2046，以及D1導(dǎo)航電文上調(diào)制的Neumann-Hoffman二次編碼（NH碼）的周期、碼速率和碼寬等特性，為后續(xù)捕獲算法的設(shè)計奠定堅實的理論基礎(chǔ)。捕獲算法設(shè)計是研究的核心內(nèi)容之一。分析現(xiàn)有的串行捕獲算法、頻域并行捕獲算法和時域并行捕獲算法的原理和優(yōu)缺點，比較它們在計算量、捕獲速度和精度等方面的差異。針對北斗B1信號存在的導(dǎo)航電文比特翻轉(zhuǎn)、NH碼二次調(diào)制等問題，結(jié)合相關(guān)理論和技術(shù)，提出改進(jìn)的捕獲算法。如針對導(dǎo)航電文比特翻轉(zhuǎn)問題，設(shè)計類圓相關(guān)算法，并與FFT運(yùn)算相結(jié)合，形成改進(jìn)的時域并行捕獲算法，同時針對北斗D2導(dǎo)航電文設(shè)計合理的合并策略，以提高捕獲算法在復(fù)雜情況下的性能。對改進(jìn)后的捕獲算法進(jìn)行全面的性能分析。通過MATLAB等工具進(jìn)行仿真，評估算法在不同信噪比、多普勒頻移、信號遮擋等條件下的捕獲性能，包括捕獲靈敏度、捕獲時間、捕獲精度和捕獲概率等指標(biāo)。分析算法在處理弱信號時的能力，研究如何通過改進(jìn)算法提高對弱信號的捕獲成功率，如基于NH碼與CB1I碼疊加碼的自相關(guān)性，提出改進(jìn)的基于全比特累積的差分相干算法來實現(xiàn)BDS弱信號捕獲，并與其他弱信號捕獲方法進(jìn)行對比分析。完成改進(jìn)算法在FPGA上的硬件實現(xiàn)與驗證。選擇合適的FPGA開發(fā)平臺，如Xilinx公司的Virtex系列或Altera公司的Stratix系列，根據(jù)算法特點和硬件資源，設(shè)計合理的硬件架構(gòu)。使用VerilogHDL或VHDL等硬件描述語言對各個功能模塊進(jìn)行編程實現(xiàn)，包括時鐘生成模塊、信號輸入模塊、載波生成及復(fù)混頻模塊、平均采樣模塊、有比特反轉(zhuǎn)處理模塊、無比特反轉(zhuǎn)處理模塊、累加模塊和檢測判決模塊等。對設(shè)計好的硬件模塊進(jìn)行功能仿真和時序仿真，驗證其正確性和性能。進(jìn)行硬件測試，將FPGA開發(fā)板與實際的北斗信號源連接，測試捕獲算法在實際環(huán)境中的運(yùn)行效果，分析硬件實現(xiàn)過程中可能出現(xiàn)的問題，如資源利用效率、功耗、時鐘約束等，并提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。1.4研究方法與技術(shù)路線本研究綜合運(yùn)用理論分析、算法仿真和硬件驗證等多種方法，確保研究的全面性、科學(xué)性和實用性。在理論分析方面，深入研究衛(wèi)星導(dǎo)航原理以及北斗B1信號的結(jié)構(gòu)和特性，包括載波特性、測距碼生成方式及其自相關(guān)特性，以及導(dǎo)航電文的格式和特點。通過對這些理論知識的深入剖析，為后續(xù)捕獲算法的設(shè)計和優(yōu)化提供堅實的理論基礎(chǔ)。例如，在研究測距碼時，詳細(xì)分析CB1I碼的碼速率、碼長等參數(shù)，以及其自相關(guān)特性對信號捕獲的影響；對于導(dǎo)航電文，研究其格式、數(shù)據(jù)內(nèi)容以及NH碼二次調(diào)制等特點，明確這些因素在信號捕獲過程中可能帶來的問題和挑戰(zhàn)。算法仿真采用MATLAB軟件搭建仿真平臺，對各種捕獲算法進(jìn)行建模和仿真分析。通過設(shè)置不同的仿真參數(shù)，模擬實際的信號環(huán)境，如不同的信噪比、多普勒頻移、信號遮擋等情況，評估算法在不同條件下的捕獲性能。例如，在研究算法的捕獲靈敏度時，通過逐漸降低信號的信噪比，觀察算法能夠成功捕獲信號的最低信噪比；在研究捕獲時間時，記錄算法從接收到信號到完成捕獲的時間，分析不同算法在不同條件下的捕獲速度。通過仿真，對比分析現(xiàn)有算法的優(yōu)缺點，為改進(jìn)算法的設(shè)計提供依據(jù)，并對改進(jìn)后的算法進(jìn)行性能評估，驗證其有效性和優(yōu)越性。硬件驗證選擇合適的FPGA開發(fā)平臺，如Xilinx公司的Virtex系列或Altera公司的Stratix系列，將改進(jìn)后的捕獲算法在FPGA上實現(xiàn)。使用硬件描述語言，如VerilogHDL或VHDL，對算法中的各個功能模塊進(jìn)行設(shè)計和編程實現(xiàn)。在實現(xiàn)過程中，充分考慮硬件資源的利用效率、功耗、時鐘約束等因素，優(yōu)化硬件架構(gòu)和邏輯代碼，確保算法能夠在硬件平臺上高效、穩(wěn)定地運(yùn)行。完成硬件設(shè)計后，進(jìn)行功能仿真和時序仿真，驗證硬件模塊的正確性和性能。通過硬件測試，將FPGA開發(fā)板與實際的北斗信號源連接，測試捕獲算法在實際環(huán)境中的運(yùn)行效果，進(jìn)一步驗證算法的可行性和實用性。在技術(shù)路線上，首先進(jìn)行廣泛的文獻(xiàn)調(diào)研，全面了解國內(nèi)外衛(wèi)星導(dǎo)航信號捕獲算法的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，特別是針對北斗B1信號捕獲算法的相關(guān)研究成果。在此基礎(chǔ)上，深入研究北斗B1信號的結(jié)構(gòu)和特性，為捕獲算法的設(shè)計提供理論依據(jù)。然后，分析現(xiàn)有的串行捕獲算法、頻域并行捕獲算法和時域并行捕獲算法，比較它們的優(yōu)缺點和適用場景，結(jié)合北斗B1信號的特點，提出改進(jìn)的捕獲算法。利用MATLAB對改進(jìn)算法進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化算法參數(shù)，提高算法性能。完成算法優(yōu)化后，進(jìn)行FPGA硬件設(shè)計，將改進(jìn)算法在FPGA上實現(xiàn)，并進(jìn)行功能仿真、時序仿真和硬件測試，驗證算法的正確性和硬件實現(xiàn)的可行性。根據(jù)測試結(jié)果，對算法和硬件設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，最終實現(xiàn)高效、可靠的北斗B1信號捕獲算法及其FPGA驗證。二、北斗導(dǎo)航系統(tǒng)及B1信號概述2.1北斗導(dǎo)航系統(tǒng)介紹北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、獨立運(yùn)行的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是為全球用戶提供全天候、全天時、高精度的定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)的國家重要時空基礎(chǔ)設(shè)施。其發(fā)展歷程是一部充滿挑戰(zhàn)與突破的奮斗史，彰顯了我國在航天領(lǐng)域的不懈追求和卓越成就。20世紀(jì)后期，中國開始探索適合國情的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展道路，逐步形成了三步走發(fā)展戰(zhàn)略。1994年，北斗一號系統(tǒng)工程正式立項，開啟了我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)自主研發(fā)的征程。經(jīng)過多年的艱苦努力，2000年，北斗一號系統(tǒng)建成并投入使用，采用有源定位體制，為中國用戶提供定位、授時和短報文通信服務(wù)，使我國成為世界上第三個擁有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的國家，打破了國外在該領(lǐng)域的長期壟斷，實現(xiàn)了從無到有的重大突破。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用需求的增長，2004年，北斗二號系統(tǒng)工程啟動。該系統(tǒng)克服了北斗一號系統(tǒng)存在的缺點，開始向無源定位體制轉(zhuǎn)變，并于2012年年底全面建成，向亞太地區(qū)提供無源定位服務(wù)。北斗二號系統(tǒng)的建成，進(jìn)一步提升了我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的服務(wù)能力和覆蓋范圍，為亞太地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會進(jìn)步提供了有力支持。2009年，北斗三號全球系統(tǒng)建設(shè)正式啟動。經(jīng)過8年的攻堅克難，2020年6月，由24顆中圓地球軌道衛(wèi)星、3顆地球靜止軌道衛(wèi)星和3顆傾斜地球同步軌道衛(wèi)星組成的北斗三號系統(tǒng)完成星座部署，并于同年7月正式開通全球服務(wù)。北斗三號系統(tǒng)全面突破系統(tǒng)核心關(guān)鍵技術(shù)，具備高精度、高可靠、高保險、多功能等特點，實現(xiàn)了從區(qū)域到全球的跨越，其全球范圍定位精度實測優(yōu)于4.4米，與美國GPS精度相當(dāng)，標(biāo)志著我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)入世界先進(jìn)行列。北斗系統(tǒng)的星座構(gòu)成獨具特色，采用了三種軌道衛(wèi)星組成的混合星座，包括地球靜止軌道衛(wèi)星（GEO）、傾斜地球同步軌道衛(wèi)星（IGSO）和中圓地球軌道衛(wèi)星（MEO）。GEO衛(wèi)星定點于赤道上空，運(yùn)動周期與地球自轉(zhuǎn)周期相同，相對地球靜止，軌道高度約為35786km，軌道傾角為0度。單星覆蓋區(qū)域較大，3顆GEO衛(wèi)星可覆蓋亞太大部分地區(qū)，對覆蓋區(qū)域內(nèi)用戶的可見性達(dá)到100%，且由于軌道高，具有良好的抗遮蔽性，在城市、峽谷、山區(qū)等場景應(yīng)用優(yōu)勢明顯。IGSO衛(wèi)星軌道高度與GEO衛(wèi)星相同，軌道傾角為55度，星下點軌跡為“8”字。其信號抗遮擋能力強(qiáng)，尤其在低緯度地區(qū)性能優(yōu)勢顯著。我國地處北半球，高大山體、建筑物的遮擋使得北側(cè)的用戶難以接收赤道平面的GEO衛(wèi)星信號，而IGSO衛(wèi)星可與GEO衛(wèi)星搭配，形成良好的幾何構(gòu)型，一定程度上克服GEO衛(wèi)星在高緯度地區(qū)仰角過低帶來的影響，有效緩解北坡效應(yīng)問題。MEO衛(wèi)星軌道高度約21500km，軌道傾角為55度，繞地球旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，通過多顆衛(wèi)星組網(wǎng)可實現(xiàn)全球覆蓋，北斗MEO星座回歸特性為7天13圈。這種混合星座構(gòu)型實現(xiàn)了全球覆蓋，并突出了區(qū)域優(yōu)勢，功能豐富且效費(fèi)比高。MEO衛(wèi)星全支撐實現(xiàn)全球覆蓋和全球服務(wù)；GEO衛(wèi)星和IGSO衛(wèi)星組成的區(qū)域星座，既實現(xiàn)了對亞太區(qū)域良好的幾何構(gòu)型，也可在重點區(qū)域、遮檔區(qū)域等獲得更好的星座性能，顯著增強(qiáng)北斗在重點服務(wù)區(qū)的導(dǎo)航性能。北斗系統(tǒng)的工作原理基于衛(wèi)星與用戶接收機(jī)之間的距離測量和三角定位原理。衛(wèi)星不間斷地發(fā)送包含自身位置、時間信息以及其他導(dǎo)航數(shù)據(jù)的信號，用戶接收機(jī)接收到至少4顆衛(wèi)星的信號后，通過測量信號的傳播時間，結(jié)合光速不變原理，計算出接收機(jī)到各衛(wèi)星的距離。然后，利用三角定位算法，根據(jù)這些距離信息以及衛(wèi)星的已知位置，確定用戶接收機(jī)在地球上的三維坐標(biāo)（經(jīng)度、緯度、高度），從而實現(xiàn)定位功能。同時，通過對多個定位結(jié)果的時間序列分析，還可以計算出用戶的運(yùn)動速度和方向。在授時方面，衛(wèi)星上搭載的高精度原子鐘為系統(tǒng)提供精確的時間基準(zhǔn)，用戶接收機(jī)通過接收衛(wèi)星信號，獲取時間信息，實現(xiàn)高精度的時間同步。北斗系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛，已深入到國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活之中。在交通運(yùn)輸領(lǐng)域，北斗系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于重點運(yùn)輸過程監(jiān)控、公路基礎(chǔ)設(shè)施安全監(jiān)控、港口高精度實時定位調(diào)度監(jiān)控等。例如，通過北斗定位技術(shù)，物流企業(yè)可以實時掌握貨物運(yùn)輸車輛的位置和行駛狀態(tài)，優(yōu)化運(yùn)輸路線，提高運(yùn)輸效率，降低物流成本；在港口作業(yè)中，利用北斗的高精度定位功能，能夠?qū)崿F(xiàn)船舶的精準(zhǔn)靠泊和貨物的高效裝卸。在農(nóng)林漁業(yè)方面，基于北斗的農(nóng)機(jī)作業(yè)監(jiān)管平臺實現(xiàn)農(nóng)機(jī)遠(yuǎn)程管理與精準(zhǔn)作業(yè)，服務(wù)農(nóng)機(jī)設(shè)備超過5萬臺，精細(xì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量提高5%，農(nóng)機(jī)油耗節(jié)約10%。定位與短報文通信功能在森林防火等應(yīng)用中發(fā)揮了突出作用，為林業(yè)部門提供森林資源監(jiān)測、火災(zāi)預(yù)警和救援指揮等服務(wù)；在漁業(yè)中，北斗系統(tǒng)為漁業(yè)管理部門提供船位監(jiān)控、緊急救援、信息發(fā)布、漁船出入港管理等服務(wù)，保障漁民的生命財產(chǎn)安全。在水文監(jiān)測方面，北斗系統(tǒng)成功應(yīng)用于多山地域水文測報信息的實時傳輸，提高了災(zāi)情預(yù)報的準(zhǔn)確性，為制定防洪抗旱調(diào)度方案提供重要支持。在氣象測報領(lǐng)域，研制了一系列氣象測報型北斗終端設(shè)備，形成系統(tǒng)應(yīng)用解決方案，提高了國內(nèi)高空氣象探空系統(tǒng)的觀測精度、自動化水平和應(yīng)急觀測能力。此外，北斗系統(tǒng)在通信系統(tǒng)、電力調(diào)度、救災(zāi)減災(zāi)、公共安全等領(lǐng)域也發(fā)揮著重要作用。在通信系統(tǒng)中，突破光纖拉遠(yuǎn)等關(guān)鍵技術(shù)，研制出一體化衛(wèi)星授時系統(tǒng)，開展北斗雙向授時應(yīng)用；在電力調(diào)度中，基于北斗的電力時間同步應(yīng)用，為電力事故分析、電力預(yù)警系統(tǒng)、保護(hù)系統(tǒng)等高精度時間應(yīng)用創(chuàng)造了條件；在救災(zāi)減災(zāi)中，利用北斗系統(tǒng)的導(dǎo)航、定位、短報文通信功能，提供實時救災(zāi)指揮調(diào)度、應(yīng)急通信、災(zāi)情信息快速上報與共享等服務(wù)，顯著提高了災(zāi)害應(yīng)急救援的快速反應(yīng)能力和決策能力。2.2B1信號特點分析B1信號作為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中的重要信號，其頻率特性具有獨特之處。B1信號工作在L頻段，中心頻率為1561.098MHz，信號帶寬為4.092MHz。這一頻率范圍使得B1信號在傳播過程中具有較好的穿透性和抗干擾能力，能夠在一定程度上克服建筑物、地形等障礙物的阻擋，確保信號的穩(wěn)定傳輸。例如，在城市環(huán)境中，高樓大廈林立，信號容易受到遮擋和反射，而B1信號的特性使其能夠在復(fù)雜的城市環(huán)境中保持一定的信號強(qiáng)度，為用戶提供可靠的導(dǎo)航服務(wù)。在調(diào)制方式上，B1信號采用了二進(jìn)制相移鍵控（BPSK）和二進(jìn)制偏移載波（BOC）等調(diào)制技術(shù)。BPSK調(diào)制是一種常用的數(shù)字調(diào)制方式，它通過改變載波的相位來傳輸信息，具有調(diào)制和解調(diào)簡單、頻譜利用率較高等優(yōu)點。而BOC調(diào)制則是一種更為復(fù)雜的調(diào)制技術(shù)，它通過引入副載波，使得信號在頻域上具有多個旁瓣，從而提高了信號的帶寬效率和抗多徑干擾能力。BOC調(diào)制技術(shù)的引入，使得B1信號在復(fù)雜的信號環(huán)境中能夠更好地抵抗多徑干擾，提高定位精度。在山區(qū)等多徑效應(yīng)嚴(yán)重的地區(qū)，BOC調(diào)制的B1信號能夠更準(zhǔn)確地測量信號的傳播時間，減少定位誤差。B1信號的編碼結(jié)構(gòu)包括測距碼和導(dǎo)航電文兩部分。測距碼是用于測量衛(wèi)星與接收機(jī)之間距離的偽隨機(jī)噪聲碼，B1信號采用的測距碼為CB1I碼，碼速率為2.046Mb/s，碼長為2046。CB1I碼具有良好的自相關(guān)特性，當(dāng)碼序列與其自身的相位移動版本進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算時，在相位對齊時能夠產(chǎn)生尖銳的自相關(guān)峰值，而在其他相位時自相關(guān)值較低。這種特性使得接收機(jī)能夠通過相關(guān)運(yùn)算準(zhǔn)確地確定信號的到達(dá)時間，從而實現(xiàn)精確的距離測量。導(dǎo)航電文則包含了衛(wèi)星的軌道參數(shù)、時鐘偏差、電離層延遲校正參數(shù)等重要信息，這些信息是接收機(jī)進(jìn)行定位解算的關(guān)鍵依據(jù)。B1信號的導(dǎo)航電文采用NRZ編碼，速率為50bps。在D1導(dǎo)航電文上還調(diào)制了Neumann-Hoffman二次編碼（NH碼），NH碼的周期為10230bit，碼速率為500kbps，碼寬為2μs。NH碼的調(diào)制增加了信號的抗干擾能力，但也使得相干累積時間不能超過1ms，對捕獲算法的增益累積效果產(chǎn)生了一定影響。在傳播過程中，B1信號會受到多種因素的影響。信號會受到電離層和對流層的延遲影響。電離層中的自由電子和離子會對信號的傳播速度產(chǎn)生影響，導(dǎo)致信號延遲；對流層中的水汽、溫度和氣壓等因素也會對信號傳播產(chǎn)生延遲。這些延遲會影響信號的到達(dá)時間測量，從而降低定位精度。為了克服這些影響，北斗系統(tǒng)采用了多種校正模型，如Klobuchar模型用于電離層延遲校正，Saastamoinen模型用于對流層延遲校正。通過這些模型，接收機(jī)可以對信號傳播延遲進(jìn)行估計和校正，提高定位精度。多徑效應(yīng)也是B1信號傳播過程中面臨的一個重要問題。當(dāng)信號在傳播過程中遇到建筑物、地面等障礙物時，會發(fā)生反射，這些反射信號與直接信號在接收機(jī)處相互疊加，形成多徑信號。多徑信號會導(dǎo)致信號的相位和幅度發(fā)生變化，從而影響信號的捕獲和跟蹤。在城市峽谷中，多徑效應(yīng)尤為嚴(yán)重，信號會在建筑物之間多次反射，使得接收機(jī)接收到的信號變得復(fù)雜，增加了信號處理的難度。為了應(yīng)對多徑效應(yīng)，研究人員提出了多種抗多徑算法，如窄相關(guān)技術(shù)、多徑估計延遲鎖定環(huán)（MEDLL）等。這些算法通過對多徑信號的特征進(jìn)行分析和處理，能夠有效地減少多徑效應(yīng)的影響，提高信號的捕獲和跟蹤性能。B1信號還會受到各種干擾的影響，包括自然干擾和人為干擾。自然干擾如宇宙噪聲、太陽活動等，雖然其強(qiáng)度相對較弱，但在某些情況下也可能對信號產(chǎn)生影響。人為干擾則包括同頻干擾、鄰頻干擾和有意干擾等。同頻干擾是指其他信號在與B1信號相同的頻率上傳輸，導(dǎo)致信號相互干擾；鄰頻干擾是指相鄰頻段的信號對B1信號產(chǎn)生干擾。有意干擾則是指惡意攻擊者通過發(fā)射強(qiáng)干擾信號來阻斷或破壞B1信號的正常接收。這些干擾會降低信號的信噪比，影響信號的捕獲和跟蹤性能，甚至導(dǎo)致接收機(jī)無法正常工作。為了提高B1信號的抗干擾能力，研究人員采用了多種抗干擾技術(shù)，如擴(kuò)頻技術(shù)、濾波技術(shù)、自適應(yīng)天線技術(shù)等。擴(kuò)頻技術(shù)通過將信號的頻譜擴(kuò)展到較寬的頻帶，降低了干擾信號對有用信號的影響；濾波技術(shù)則通過設(shè)計合適的濾波器，對干擾信號進(jìn)行抑制；自適應(yīng)天線技術(shù)則根據(jù)干擾信號的方向，自動調(diào)整天線的方向圖，增強(qiáng)對有用信號的接收，抑制干擾信號。2.3B1信號捕獲在導(dǎo)航接收機(jī)中的作用B1信號捕獲是北斗導(dǎo)航接收機(jī)處理信號的首要環(huán)節(jié)，也是實現(xiàn)精準(zhǔn)定位和可靠導(dǎo)航的關(guān)鍵前提。在導(dǎo)航接收機(jī)的工作流程中，首先需要對接收到的B1信號進(jìn)行捕獲，只有成功捕獲到信號，才能進(jìn)行后續(xù)的跟蹤、解調(diào)以及定位解算等一系列操作。可以說，B1信號捕獲是導(dǎo)航接收機(jī)與衛(wèi)星信號建立聯(lián)系的第一步，其性能直接影響著整個導(dǎo)航系統(tǒng)的運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量。B1信號捕獲的精度對后續(xù)跟蹤和定位解算有著至關(guān)重要的影響。如果捕獲精度較低，即捕獲到的信號載波頻率和偽碼相位與真實值存在較大偏差，那么在后續(xù)的跟蹤過程中，跟蹤環(huán)路可能無法準(zhǔn)確地鎖定信號，導(dǎo)致信號失鎖。信號失鎖會使接收機(jī)無法持續(xù)穩(wěn)定地獲取衛(wèi)星信號中的導(dǎo)航信息，從而影響定位解算的準(zhǔn)確性。在一些對定位精度要求較高的應(yīng)用場景，如航空航天、自動駕駛等領(lǐng)域，捕獲精度的微小偏差都可能導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。在自動駕駛中，不準(zhǔn)確的信號捕獲可能使車輛定位出現(xiàn)偏差，導(dǎo)致行駛路線偏離，增加交通事故的風(fēng)險。捕獲速度也是B1信號捕獲的一個重要指標(biāo)。在實際應(yīng)用中，用戶往往希望接收機(jī)能夠快速地完成定位，以滿足實時性的需求。如果捕獲速度過慢，接收機(jī)需要較長時間才能捕獲到衛(wèi)星信號并完成定位，這將影響用戶體驗，甚至在一些緊急情況下無法及時提供有效的導(dǎo)航服務(wù)。在緊急救援場景中，救援人員需要迅速確定位置以便開展救援工作，如果接收機(jī)的捕獲速度過慢，可能會延誤救援時機(jī)，造成不可挽回的損失。因此，提高B1信號的捕獲速度，能夠顯著縮短接收機(jī)的首次定位時間（TTFF），使接收機(jī)能夠更快地為用戶提供導(dǎo)航服務(wù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的實時性和響應(yīng)能力。在復(fù)雜的信號環(huán)境中，如城市峽谷、室內(nèi)環(huán)境、高速移動平臺等場景，衛(wèi)星信號會受到遮擋、多徑效應(yīng)、多普勒頻移等因素的影響，導(dǎo)致信號強(qiáng)度減弱、信噪比降低，這對B1信號捕獲提出了更高的挑戰(zhàn)。在城市峽谷中，高樓大廈會對衛(wèi)星信號產(chǎn)生遮擋和反射，形成多徑信號，這些多徑信號與直接信號相互干擾，使得信號捕獲變得困難。高速移動平臺會產(chǎn)生較大的多普勒頻移，超出了傳統(tǒng)捕獲算法的處理范圍，需要采用特殊的算法來補(bǔ)償多普勒頻移，以實現(xiàn)信號捕獲。如果在這些復(fù)雜環(huán)境下能夠快速、準(zhǔn)確地捕獲B1信號，就能夠保證接收機(jī)在惡劣條件下的正常工作，為用戶提供穩(wěn)定可靠的導(dǎo)航服務(wù)。這對于拓展北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，提高其在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性和抗干擾能力具有重要意義。B1信號捕獲作為北斗導(dǎo)航接收機(jī)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其精度和速度直接關(guān)系到后續(xù)跟蹤、定位解算等功能的實現(xiàn)。在實際應(yīng)用中，需要不斷優(yōu)化B1信號捕獲算法，提高捕獲精度和速度，以滿足不同場景下對導(dǎo)航系統(tǒng)性能的要求，推動北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)在更多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展。三、B1信號捕獲基本原理與傳統(tǒng)算法3.1信號捕獲基本原理信號捕獲是北斗導(dǎo)航接收機(jī)處理衛(wèi)星信號的首要關(guān)鍵步驟，其本質(zhì)在于在復(fù)雜的噪聲環(huán)境中，精確搜索并確定衛(wèi)星信號所攜帶的載波頻率和碼相位，從而實現(xiàn)對信號的初步同步。這一過程是后續(xù)信號跟蹤、解調(diào)以及定位解算等一系列操作的基礎(chǔ)，對于整個導(dǎo)航系統(tǒng)的性能起著決定性作用。從信號模型的角度來看，北斗B1信號可以表示為：s(t)=A_dD(t)c(t)\cos(2\pif_ct+\varphi)+n(t)其中，A_d為信號幅度，D(t)為導(dǎo)航電文，c(t)為測距碼，f_c為載波頻率，\varphi為載波相位，n(t)為噪聲。在實際接收過程中，由于衛(wèi)星與接收機(jī)之間存在相對運(yùn)動，以及信號傳播過程中的各種干擾因素，接收到的信號載波頻率會產(chǎn)生多普勒頻移，使得f_c變?yōu)閒_c+f_d，其中f_d為多普勒頻移。同時，由于信號傳播時延的存在，接收到的測距碼相位與本地生成的測距碼相位也會存在差異?；谙嚓P(guān)運(yùn)算的捕獲原理是利用測距碼良好的自相關(guān)特性。當(dāng)本地生成的測距碼和載波與接收到的衛(wèi)星信號中的測距碼和載波在頻率和相位上達(dá)到一致時，它們之間的相關(guān)運(yùn)算結(jié)果會出現(xiàn)一個明顯的峰值。通過在一定的頻率和相位范圍內(nèi)搜索這個峰值，就可以確定信號的載波頻率和碼相位。具體實現(xiàn)方式是，接收機(jī)內(nèi)部的信號捕獲模塊會生成一系列不同頻率和相位的本地載波和測距碼，然后將它們與接收到的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。對于每一個本地載波和測距碼的組合，計算其與接收信號的相關(guān)值，當(dāng)相關(guān)值超過預(yù)先設(shè)定的閾值時，就認(rèn)為成功捕獲到了信號，并將此時的載波頻率和碼相位作為捕獲結(jié)果輸出。在實現(xiàn)過程中，需要對接收信號進(jìn)行采樣和數(shù)字化處理。采樣頻率的選擇要滿足奈奎斯特采樣定理，以確保能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)原始信號。通常情況下，采樣頻率會設(shè)置為信號帶寬的兩倍以上。在北斗B1信號捕獲中，由于信號帶寬為4.092MHz，采樣頻率一般會設(shè)置在8MHz以上。數(shù)字化后的信號會被送入相關(guān)器中，與本地生成的載波和測距碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。相關(guān)運(yùn)算可以在時域或頻域中進(jìn)行，不同的實現(xiàn)方式具有各自的優(yōu)缺點，這將在后續(xù)的傳統(tǒng)算法分析中詳細(xì)闡述。信號捕獲的過程可以看作是在一個二維搜索空間中進(jìn)行搜索，這個二維空間由碼相位和多普勒頻移構(gòu)成。對于每一個可能的碼相位，都需要遍歷一定范圍的多普勒頻移；同樣，對于每一個多普勒頻移值，也需要搜索整個碼相位范圍。在搜索過程中，接收機(jī)不斷調(diào)整本地載波和測距碼的頻率和相位，以匹配接收到的信號。這就需要一個高效的搜索策略來減少搜索時間和計算量，提高捕獲效率。一些常見的搜索策略包括串行搜索、并行搜索等，它們在不同的應(yīng)用場景中發(fā)揮著重要作用。3.2傳統(tǒng)捕獲算法分析3.2.1串行捕獲算法串行捕獲算法是一種較為基礎(chǔ)的信號捕獲方法，其原理是在時域內(nèi)對所有可能的碼相位和多普勒頻移進(jìn)行逐一搜索。在搜索過程中，接收機(jī)每次僅預(yù)置一個多普勒頻移值和一個碼相位，然后將本地生成的載波和測距碼與接收到的信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。通過不斷改變本地載波和測距碼的頻率和相位，遍歷整個可能的搜索空間，直到找到相關(guān)值超過預(yù)設(shè)閾值的組合，此時認(rèn)為成功捕獲到信號。這種算法的優(yōu)點在于原理簡單，易于理解和實現(xiàn)。在硬件實現(xiàn)方面，它只需要基本的加法和乘法運(yùn)算單元，無論是采用專用集成電路（ASIC）還是現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA），都能夠相對容易地搭建起相應(yīng)的硬件電路。在軟件實現(xiàn)上，也可以通過簡單的程序邏輯來實現(xiàn)對碼相位和多普勒頻移的逐個搜索。串行捕獲算法存在著明顯的缺點。其計算量非常大。由于需要對每個可能的碼相位和多普勒頻移進(jìn)行逐一搜索，假設(shè)碼相位的搜索范圍為N個碼片，多普勒頻移的搜索范圍為M個頻率點，那么總的相關(guān)運(yùn)算次數(shù)為N\timesM次。對于北斗B1信號，CB1I碼的碼長為2046，若多普勒頻移的搜索范圍為\pm10kHz，以100Hz為步長進(jìn)行搜索，則需要進(jìn)行2046\times201次相關(guān)運(yùn)算，如此龐大的計算量會消耗大量的時間和硬件資源。串行捕獲算法的捕獲時間長。由于每次只能搜索一個碼相位和一個多普勒頻移，在最壞情況下，需要遍歷整個搜索空間才能成功捕獲信號。這使得接收機(jī)的首次定位時間（TTFF）較長，無法滿足一些對實時性要求較高的應(yīng)用場景，如緊急救援、高速移動目標(biāo)定位等。在高速移動的車輛或飛機(jī)上，較長的捕獲時間可能導(dǎo)致無法及時獲取準(zhǔn)確的位置信息，影響導(dǎo)航的準(zhǔn)確性和可靠性。3.2.2頻域并行捕獲算法（基于FFT）頻域并行捕獲算法是利用快速傅里葉變換（FFT）技術(shù)來實現(xiàn)信號捕獲的一種方法。其基本原理是基于傅里葉變換的頻域卷積定理，將時域的相關(guān)運(yùn)算轉(zhuǎn)換為頻域的乘法運(yùn)算，從而實現(xiàn)對多個頻率點和碼相位的并行搜索。在具體實現(xiàn)過程中，首先將接收到的信號和本地生成的測距碼分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域。然后，在頻域中對兩者進(jìn)行逐點相乘，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示。最后，通過對相乘結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到相關(guān)值。在這個過程中，由于FFT和IFFT運(yùn)算的高效性，可以同時對多個頻率點和碼相位進(jìn)行處理，大大提高了捕獲速度。假設(shè)接收到的信號為s(t)，本地生成的測距碼為c(t)，它們的傅里葉變換分別為S(f)和C(f)。則在頻域中的相關(guān)運(yùn)算可以表示為：R(f)=S(f)\cdotC^*(f)其中，C^*(f)為C(f)的共軛復(fù)數(shù)。通過對R(f)進(jìn)行IFFT變換，得到時域的相關(guān)值r(t)，即：r(t)=\text{IFFT}[R(f)]頻域并行捕獲算法的最大優(yōu)勢在于其捕獲速度快。通過并行處理多個頻率點和碼相位，能夠在短時間內(nèi)完成對信號的搜索和捕獲，顯著縮短了接收機(jī)的首次定位時間（TTFF）。這使得它在對實時性要求較高的應(yīng)用場景中具有很大的優(yōu)勢，如車輛導(dǎo)航、航空航天等領(lǐng)域。在車輛導(dǎo)航中，快速的信號捕獲能夠及時為駕駛員提供準(zhǔn)確的位置信息，引導(dǎo)車輛行駛。該算法也存在一些缺點。由于FFT和IFFT運(yùn)算需要較大的運(yùn)算量和存儲資源，對硬件的計算能力和存儲容量要求較高。在實現(xiàn)過程中，需要使用專門的FFT處理器或具有強(qiáng)大計算能力的FPGA芯片，這增加了硬件成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。為了存儲FFT變換后的頻域數(shù)據(jù)，需要較大容量的存儲器，進(jìn)一步增加了硬件成本。頻域并行捕獲算法在處理弱信號時，由于噪聲的影響，可能會導(dǎo)致相關(guān)峰值不明顯，從而降低捕獲性能。3.2.3時域并行捕獲算法（匹配濾波器法）時域并行捕獲算法，也稱為匹配濾波器法，其核心原理是利用匹配濾波器對信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)對碼相位的并行搜索。匹配濾波器是一種特殊的線性濾波器，其沖激響應(yīng)與輸入信號的時間反轉(zhuǎn)共軛相匹配。當(dāng)輸入信號通過匹配濾波器時，在特定時刻能夠輸出最大的信噪比，從而實現(xiàn)信號的檢測和捕獲。在北斗B1信號捕獲中，匹配濾波器的設(shè)計基于CB1I碼的特性。由于CB1I碼具有良好的自相關(guān)特性，當(dāng)本地生成的CB1I碼與接收到的信號中的CB1I碼在碼相位上一致時，通過匹配濾波器的相關(guān)運(yùn)算能夠得到一個明顯的相關(guān)峰值。為了實現(xiàn)對所有可能碼相位的并行搜索，通常采用多個并行的相關(guān)器，每個相關(guān)器對應(yīng)一個不同的碼相位。這些相關(guān)器同時對接收信號進(jìn)行處理，通過比較各個相關(guān)器的輸出結(jié)果，找到相關(guān)峰值最大的位置，從而確定信號的碼相位。假設(shè)接收到的信號為s(t)，本地生成的測距碼為c(t)，匹配濾波器的沖激響應(yīng)為h(t)=c(T-t)，其中T為碼長。則匹配濾波器的輸出y(t)為：y(t)=s(t)*h(t)=\int_{-\infty}^{\infty}s(\tau)h(t-\tau)d\tau=\int_{-\infty}^{\infty}s(\tau)c(T-(t-\tau))d\tau當(dāng)t=T時，y(T)即為相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果，此時若s(t)中包含與c(t)碼相位一致的信號，則y(T)會出現(xiàn)明顯的峰值。時域并行捕獲算法的優(yōu)點是能夠快速地對碼相位進(jìn)行搜索，在一定程度上提高了捕獲速度。由于采用并行處理結(jié)構(gòu)，相比串行捕獲算法，能夠在更短的時間內(nèi)完成對信號的捕獲。它對于信號的相位變化和噪聲具有一定的適應(yīng)性，在一定程度上能夠提高信號捕獲的可靠性。該算法也存在一些問題。其硬件實現(xiàn)較為復(fù)雜，需要大量的并行相關(guān)器和復(fù)雜的控制邏輯。每個相關(guān)器都需要獨立的硬件資源來實現(xiàn)，這導(dǎo)致硬件成本較高，并且隨著碼長的增加，所需的硬件資源會呈指數(shù)級增長。對于北斗B1信號，CB1I碼的碼長為2046，若要實現(xiàn)對所有碼相位的并行搜索，需要2046個并行相關(guān)器，這對硬件資源的需求是巨大的。該算法對硬件資源的要求高，在實際應(yīng)用中可能受到硬件條件的限制，難以在資源有限的設(shè)備上實現(xiàn)。3.3傳統(tǒng)算法性能比較為了更全面、深入地了解串行捕獲算法、頻域并行捕獲算法和時域并行捕獲算法的性能特點，以便在實際應(yīng)用中根據(jù)不同需求選擇最合適的算法，下面將從捕獲時間、計算量、硬件資源需求、捕獲靈敏度等多個關(guān)鍵方面對這三種傳統(tǒng)算法進(jìn)行詳細(xì)的對比分析。在捕獲時間方面，串行捕獲算法由于需要對每個可能的碼相位和多普勒頻移進(jìn)行逐一搜索，其捕獲時間最長。以北斗B1信號為例，假設(shè)CB1I碼的碼長為2046，若多普勒頻移的搜索范圍為\pm10kHz，以100Hz為步長進(jìn)行搜索，則需要進(jìn)行2046\times201次相關(guān)運(yùn)算，如此龐大的計算量使得在最壞情況下，需要遍歷整個搜索空間才能成功捕獲信號，導(dǎo)致捕獲時間可能長達(dá)數(shù)秒甚至數(shù)十秒，無法滿足對實時性要求較高的應(yīng)用場景。頻域并行捕獲算法利用FFT技術(shù)實現(xiàn)了對多個頻率點和碼相位的并行搜索，大大縮短了捕獲時間。通過一次FFT運(yùn)算，可以同時對多個頻率點進(jìn)行處理，相比串行捕獲算法，其捕獲速度有了顯著提升。在一些對實時性要求較高的車輛導(dǎo)航、航空航天等領(lǐng)域，頻域并行捕獲算法能夠在較短的時間內(nèi)完成信號捕獲，滿足系統(tǒng)對快速定位的需求。通常情況下，其捕獲時間可以控制在幾十毫秒到幾百毫秒之間。時域并行捕獲算法采用多個并行的相關(guān)器同時對碼相位進(jìn)行搜索，也在一定程度上提高了捕獲速度。雖然其捕獲速度不如頻域并行捕獲算法快，但相比串行捕獲算法，仍然有較大的優(yōu)勢。對于一些對實時性要求不是特別苛刻，但對硬件資源有限制的應(yīng)用場景，時域并行捕獲算法是一個不錯的選擇。其捕獲時間一般在幾百毫秒到一秒左右。計算量上，串行捕獲算法的計算量與碼相位和多普勒頻移的搜索范圍成正比，計算量巨大。每次相關(guān)運(yùn)算都需要進(jìn)行乘法和加法操作，隨著搜索范圍的增大，計算量呈指數(shù)級增長。在實際應(yīng)用中，這種大量的計算會消耗大量的時間和硬件資源，限制了其在一些資源有限設(shè)備上的應(yīng)用。頻域并行捕獲算法雖然通過FFT技術(shù)提高了捕獲速度，但FFT和IFFT運(yùn)算本身也需要較大的運(yùn)算量。FFT運(yùn)算的計算復(fù)雜度為O(NlogN)，其中N為FFT的點數(shù)。在處理長序列數(shù)據(jù)時，F(xiàn)FT運(yùn)算的計算量也不容小覷。為了實現(xiàn)頻域并行捕獲，還需要進(jìn)行多次復(fù)數(shù)乘法和加法運(yùn)算，進(jìn)一步增加了計算量。不過，隨著硬件技術(shù)的發(fā)展，專門的FFT處理器和具有強(qiáng)大計算能力的FPGA芯片的出現(xiàn)，在一定程度上緩解了頻域并行捕獲算法對計算資源的壓力。時域并行捕獲算法由于采用并行相關(guān)器結(jié)構(gòu)，每個相關(guān)器都需要進(jìn)行獨立的相關(guān)運(yùn)算，因此計算量也較大。雖然其計算量相對串行捕獲算法有所減少，但隨著碼長的增加，所需的并行相關(guān)器數(shù)量也會增加，導(dǎo)致計算量相應(yīng)增大。在實現(xiàn)對北斗B1信號的CB1I碼（碼長為2046）的并行捕獲時，需要2046個并行相關(guān)器，這對計算資源的需求是巨大的。硬件資源需求上，串行捕獲算法的硬件實現(xiàn)相對簡單，只需要基本的加法和乘法運(yùn)算單元，無論是采用ASIC還是FPGA，都能夠相對容易地搭建起相應(yīng)的硬件電路。它對硬件的存儲容量和計算能力要求較低，在一些資源有限的設(shè)備上也能夠?qū)崿F(xiàn)。頻域并行捕獲算法對硬件的計算能力和存儲容量要求較高。為了實現(xiàn)FFT和IFFT運(yùn)算，需要使用專門的FFT處理器或具有強(qiáng)大計算能力的FPGA芯片。這些硬件設(shè)備通常價格較高，增加了系統(tǒng)成本。由于FFT運(yùn)算需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存和處理，因此需要較大容量的存儲器來存儲中間結(jié)果和頻域數(shù)據(jù)，進(jìn)一步增加了硬件成本和系統(tǒng)復(fù)雜度。時域并行捕獲算法的硬件實現(xiàn)較為復(fù)雜，需要大量的并行相關(guān)器和復(fù)雜的控制邏輯。每個相關(guān)器都需要獨立的硬件資源來實現(xiàn)，這導(dǎo)致硬件成本較高。隨著碼長的增加，所需的硬件資源會呈指數(shù)級增長，使得在實際應(yīng)用中，尤其是在資源有限的設(shè)備上實現(xiàn)時域并行捕獲算法面臨較大的困難。捕獲靈敏度是指接收機(jī)能夠成功捕獲信號的最低信噪比。串行捕獲算法由于捕獲時間長，在長時間的相關(guān)運(yùn)算過程中，噪聲的積累會降低信號的信噪比，從而導(dǎo)致捕獲靈敏度較低。在弱信號環(huán)境下，串行捕獲算法很難成功捕獲信號。頻域并行捕獲算法在處理弱信號時，由于噪聲在頻域上的分布較為均勻，可能會導(dǎo)致相關(guān)峰值不明顯，從而降低捕獲性能。雖然通過增加積分時間等方法可以在一定程度上提高捕獲靈敏度，但總體來說，頻域并行捕獲算法在弱信號捕獲方面的性能還有待提高。時域并行捕獲算法對于信號的相位變化和噪聲具有一定的適應(yīng)性，在一定程度上能夠提高信號捕獲的可靠性。它在弱信號捕獲方面的性能相對較好，能夠在較低的信噪比下成功捕獲信號。通過合理設(shè)計匹配濾波器和并行相關(guān)器的結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)一步提高時域并行捕獲算法的捕獲靈敏度。綜上所述，三種傳統(tǒng)捕獲算法在捕獲時間、計算量、硬件資源需求和捕獲靈敏度等方面各有優(yōu)劣。串行捕獲算法原理簡單，硬件實現(xiàn)容易，但捕獲時間長，計算量大，捕獲靈敏度低，適用于對實時性要求不高、硬件資源有限的簡單應(yīng)用場景。頻域并行捕獲算法捕獲速度快，但計算量和硬件資源需求大，在弱信號捕獲方面性能有待提高，適用于對實時性要求較高、硬件資源充足的應(yīng)用場景，如車輛導(dǎo)航、航空航天等。時域并行捕獲算法在捕獲速度和硬件資源需求之間取得了一定的平衡，在弱信號捕獲方面具有一定優(yōu)勢，適用于對實時性有一定要求，但硬件資源相對有限的應(yīng)用場景，如一些便攜式導(dǎo)航設(shè)備。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和硬件條件，綜合考慮各種因素，選擇最合適的捕獲算法。四、改進(jìn)的B1信號捕獲算法設(shè)計4.1針對B1信號特點的算法改進(jìn)思路北斗B1信號獨特的結(jié)構(gòu)和特性，為信號捕獲帶來了一系列挑戰(zhàn)，需要有針對性地對傳統(tǒng)捕獲算法進(jìn)行改進(jìn)，以提高捕獲性能。B1信號在D1導(dǎo)航電文上調(diào)制了Neumann-Hoffman二次編碼（NH碼），這一特性對信號捕獲產(chǎn)生了顯著影響。由于NH碼的存在，使得相干累積時間不能超過1ms。在傳統(tǒng)的捕獲算法中，較長時間的相干累積能夠有效提高信號的信噪比，增強(qiáng)捕獲性能。然而，NH碼的調(diào)制限制了相干累積時間，導(dǎo)致增益累積效果不佳，尤其是在弱信號環(huán)境下，捕獲靈敏度降低，信號捕獲變得更加困難。針對這一問題，一種改進(jìn)思路是基于NH碼與CB1I碼疊加碼的自相關(guān)性，設(shè)計新的捕獲算法。通過本地生成經(jīng)NH調(diào)制的C/A碼作為新的偽隨機(jī)碼，利用其良好的自相關(guān)特性，加長相干積分時間。新本地碼長度為20ms，是傳統(tǒng)C/A碼長度的20倍，這使得可以與衛(wèi)星信號進(jìn)行長達(dá)20ms的相干積分。經(jīng)過二次調(diào)制的測距碼與導(dǎo)航電文具有相同的周期，測距碼的起始跳變沿即為導(dǎo)航電文的跳變沿，完全解擴(kuò)后的相干積分時間段內(nèi)不存在導(dǎo)航電文的跳變，消除了由此帶來的相關(guān)功率損耗。通過這種方式，能夠極大地提高處理增益，增強(qiáng)對弱信號的捕獲能力。B1信號的導(dǎo)航電文存在比特跳變現(xiàn)象，這也給捕獲算法帶來了挑戰(zhàn)。當(dāng)導(dǎo)航電文發(fā)生比特跳變時，會導(dǎo)致相干積分檢測峰值發(fā)生分裂，降低峰值對應(yīng)的多普勒頻率估計精度，甚至?xí)箼z測峰值低于預(yù)設(shè)門限，從而造成捕獲失敗。在高動態(tài)場景下，由于衛(wèi)星與接收機(jī)之間的相對運(yùn)動速度快，信號的多普勒頻移變化劇烈，加上導(dǎo)航電文比特跳變的影響，使得捕獲難度進(jìn)一步加大。為了解決導(dǎo)航電文比特跳變問題，可以采用類圓相關(guān)算法。類圓相關(guān)算法通過對導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律進(jìn)行分析，利用相關(guān)運(yùn)算的特性，減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響。具體來說，該算法將接收到的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，通過調(diào)整相關(guān)運(yùn)算的參數(shù)和方式，使得在比特跳變的情況下，仍然能夠準(zhǔn)確地檢測到信號的相關(guān)峰值。將類圓相關(guān)算法與FFT運(yùn)算相結(jié)合，可以進(jìn)一步提高捕獲算法的性能。利用FFT運(yùn)算的高效性，在頻域中對信號進(jìn)行處理，實現(xiàn)對多個頻率點和碼相位的并行搜索，同時結(jié)合類圓相關(guān)算法對導(dǎo)航電文比特跳變的處理能力，能夠在復(fù)雜的信號環(huán)境中快速、準(zhǔn)確地捕獲B1信號。針對北斗D2導(dǎo)航電文，需要設(shè)計合理的合并策略。由于D2導(dǎo)航電文與D1導(dǎo)航電文在結(jié)構(gòu)和特性上存在差異，傳統(tǒng)的捕獲算法和合并策略不能直接應(yīng)用。通過對D2導(dǎo)航電文的數(shù)據(jù)格式、編碼方式以及與B1信號的調(diào)制關(guān)系進(jìn)行深入研究，設(shè)計出適合D2導(dǎo)航電文的合并策略。該策略可以根據(jù)D2導(dǎo)航電文的特點，對捕獲到的信號進(jìn)行有效的合并和處理，提高信號的信噪比和捕獲成功率。在合并過程中，可以考慮采用加權(quán)合并的方式，根據(jù)信號的強(qiáng)度、信噪比等因素，對不同的捕獲結(jié)果進(jìn)行加權(quán)處理，使得合并后的信號更加準(zhǔn)確可靠。4.2改進(jìn)算法詳細(xì)設(shè)計4.2.1新本地碼生成與處理在北斗B1信號捕獲中，傳統(tǒng)捕獲算法常以C/A碼作為本地碼與衛(wèi)星信號匹配，然而由于NH調(diào)制的存在，使得每次相干積分時間被限制在1ms以內(nèi)。若超過1ms，NH碼相位跳變會致使相干積分結(jié)果衰減，極大地影響了增益累積效果，尤其是在弱信號環(huán)境下，信號捕獲難度顯著增加。為解決這一問題，本改進(jìn)算法以NH二次調(diào)制的偽碼作為新的本地碼，即新本地碼。新本地碼具有獨特的優(yōu)勢，其長度為20ms，相比傳統(tǒng)C/A碼長度大幅增加。從相關(guān)特性來看，經(jīng)NH碼二次調(diào)制的測距碼具備良好的自相關(guān)特性。當(dāng)新本地碼與衛(wèi)星信號進(jìn)行相干積分時，雖然在其他碼片處也會出現(xiàn)相關(guān)峰值，但與主峰相比，這些峰值的幅度較低，不會對捕獲結(jié)果產(chǎn)生實質(zhì)性影響。從相關(guān)圖中可以清晰地觀察到，相鄰峰值的差值為2046的倍數(shù)，這意味著在捕獲結(jié)果中出現(xiàn)的相對較低的其他峰值之間的距離為2046的整數(shù)倍（假設(shè)碼片精度為一個碼片）。新本地碼與導(dǎo)航電文之間存在緊密的關(guān)系。經(jīng)過二次調(diào)制的測距碼與導(dǎo)航電文具有相同的周期，測距碼的起始跳變沿即為導(dǎo)航電文的跳變沿。這一特性使得在完全解擴(kuò)后的相干積分時間段內(nèi)不存在導(dǎo)航電文的跳變，從而有效消除了因?qū)Ш诫娢奶儙淼南嚓P(guān)功率損耗。由于新本地碼長度為20ms，因此可以與衛(wèi)星信號進(jìn)行長達(dá)20ms的相干積分。相干積分時間的顯著增加，極大地提高了處理增益。根據(jù)相關(guān)理論，處理增益與相干積分時間呈正相關(guān)關(guān)系，相干積分時間越長，信號的信噪比提升越明顯，從而增強(qiáng)了對弱信號的捕獲能力。在實際應(yīng)用中，對于信號功率低至-178dBW的BDS-B1頻點弱信號，采用新本地碼的改進(jìn)算法能夠?qū)崿F(xiàn)有效捕獲，而傳統(tǒng)算法在相同條件下則難以成功捕獲。4.2.2差分相干算法改進(jìn)傳統(tǒng)的差分相干算法在處理衛(wèi)星信號捕獲時，存在一定的局限性，尤其是在面對北斗B1信號中因NH碼調(diào)制導(dǎo)致的復(fù)雜情況時，傳統(tǒng)算法難以滿足長時間相干累積的需求。為了解決這一問題，本改進(jìn)算法將非相干算法和傳統(tǒng)差分相干算法進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合。具體來說，首先將接收到的時長為M\timesLms的數(shù)據(jù)等分為M份。然后，對每一份時長為Lms的數(shù)據(jù)與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果C_{k'}(\tau,f_d)，其中k'=1,2,3,\cdots,M。傳統(tǒng)的差分相干算法是將前一時刻相干矩陣與后一時刻相干積分矩陣共軛的乘積進(jìn)行累加。本改進(jìn)算法在此基礎(chǔ)上，對差分相干結(jié)果進(jìn)行了更深入的分析和處理。第k'個相干積分矩陣C_{k'}可以表示為有用信號V_{k'}和噪聲N_{k'}之和。由于前一時刻相干積分結(jié)果V_{k'}與后一時刻的相干積分結(jié)果V_{k'+1}是相關(guān)的，而噪聲項中隨機(jī)噪聲與信號、噪聲與噪聲之間是不相關(guān)的，并且噪聲項具備零均值高斯噪聲的特點，這使得噪聲可以通過累加抵消。因此，差分相干既能夠達(dá)到增強(qiáng)信噪比的目的，又可降低平方損耗。與非相干積分相比，相干積分在提高處理增益方面具有明顯優(yōu)勢。在北斗非同步衛(wèi)星中，NH碼和導(dǎo)航電文的周期相同，NH碼的起點即導(dǎo)航電文的跳變沿。當(dāng)以20ms進(jìn)行相干積分時，由于新本地碼的特性，不需要考慮積分時間段內(nèi)導(dǎo)航電文的跳變。對于導(dǎo)航電文只有1和-1兩種情況，假設(shè)取60ms數(shù)據(jù)且NH碼已經(jīng)對齊，當(dāng)只有一次導(dǎo)航電文跳變時，兩次差分結(jié)果的累加和為0，存在數(shù)據(jù)的正負(fù)抵消；而當(dāng)有2次導(dǎo)航跳變時，2次差分結(jié)果的累加和為-2，沒有數(shù)據(jù)的抵消。通過合理設(shè)計差分相干算法，能夠充分利用這些特性，避免數(shù)據(jù)抵消，提高信號捕獲的成功率。在實際應(yīng)用中，本改進(jìn)的差分相干算法能夠有效地解決傳統(tǒng)差分相干算法不適用于長時間相干累積的問題。通過將非相干算法和傳統(tǒng)差分相干算法相結(jié)合，在處理北斗B1信號時，能夠在復(fù)雜的信號環(huán)境下，提高對弱信號的捕獲能力，增強(qiáng)信號捕獲的可靠性和穩(wěn)定性。4.2.3類圓相關(guān)算法與FFT結(jié)合北斗B1信號的導(dǎo)航電文存在比特跳變現(xiàn)象，這對信號捕獲算法帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。當(dāng)導(dǎo)航電文發(fā)生比特跳變時，相干積分檢測峰值會發(fā)生分裂，導(dǎo)致峰值對應(yīng)的多普勒頻率估計精度降低，甚至可能使檢測峰值低于預(yù)設(shè)門限，從而造成捕獲失敗。在高動態(tài)場景下，由于衛(wèi)星與接收機(jī)之間的相對運(yùn)動速度快，信號的多普勒頻移變化劇烈，再加上導(dǎo)航電文比特跳變的影響，使得信號捕獲的難度進(jìn)一步加大。為了應(yīng)對這一問題，本改進(jìn)算法引入了類圓相關(guān)算法，并將其與FFT運(yùn)算相結(jié)合。類圓相關(guān)算法的原理是基于對導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律進(jìn)行深入分析。通過巧妙地利用相關(guān)運(yùn)算的特性，該算法能夠在一定程度上減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響。具體實現(xiàn)方式是，將接收到的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算。在運(yùn)算過程中，通過調(diào)整相關(guān)運(yùn)算的參數(shù)和方式，使得在比特跳變的情況下，仍然能夠準(zhǔn)確地檢測到信號的相關(guān)峰值。將類圓相關(guān)算法與FFT運(yùn)算相結(jié)合，可以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，進(jìn)一步提高捕獲算法的性能。FFT運(yùn)算具有高效性，能夠在頻域中對信號進(jìn)行快速處理，實現(xiàn)對多個頻率點和碼相位的并行搜索。通過將接收到的信號和本地參考信號分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域。然后，在頻域中對兩者進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示。最后，通過對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到最終的相關(guān)值。假設(shè)接收到的信號為s(t)，本地生成的參考信號為r(t)，它們的傅里葉變換分別為S(f)和R(f)。則在頻域中的類圓相關(guān)運(yùn)算可以表示為：R_{circular}(f)=S(f)\cdotR_{circular}^*(f)其中，R_{circular}^*(f)為根據(jù)類圓相關(guān)規(guī)則生成的R(f)的共軛復(fù)數(shù)。通過對R_{circular}(f)進(jìn)行IFFT變換，得到時域的相關(guān)值r_{circular}(t)，即：r_{circular}(t)=\text{IFFT}[R_{circular}(f)]在實際應(yīng)用中，這種結(jié)合類圓相關(guān)算法與FFT的改進(jìn)算法能夠在復(fù)雜的信號環(huán)境中，快速、準(zhǔn)確地捕獲北斗B1信號。通過對導(dǎo)航電文比特跳變的有效處理，以及利用FFT運(yùn)算的高效性，提高了捕獲算法在高動態(tài)場景下的適應(yīng)性和可靠性，為北斗導(dǎo)航接收機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定工作提供了有力保障。4.3算法流程與實現(xiàn)步驟改進(jìn)算法的實現(xiàn)流程較為復(fù)雜，涉及多個關(guān)鍵步驟和模塊。其詳細(xì)流程如圖1所示：|--輸入北斗B1信號||--采樣模塊：對輸入信號進(jìn)行采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率設(shè)置為信號帶寬的2倍以上，如8MHz，以確保能夠準(zhǔn)確恢復(fù)原始信號||--載波生成及復(fù)混頻模塊：生成與B1信號載波頻率相近的本地載波，與采樣后的信號進(jìn)行復(fù)混頻操作，將高頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，便于后續(xù)處理|--新本地碼生成與處理模塊||--本地碼生成：根據(jù)NH碼與CB1I碼疊加碼的自相關(guān)性，本地生成經(jīng)NH調(diào)制的C/A碼作為新本地碼，新本地碼長度為20ms||--相關(guān)運(yùn)算：將新本地碼與中頻信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，利用新本地碼良好的自相關(guān)特性，實現(xiàn)信號解擴(kuò)，加長相干積分時間至20ms，提高處理增益|--差分相干算法模塊||--數(shù)據(jù)分段：將接收到的時長為M×Lms的數(shù)據(jù)等分為M份，每份時長為Lms||--相關(guān)運(yùn)算：對每一份時長為Lms的數(shù)據(jù)與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果Ck'(τ,fd)，k'=1,2,3,?,M||--差分累加：將前一時刻相干矩陣與后一時刻相干積分矩陣共軛的乘積進(jìn)行累加，即進(jìn)行差分相干運(yùn)算，利用差分相干可增強(qiáng)信噪比、降低平方損耗的特性，提高信號捕獲能力|--類圓相關(guān)算法與FFT結(jié)合模塊||--信號預(yù)處理：對差分相干處理后的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、濾波等操作，提高信號質(zhì)量||--類圓相關(guān)運(yùn)算：將預(yù)處理后的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律，調(diào)整相關(guān)運(yùn)算參數(shù)，減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響||--FFT運(yùn)算：將類圓相關(guān)運(yùn)算后的信號與本地參考信號分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后在頻域中進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示||--IFFT運(yùn)算：對頻域相關(guān)結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到最終的相關(guān)值|--峰值檢測與判決模塊||--峰值檢測：對相關(guān)值進(jìn)行峰值檢測，尋找相關(guān)值中的最大值及其位置，該最大值對應(yīng)的載波頻率和碼相位即為可能的捕獲結(jié)果||--門限判決：將檢測到的峰值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，若峰值大于門限，則判定為捕獲成功，輸出捕獲結(jié)果；若峰值小于門限，則判定為捕獲失敗，調(diào)整載波頻率和碼相位，重新進(jìn)行捕獲||--采樣模塊：對輸入信號進(jìn)行采樣，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，根據(jù)奈奎斯特采樣定理，采樣頻率設(shè)置為信號帶寬的2倍以上，如8MHz，以確保能夠準(zhǔn)確恢復(fù)原始信號||--載波生成及復(fù)混頻模塊：生成與B1信號載波頻率相近的本地載波，與采樣后的信號進(jìn)行復(fù)混頻操作，將高頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，便于后續(xù)處理|--新本地碼生成與處理模塊||--本地碼生成：根據(jù)NH碼與CB1I碼疊加碼的自相關(guān)性，本地生成經(jīng)NH調(diào)制的C/A碼作為新本地碼，新本地碼長度為20ms||--相關(guān)運(yùn)算：將新本地碼與中頻信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，利用新本地碼良好的自相關(guān)特性，實現(xiàn)信號解擴(kuò)，加長相干積分時間至20ms，提高處理增益|--差分相干算法模塊||--數(shù)據(jù)分段：將接收到的時長為M×Lms的數(shù)據(jù)等分為M份，每份時長為Lms||--相關(guān)運(yùn)算：對每一份時長為Lms的數(shù)據(jù)與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果Ck'(τ,fd)，k'=1,2,3,?,M||--差分累加：將前一時刻相干矩陣與后一時刻相干積分矩陣共軛的乘積進(jìn)行累加，即進(jìn)行差分相干運(yùn)算，利用差分相干可增強(qiáng)信噪比、降低平方損耗的特性，提高信號捕獲能力|--類圓相關(guān)算法與FFT結(jié)合模塊||--信號預(yù)處理：對差分相干處理后的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、濾波等操作，提高信號質(zhì)量||--類圓相關(guān)運(yùn)算：將預(yù)處理后的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律，調(diào)整相關(guān)運(yùn)算參數(shù)，減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響||--FFT運(yùn)算：將類圓相關(guān)運(yùn)算后的信號與本地參考信號分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后在頻域中進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示||--IFFT運(yùn)算：對頻域相關(guān)結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到最終的相關(guān)值|--峰值檢測與判決模塊||--峰值檢測：對相關(guān)值進(jìn)行峰值檢測，尋找相關(guān)值中的最大值及其位置，該最大值對應(yīng)的載波頻率和碼相位即為可能的捕獲結(jié)果||--門限判決：將檢測到的峰值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，若峰值大于門限，則判定為捕獲成功，輸出捕獲結(jié)果；若峰值小于門限，則判定為捕獲失敗，調(diào)整載波頻率和碼相位，重新進(jìn)行捕獲||--載波生成及復(fù)混頻模塊：生成與B1信號載波頻率相近的本地載波，與采樣后的信號進(jìn)行復(fù)混頻操作，將高頻信號轉(zhuǎn)換為中頻信號，便于后續(xù)處理|--新本地碼生成與處理模塊||--本地碼生成：根據(jù)NH碼與CB1I碼疊加碼的自相關(guān)性，本地生成經(jīng)NH調(diào)制的C/A碼作為新本地碼，新本地碼長度為20ms||--相關(guān)運(yùn)算：將新本地碼與中頻信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，利用新本地碼良好的自相關(guān)特性，實現(xiàn)信號解擴(kuò)，加長相干積分時間至20ms，提高處理增益|--差分相干算法模塊||--數(shù)據(jù)分段：將接收到的時長為M×Lms的數(shù)據(jù)等分為M份，每份時長為Lms||--相關(guān)運(yùn)算：對每一份時長為Lms的數(shù)據(jù)與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果Ck'(τ,fd)，k'=1,2,3,?,M||--差分累加：將前一時刻相干矩陣與后一時刻相干積分矩陣共軛的乘積進(jìn)行累加，即進(jìn)行差分相干運(yùn)算，利用差分相干可增強(qiáng)信噪比、降低平方損耗的特性，提高信號捕獲能力|--類圓相關(guān)算法與FFT結(jié)合模塊||--信號預(yù)處理：對差分相干處理后的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、濾波等操作，提高信號質(zhì)量||--類圓相關(guān)運(yùn)算：將預(yù)處理后的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律，調(diào)整相關(guān)運(yùn)算參數(shù)，減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響||--FFT運(yùn)算：將類圓相關(guān)運(yùn)算后的信號與本地參考信號分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后在頻域中進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示||--IFFT運(yùn)算：對頻域相關(guān)結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到最終的相關(guān)值|--峰值檢測與判決模塊||--峰值檢測：對相關(guān)值進(jìn)行峰值檢測，尋找相關(guān)值中的最大值及其位置，該最大值對應(yīng)的載波頻率和碼相位即為可能的捕獲結(jié)果||--門限判決：將檢測到的峰值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，若峰值大于門限，則判定為捕獲成功，輸出捕獲結(jié)果；若峰值小于門限，則判定為捕獲失敗，調(diào)整載波頻率和碼相位，重新進(jìn)行捕獲|--新本地碼生成與處理模塊||--本地碼生成：根據(jù)NH碼與CB1I碼疊加碼的自相關(guān)性，本地生成經(jīng)NH調(diào)制的C/A碼作為新本地碼，新本地碼長度為20ms||--相關(guān)運(yùn)算：將新本地碼與中頻信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，利用新本地碼良好的自相關(guān)特性，實現(xiàn)信號解擴(kuò)，加長相干積分時間至20ms，提高處理增益|--差分相干算法模塊||--數(shù)據(jù)分段：將接收到的時長為M×Lms的數(shù)據(jù)等分為M份，每份時長為Lms||--相關(guān)運(yùn)算：對每一份時長為Lms的數(shù)據(jù)與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果Ck'(τ,fd)，k'=1,2,3,?,M||--差分累加：將前一時刻相干矩陣與后一時刻相干積分矩陣共軛的乘積進(jìn)行累加，即進(jìn)行差分相干運(yùn)算，利用差分相干可增強(qiáng)信噪比、降低平方損耗的特性，提高信號捕獲能力|--類圓相關(guān)算法與FFT結(jié)合模塊||--信號預(yù)處理：對差分相干處理后的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、濾波等操作，提高信號質(zhì)量||--類圓相關(guān)運(yùn)算：將預(yù)處理后的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律，調(diào)整相關(guān)運(yùn)算參數(shù)，減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響||--FFT運(yùn)算：將類圓相關(guān)運(yùn)算后的信號與本地參考信號分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后在頻域中進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示||--IFFT運(yùn)算：對頻域相關(guān)結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到最終的相關(guān)值|--峰值檢測與判決模塊||--峰值檢測：對相關(guān)值進(jìn)行峰值檢測，尋找相關(guān)值中的最大值及其位置，該最大值對應(yīng)的載波頻率和碼相位即為可能的捕獲結(jié)果||--門限判決：將檢測到的峰值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，若峰值大于門限，則判定為捕獲成功，輸出捕獲結(jié)果；若峰值小于門限，則判定為捕獲失敗，調(diào)整載波頻率和碼相位，重新進(jìn)行捕獲||--本地碼生成：根據(jù)NH碼與CB1I碼疊加碼的自相關(guān)性，本地生成經(jīng)NH調(diào)制的C/A碼作為新本地碼，新本地碼長度為20ms||--相關(guān)運(yùn)算：將新本地碼與中頻信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，利用新本地碼良好的自相關(guān)特性，實現(xiàn)信號解擴(kuò)，加長相干積分時間至20ms，提高處理增益|--差分相干算法模塊||--數(shù)據(jù)分段：將接收到的時長為M×Lms的數(shù)據(jù)等分為M份，每份時長為Lms||--相關(guān)運(yùn)算：對每一份時長為Lms的數(shù)據(jù)與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果Ck'(τ,fd)，k'=1,2,3,?,M||--差分累加：將前一時刻相干矩陣與后一時刻相干積分矩陣共軛的乘積進(jìn)行累加，即進(jìn)行差分相干運(yùn)算，利用差分相干可增強(qiáng)信噪比、降低平方損耗的特性，提高信號捕獲能力|--類圓相關(guān)算法與FFT結(jié)合模塊||--信號預(yù)處理：對差分相干處理后的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、濾波等操作，提高信號質(zhì)量||--類圓相關(guān)運(yùn)算：將預(yù)處理后的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律，調(diào)整相關(guān)運(yùn)算參數(shù)，減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響||--FFT運(yùn)算：將類圓相關(guān)運(yùn)算后的信號與本地參考信號分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后在頻域中進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示||--IFFT運(yùn)算：對頻域相關(guān)結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到最終的相關(guān)值|--峰值檢測與判決模塊||--峰值檢測：對相關(guān)值進(jìn)行峰值檢測，尋找相關(guān)值中的最大值及其位置，該最大值對應(yīng)的載波頻率和碼相位即為可能的捕獲結(jié)果||--門限判決：將檢測到的峰值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，若峰值大于門限，則判定為捕獲成功，輸出捕獲結(jié)果；若峰值小于門限，則判定為捕獲失敗，調(diào)整載波頻率和碼相位，重新進(jìn)行捕獲||--相關(guān)運(yùn)算：將新本地碼與中頻信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，利用新本地碼良好的自相關(guān)特性，實現(xiàn)信號解擴(kuò)，加長相干積分時間至20ms，提高處理增益|--差分相干算法模塊||--數(shù)據(jù)分段：將接收到的時長為M×Lms的數(shù)據(jù)等分為M份，每份時長為Lms||--相關(guān)運(yùn)算：對每一份時長為Lms的數(shù)據(jù)與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果Ck'(τ,fd)，k'=1,2,3,?,M||--差分累加：將前一時刻相干矩陣與后一時刻相干積分矩陣共軛的乘積進(jìn)行累加，即進(jìn)行差分相干運(yùn)算，利用差分相干可增強(qiáng)信噪比、降低平方損耗的特性，提高信號捕獲能力|--類圓相關(guān)算法與FFT結(jié)合模塊||--信號預(yù)處理：對差分相干處理后的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、濾波等操作，提高信號質(zhì)量||--類圓相關(guān)運(yùn)算：將預(yù)處理后的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律，調(diào)整相關(guān)運(yùn)算參數(shù)，減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響||--FFT運(yùn)算：將類圓相關(guān)運(yùn)算后的信號與本地參考信號分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后在頻域中進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示||--IFFT運(yùn)算：對頻域相關(guān)結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到最終的相關(guān)值|--峰值檢測與判決模塊||--峰值檢測：對相關(guān)值進(jìn)行峰值檢測，尋找相關(guān)值中的最大值及其位置，該最大值對應(yīng)的載波頻率和碼相位即為可能的捕獲結(jié)果||--門限判決：將檢測到的峰值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，若峰值大于門限，則判定為捕獲成功，輸出捕獲結(jié)果；若峰值小于門限，則判定為捕獲失敗，調(diào)整載波頻率和碼相位，重新進(jìn)行捕獲|--差分相干算法模塊||--數(shù)據(jù)分段：將接收到的時長為M×Lms的數(shù)據(jù)等分為M份，每份時長為Lms||--相關(guān)運(yùn)算：對每一份時長為Lms的數(shù)據(jù)與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果Ck'(τ,fd)，k'=1,2,3,?,M||--差分累加：將前一時刻相干矩陣與后一時刻相干積分矩陣共軛的乘積進(jìn)行累加，即進(jìn)行差分相干運(yùn)算，利用差分相干可增強(qiáng)信噪比、降低平方損耗的特性，提高信號捕獲能力|--類圓相關(guān)算法與FFT結(jié)合模塊||--信號預(yù)處理：對差分相干處理后的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、濾波等操作，提高信號質(zhì)量||--類圓相關(guān)運(yùn)算：將預(yù)處理后的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律，調(diào)整相關(guān)運(yùn)算參數(shù)，減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響||--FFT運(yùn)算：將類圓相關(guān)運(yùn)算后的信號與本地參考信號分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后在頻域中進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示||--IFFT運(yùn)算：對頻域相關(guān)結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到最終的相關(guān)值|--峰值檢測與判決模塊||--峰值檢測：對相關(guān)值進(jìn)行峰值檢測，尋找相關(guān)值中的最大值及其位置，該最大值對應(yīng)的載波頻率和碼相位即為可能的捕獲結(jié)果||--門限判決：將檢測到的峰值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，若峰值大于門限，則判定為捕獲成功，輸出捕獲結(jié)果；若峰值小于門限，則判定為捕獲失敗，調(diào)整載波頻率和碼相位，重新進(jìn)行捕獲||--數(shù)據(jù)分段：將接收到的時長為M×Lms的數(shù)據(jù)等分為M份，每份時長為Lms||--相關(guān)運(yùn)算：對每一份時長為Lms的數(shù)據(jù)與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果Ck'(τ,fd)，k'=1,2,3,?,M||--差分累加：將前一時刻相干矩陣與后一時刻相干積分矩陣共軛的乘積進(jìn)行累加，即進(jìn)行差分相干運(yùn)算，利用差分相干可增強(qiáng)信噪比、降低平方損耗的特性，提高信號捕獲能力|--類圓相關(guān)算法與FFT結(jié)合模塊||--信號預(yù)處理：對差分相干處理后的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、濾波等操作，提高信號質(zhì)量||--類圓相關(guān)運(yùn)算：將預(yù)處理后的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律，調(diào)整相關(guān)運(yùn)算參數(shù)，減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響||--FFT運(yùn)算：將類圓相關(guān)運(yùn)算后的信號與本地參考信號分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后在頻域中進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示||--IFFT運(yùn)算：對頻域相關(guān)結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到最終的相關(guān)值|--峰值檢測與判決模塊||--峰值檢測：對相關(guān)值進(jìn)行峰值檢測，尋找相關(guān)值中的最大值及其位置，該最大值對應(yīng)的載波頻率和碼相位即為可能的捕獲結(jié)果||--門限判決：將檢測到的峰值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，若峰值大于門限，則判定為捕獲成功，輸出捕獲結(jié)果；若峰值小于門限，則判定為捕獲失敗，調(diào)整載波頻率和碼相位，重新進(jìn)行捕獲||--相關(guān)運(yùn)算：對每一份時長為Lms的數(shù)據(jù)與本地C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果Ck'(τ,fd)，k'=1,2,3,?,M||--差分累加：將前一時刻相干矩陣與后一時刻相干積分矩陣共軛的乘積進(jìn)行累加，即進(jìn)行差分相干運(yùn)算，利用差分相干可增強(qiáng)信噪比、降低平方損耗的特性，提高信號捕獲能力|--類圓相關(guān)算法與FFT結(jié)合模塊||--信號預(yù)處理：對差分相干處理后的信號進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、濾波等操作，提高信號質(zhì)量||--類圓相關(guān)運(yùn)算：將預(yù)處理后的信號與本地生成的參考信號進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，根據(jù)導(dǎo)航電文比特跳變的位置和規(guī)律，調(diào)整相關(guān)運(yùn)算參數(shù)，減少比特跳變對捕獲結(jié)果的影響||--FFT運(yùn)算：將類圓相關(guān)運(yùn)算后的信號與本地參考信號分別進(jìn)行FFT變換，將它們從時域轉(zhuǎn)換到頻域，然后在頻域中進(jìn)行類圓相關(guān)運(yùn)算，得到相關(guān)結(jié)果的頻域表示||--IFFT運(yùn)算：對頻域相關(guān)結(jié)果進(jìn)行逆快速傅里葉變換（IFFT），將其轉(zhuǎn)換回時域，得到最終的相關(guān)值|--峰值檢測與判決模塊||--峰值檢測：對相關(guān)值進(jìn)行峰值檢測，尋找相關(guān)值中的最大值及其位置，該最大值對應(yīng)的載波頻率和碼相位即為可能的捕獲結(jié)果||--門限判決：將檢測到的峰值與預(yù)設(shè)門限進(jìn)行比較，若峰值大于門限，則判定為捕獲成功，輸出捕獲結(jié)果；若峰值小于門限，則判定為