一种基于互联网的相关检测算法研究
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摘 要：提出一种利用互联网提高北斗二号接收机捕获灵敏度的方法。由于接收机所在的大概位置、星历、时间和多普勒频率等信息必须通过网络得到，相对自主北斗二号接收机，基于互联网的北斗二号接收机性能得到显著提高。从消除北斗二号卫星强信号对弱信号干扰的角度分析了影响接收机捕获灵敏度的因素，根据强信号干扰的特点，提出了消除强信号干扰的具体方法。经过实验测试，系统的捕获灵敏度得到显著提高，从28 dBHz提高到21 dBHz。
关键词：互联网; 北斗二号; 互相关检测; FPGA; 捕获灵敏度
中图分类号：
TN927+.234
文献标识码：A
文章编号：1004373X(2012)05
0036
03
Research on cross correlation detection algorithm for Compass II by using Internet
HUANG Haisheng, LI Xin, HUI Nan
(Xi’an University of Posts and Telecommunications, Xi’an 710121, China)
Abstract：
A method of improving the acquisition sensitivity for Compass Ⅱ receiver by using the Internet is introduced. As the data of the approximate location where the receiver, ephemeris, time and Doppler frequency to be received by network，Internetbased Compass Ⅱ receiver performance has been significantly improved. The goal of this paper is to describe a crosscorrelation detection algorithm that can be used to eliminate false acquisitions. It is proved by hardware and software. After experimental tests, the acquisition sensitivity of the system is improved significantly from 28 dBHz to 21 dBHz.
Keywords： Internet; Compass Ⅱ; crosscorrelation detection; FPGA; acquisition sensitivity
收稿日期：20111018
基金项目：陕西省教育厅专项科研计划项目(2010JK818)
0 引 言
互相关就是指北斗二号接收机对接收到的不同卫星信号进行相关运算时，两个不同卫星信号之间的相关值。虽然在北斗二号卫星导航系统设计时就充分考虑了不同卫星的PN码之间的互相关问题，不同卫星信号之间的互相关值很小。互相关值为-65/2 046(概率为12.5％)，-1/2 046(概率为75％)，63/2 046(概率为125％)［12］；在强信号(-130 dBm)情况下，信号之间的互相关值相对于自相关值很小，低30 dB的概率是12．5％，低66.2 dB的概率是75％，低30.2 dB的概率是12.5％［34］，可以忽略不计。但是，在室内或城市峡谷区域，有些卫星的信号在传输过程中衰减很大，其自相关值与该信号和强信号之间的互相关值比较，达到了相同的数量级。在这种情况下，捕获该弱信号就要考虑其他强信号对这个弱信号的干扰问题。因为这种干扰可能引起误捕获。理论计算得出，在没有多普勒效应的情况下，强弱信号相差30 dB时，出现强信号对弱信号的干扰；在有多普勒效应存在，多普勒频率为几千赫兹时，强弱信号相差27 dB时，出现强信号对弱信号的干扰［57］。
1 理论分析
两个信号之间的互相关定义为［8］：
RC(τ)=∫x(t)y(t+τ)dt
式中:x和y是两个互相关联的信号;RC(τ)为互相关函数。对北斗二号信号，x和y就是Gold码，RC(τ)的波形显示在特定的点τ1，τ2，…,τn有多个峰。
北斗二号信号可以简单地表示为多个卫星信号的线性组合，每个信号有适当的延迟和衰减。下面以两颗卫星信号为例进行说明，对于多颗卫星的情况，与两颗卫星的情况类似，这里就不进一步说明。两颗北斗二号卫星的复合信号表示为：
S(t)=A1D1PN1(t)cos(ω1t+Φ1)+
A2D2PN2(t+dt)cos\[ω2(t+dt)+Φ2\]
式中:A1和A2是对应的两个卫星信号的振幅;D1和D2是为SV1及SV2的数据比特;PN1及PN2是两个卫星Gold码;ω1和ω2是为两颗北斗二号卫星的多普勒频率;Φ1和Φ2是两个信号的载波相位;dt是两个信号到达的相对时间之差。
该复合北斗二号信号与PN2的互相关为：
R2(τ)=∫S(t)PN2(t+τ)
exp{j［ω2l(t+τ)+Φ2l］}dt
式中：
ω2l是本地产生的信号多普勒;Φ2l是本地产生的载波相位;j是复指数。这种关联性可以为两个部分。一是PN2的自相关，另一是PN2与PN1互相关。确定R2(τ)的自相关部分，就要从中减去互相关部分。由于相关运算是线性操作，互相关可以直接去掉。互相关的表达式如下：
C(τ)=∫A1D1PN1(t)exp{j(ω1t+Φ1)}
PN2(t+τ)exp{j［ω2l(t+τ)+Φ2l］}dt
自相关项表示为：
R2e(τ)=R2(τ)－C(τ)
在接收机中去掉互相关的步骤为：
计算R2(τ)；
计算C(τ)；
计算R2e(τ)=R2(τ)-C(τ)；
重复计算。
这里的互相关是指除了要计算的卫星信号之外的所有其他卫星信号的干扰，弱信号与强信号之间的互相关值达到弱信号的自相关值可比的数量级，因此必须消除；弱信号与弱信号的互相关的值很小，可以忽略不计。消除互相关以后，对弱信号进行自相关处理。
2 分 析
2.1 影响卫星信号的互相关因素分析
自主北斗二号与基于网络的北斗二号之间，影响互相关的因素有明显的差异。主要区别是搜索空间不同，基于网络的北斗二号的搜索空间很小［910］，主要由于：
(1) 基于网络的北斗二号相对自主北斗二号降低了约10倍的搜索空间；
(2) 在卫星信号很强的情况下，多普勒不确定性主要是由用户的移动造成的，基于网络的北斗二号将把快速移动用户的多普勒频率从自主模式下的10 kHz降到几百赫兹，对于一般用户降到几个赫兹。
由于搜索空间小，互相关发生的几率大大降低。
相关法影响互相关的有两种方式：
(1) 预检测积分时间增长时，互相关值随着多普勒的变化而变化，互相关信号出现的概率将随着多普勒频率的下降而下降。
(2) 不同卫星之间导航信息不同，导航数据位会消除互相关效应。对于长时间的预检测积分，不同卫星之间的导航位是相同的可能性非常小。
在基于网络的北斗二号中，通过网络得到可靠的导航数据，使预检测积分的时间加长，互相关进一步变小。
2.2 互相关和自相关的图形表示
图1表示的是100码片的自相关峰值，图2表示的是没有多普勒效应的互相关峰值,可以很容易从这两个图中看出二者的差异。
然而，在有多普勒存在的情况下，互相关的峰值有明显的变化。图3中选择了特定比较差的互相关(一个表示PN3和PN15之间的互相关，且有11 kHz的多普勒频率)，在图中，一个峰值明显高于其他峰值。
2.3 如何区分自相关和互相关
对于各种自相关和互相关，主峰值非常相似，主峰值之外的旁瓣变化很大。自相关的旁瓣的能量值相对于其主峰值很小，但是互相关的旁瓣的能量值相对于其主峰值很大。这将是形成互相关检测算法的基础。
从本质上讲，要形成一个旁瓣能量统计测试，以确定是自相关还是互相关的主峰。由于白噪声的存在，测试应该区分自相关与噪声对互相关与噪声。
3 互相关检测算法设计
开始进行捕获时，就要找到超过设定阈值的峰值。找出M个峰值及非相干和阵列。检测流程分两个步骤：
第一步仅着眼于M峰值，处理如下：
(1) 寻找所有接近于检测峰值的峰值；
(2) 除了主峰值外，如果没有大于设定的A值，认为是自相关；
(3) 如果多于N个峰值大于设定的B值，检测到的峰值是互相关；
(4) 如果两种情况都没有，上面检测没有结果，进入下一步检测。
第二步考虑非相干和(NonCoherent Sum，NCS)阵列。
(1) 寻找所有接近于检测峰值的峰值；
(2) 对峰值超过C的峰值进行计数；
(3) 如果计数的结果小于D，为自相关，否则为互相关。
M,N,A,B,C和D的值通过寄存器进行设定。
4 结 论
系统分为软件和硬件两部分，软件采用ARM公司的ARM926EJS开发系统实现；硬件采用Xilinx的FPGA XC5VLX330实现；RF芯片采用SDT6112芯片；网络功能调用客户端软件SDTCompassII 1.0系统，该软件具有标准的supl接口。物理连接采用PC机实现与标准的supl服务器相连接，通过ARM926EJS的串口，把导航数据输入到北斗二号接收机测试系统。对算法进行了实际测试，在弱信号下，系统的冷启动灵敏度从28 dBHz提高到21 dBHz，系统的捕获性能得到明显提高。
参 考 文 献
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作者简介：
黄海生 男，1964年出生，陕西靖边人，教授。主要研究方向为专业集成电路设计。
李 鑫 男，1986年出生，研究生。主要研究方向为电路与系统。
惠 楠 女，1988年出生，研究生。主要研究方向为电路与系统。
(上接第35页)
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作者简介：
郭媛媛 女,1987年出生，湖北当阳人，硕士研究生。主要研究方向为通信与信息系统。