北斗卫星导航信号串行捕获算法MATLAB仿真报告附MATLAB程序.docx

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北斗卫星导航信号串行捕获算法MATLAB仿真报告附MATLAB程序

北斗卫星导航信号串行捕获算法MATLAB仿真报告

一、原理

卫星导航信号的串行捕获算法如图1所示。

图1卫星导航信号的串行捕获算法

接收机始终在本地不停地产生对应某特定卫星的本地伪码，并且接收机知道产生的伪码的相位，这个伪码按一定速率抽样后与接收的GPS中频信号相乘，然后再与同样知晓频率的本地产生的载波相乘。

GPS中频信号由接收机的射频前端将接收到的高频信号下边频得到。

实际产生对应相位相互正交的两个本地载波，分别称为同相载波和正交载波，信号与本地载波相乘后的信号分别成为，产生同相I支路信号和正交的Q支路信号。

两支路信号分别经过一个码周期时间的积分后，平方相加。

分成两路是因为C/A码调制和P码支路正交的支路上，假设是I支路。

当然由于信号传输过程中引入了相位差，解调时的I支路不一定是调制时的I支路，Q支路也一样，二者不一定一一对应，因此为了确定是否检测到接收信号，需要同时对两支路信号进行研究。

相关后的积分是为了获取所有相关数据长度的值的相加结果，平方则是为了获得信号的功率。

最后将两个支路的功率相加，只有当本地伪码和本地载波的频率相位都与中频信号相同时，最后得到的功率才很大，否则结果近似为零。

根据这个结论考虑到噪声的干扰，在实际设计时应该设定一个判定门限，当两路信号功率和大于设定的门限时则判定为捕获成功，转入跟踪过程，否则继续扫描其它的频率或相位。

二、MATLAB仿真过程及结果

仿真条件设置：

抽样频率16MHz，中频5MHz，采样时间1ms，频率搜索步进1khz，相位搜索步进1chip，信号功率-200dBW，载噪比55dB

（1）中频信号产生

卫星导航信号采用数字nco的方式产生，如图2所示。

载波nco控制字为：

carrier_nco_word=round（f_carrier*2^N/fs）;

伪码nco控制字为：

code_nco_word=round（f_code*2^N/fs）;

图2

其中载波rom存储的是正弦信号的2^12个采样点，伪码rom存储长度为2046的卫星伪码。

这样伪码采用2psk的方式调制到射频，加性噪声很小是理想接收中频信号如图3所示。

图3理想中频信号

（2）噪声功率估计

实际接收机接收到的导航信号淹没在噪声中，本程序对接收到的信号进行了噪声估计并进行了放大。

采用滑动平均估计法估计噪声功率，滑动平均估计法原理如图4所示。

图4噪声功率滑动平均估计法原理

迭代滤波器因子取0.8.功率估计结果是-191.48dBW。

仿真中将接收中频信号放大到了signal_power_dB=-4.94dBW。

这个功率与后面的判决门限有关系。

（2）检测门限的确定

常见的检测方法有幅度检波、平方检波和平方律检波。

幅度检波器的输出为

在H0假设下，z（k）服从瑞利分布，其概率密度函数为:

在H

（1）假设下，z（k）服从莱斯分布，其概率密度函数为

式中，为零阶修正的贝塞尔函数。

平方律检波输出为：

在H0假设下，z（k）服从自由度为2M的伽马分布，其概率密度函数为

在H1假设下，z（k）服从自由度为2M的卡方分布，其概率密度函数为

当M=1时，平方检波累积器就变成平方律检波器，可以计算出当归一化门限为Vt时其虚警概率为：

其中

采用恒虚警率检测，设虚警率为pfa，本仿真取0.1，采用平方律检波，归一化判决门限为Vt=（-2*log2（pfa））^0.5，实际判决门限为VT=Vt*signal_power

（3）判决算法

常见判决算法有单次判决、M/N判决、（M/N+1）判决和Tong判决，采用单次判决,虚警率为pfa=0.1.归一化检测门限为Vt=2.5776，判决门限为VT=0.8248；

（5）仿真结果

搜索21个多普勒频点和40和相位点，仿真设置接收中频为4.991MHz，相位为2，结果如图5所示。

图中最大处的相关结果是144，其他非峰值最大的约为1.约21dB。

部分相关值如下表：

可以看出绝大部分数值都在门限之下，但也存在若干个在门限之上的数值，这些点可能造成虚警。

附：

仿真主程序

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%´®ÐⶻñËã·¨·ÂÕæ

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%

clearall;

clc;

%f_doppe=5000;

fsample=21e6;

f_m=5e6;

t_sim=1e-3/1;

df=1/t_sim;

cnt_det=1;%Åоö´ÎÊý

f_carrier=f_m-9*df;%½ÓÊÕÔز¨ÆµÂÊ

f_code=2.046e6;%αÂëËÙÂÊ

code_phase_init=2;%Ê×´ÎËÑË÷ʱ½ÓÊÕÂëÏàλ

code_phase_init_cmp=code_phase_init;

f_local_init=f_m-10*df;%±¾µØÔز¨nco³õʼƵÂÊ

local_code_phase=3;%%%%±¾µØαÂëÏàλ

cnt_doppler=21;

cnt_phase=40;

dot_num=t_sim*fsample;%·ÂÕæÒ»¸öαÂëÖÜÆڵĵãÊý

dBW_signal_pow=-200;

dB_C_I=60;

Am=10^（dBW_signal_pow/20）*2^0.5;

pre_noise_power=dBW_signal_pow-dB_C_I+（10*log10（f_carrier））;

corr_result1=zeros（cnt_doppler,cnt_phase）;

fordect_num=1:

cnt_det%Åоö´ÎÊý

fornum_phase=1:

cnt_phase%²éÕÒÏàλµãµã

fornum_doppeler=1:

cnt_doppler%µ¥´Î²éÕÒ¶àÆÕÀÕµã

ifnum_doppeler==1

f_local=f_local_init;

else

f_local=f_local+df;

end

signal_r=signal_gen（fsample,f_carrier,f_code,code_phase_init,dBW_signal_pow,dB_C_I,dot_num）;%%%%%ÕâÀïÔز¨Ö¸Ï±ßƵºóµÄÖÐƵ,ÊÕµ½ºó´¦Àí·¢Ë͵Ļ¬¶¯±êÖ¾£¬ËÑË÷ÏÂÒ»¸öÏàλ

%%%%Ê×´ÎËÑË÷¹À¼ÆÐźŹ¦ÂÊ

ifnum_doppeler==1&num_phase==1

Ni=10;

signal_r1=zeros（1,length（signal_r）+Ni）;

Qn1=zeros（1,length（signal_r）+Ni）;

Qn2=zeros（1,length（signal_r）+Ni）;

Qn3=zeros（1,length（signal_r）+Ni）;

pow_noise=zeros（1,10）;

forbbb=1:

10

foraaa=1:

length（signal_r）/10

signal_r1（aaa）=signal_r（aaa）*signal_r（aaa）;

a=0.8;%µü´úÂ˲¨Æ÷ϵÊý

%Qn2（aaa+1）=signal_r1（aaa）*signal_r1（aaa）;

Qn1（aaa+Ni）=sum（signal_r1（（aaa）:

（aaa+Ni）））/Ni;%»¬¶¯Æ½¾ù

Qn（aaa）=Qn1（aaa+1）^0.5;

Qn3（aaa+1）=a*Qn1（aaa）+（1-a）*Qn1（aaa+1）;

pow_noise1=Qn3（aaa+1）;

end

pow_noise2（bbb）=pow_noise1;

end

pow_noise=sum（pow_noise2（1:

10））/10;

pow_noise_dB=10*log10（pow_noise）;

AD_min_volt=0.8;

AD_R=1;

AD_power=0.5*AD_min_volt*AD_min_volt/AD_R;

AD_power_dB=10*log10（AD_power）;

Am1=AD_power_dB-pow_noise_dB;

Am1=10^（Am1/20）;

end

signal_r=signal_r*Am1;%ÖÐƵ·Å´ó

Am_local=0.9;

local_carrier=local_carrier_gen（fsample,dot_num,f_local,Am_local）;%%%flocal°üº¬Á˶àÆÕÀÕ

local_code=local_code_gen（f_code,fsample,dot_num,local_code_phase）*Am_local;

corr_result（num_phase,num_doppeler）=deal_local（signal_r,local_carrier,local_code）;

%corr_result1（num_doppeler,cnt_phase）=corr_result;

end

%pulse_next_phase=1;

code_phase_init=mod（code_phase_init+1,2046）;

%local_code_phase=local_code_phase+1;

end

%%%%²éÕÒµ¥´Î²¶»ñ×î´óÖµ¼«Î»ÖÃ

[phase_max（dect_num）doppler_max（dect_num）]=find（corr_result==max（max（corr_result）））;

mod_max（dect_num）=max（max（corr_result））;

det_phase=local_code_phase-phase_max+1;

det_doppler=（doppler_max-1）*df+f_m-10*df;

disp（det_phase）;disp（det_doppler）;

%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%ÇóÅоöÃÅÏÞºãÐ龯ÂÊ

%±ê¶ÈÒò×ÓÊÇÅоöÃÅÏÞÓëÔëÉù¹¦ÂʵıÈÖµ

fa=0.1;

Vt=（-2*log2（fa））^0.5;%¹éÒ»»¯ÅоöÃÅÏÞ

%Vt=0;

%¾¹ý·Å´óºó¹¦ÂÊΪAD_power

%VT=（Vt*pow_noise）;

VT=Vt*AD_power;

ifmod_max（dect_num）>VT%ƽ·½Âɼ첨

flag_det=1;

else

flag_det=0;

end

%Tong¼ì²â

K=1;

B=2;

ifflag_det==1

K=K+1;

else

K=K-1;

end

ifK>=B

disp（'success!

'）;

else

ifdect_num==cnt_det

disp（'failed!

'）;

end

end

end

corr_result_dB=10*log10（corr_result/mod_max）;

cnt_doppler1=f_m-10*df:

df:

f_m+10*df;

mesh（1:

cnt_doppler,1:

cnt_phase,corr_result）;xlabel（'doppler'）;ylabel（'code_phase'）;