基于Hzb码北斗卫星子测距码相位分配实现方法和系统

摘要

本发明公开了一种基于Hzb码北斗卫星子测距码相位分配实现方法和系统，本发明方法通过构建非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器，从相关寄存器状态值的实部和虚部分别抽头得到不同组数抽头组合，通过分析确定导航卫星所需的抽头组合和大规模并行信号传输支路公用子测距码所需的抽头组合，对这些抽头组合分别二值化并模二和得正交或非正交导航卫星测距码和大规模并行信号传输支路公用子测距码，以导航卫星专用子测距码对大规模分组导航电文扩频通过大规模并行方式传输并叠加发射，最后在接收端对获得的卫星导航信号进行跟踪捕获。本发明可广泛应用于卫星导航系统，也可用于各种测距系统、通信系统、广电系统、控制系统等方面。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及基于Hzb码北斗卫星子测距码相位分配实现方法和系统。

背景技术

为提高用户的导航定位效率,相关文献采用中小规模并行信号传输方式和大规模并行信号传输方式使用复数移位伪随机码发生器产生Hzb码的专用测距码对中小规模分组或大规模分组的导航电文进行扩频、调制，利用单天线或多天线发射导航信号，实现了导航信号的准实时和实时传输。

在测距码的相位分配上，当前全球四大卫星导航系统只进行了导航卫星测距码的相位分配，其中北斗卫星导航系统利用一个二进制移位伪随机码发生器的最后一个寄存器的抽头输出与另一个二进制移位伪随机码发生器的任两个不同寄存器的抽头输出进行模二和，得导航卫星测距码；而进行中小规模和大规模并行导航信号准实时和实时传输的相关文献在导航卫星测距码和各并行信号传输支路的公用子测距码的相位分配上过于简单，不够详细。

因此，为满足北斗卫星导航信号实时传输的需要，需要对导航卫星测距码和各并行信号传输支路的公用子测距码的相位分配进行全面详细规划。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种基于Hzb码北斗卫星子测距码相位分配实现方法和系统，用于解决大规模并行信号传输导航卫星测距码和公用子测距码相位分配的技术问题。

本发明采用如下的技术方案：

基于Hzb码北斗卫星子测距码相位分配实现方法，包括：

S1通过寄存器抽头值驱动非线性函数相互作用，以作用值为反馈端，构建非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器；所述非线性函数构成如下：以一种含不同参数单状态变量或多状态变量或函数设计一组以不同扩散系数为权值的非线性函数构成实部，再以另一种含不同参数的单状态变量或多状态变量或函数设计另一组以不同扩散系数为权值的非线性函数构成虚部；

S2设置非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器的参数，所述参数包括：(非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器的)级数N、产生的码长L；

S3以相同或不同复数数据初始化非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器的寄存器的状态值；

S4从相同或不同寄存器状态值的实部、虚部分别取部分抽头进行组合，得实部自抽头组合、虚部自抽头组合和实部和虚部互抽头组合；

S5将实部任意1个抽头分别和虚部任意2个、3个、...、N个抽头进行组合得到通过实部任意1个抽头获得的一组抽头组合，根据导航卫星数量从中确定一部分抽头组合为导航卫星测距码的相位分配，其余部分抽头组合预留给后续导航卫星测距码的相位分配；将实部任意2个、3个、...、N个抽头分别和虚部任意1个、2个、3个、...、N个抽头进行组合得到通过实部任意2个、3个、...、N个抽头分别获得的多组抽头组合，根据大规模并行信号传输支路数量从多组抽头组合中确定一部分抽头组合为导航卫星大规模并行信号传输支路公用子测距码的相位分配；N为非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器的级数；

S6对导航卫星测距码的相位分配的抽头组合中的各抽头输出的伪随机数分别进行二值化并模二和，得导航卫星测距码，或将导航卫星测距码前面或中间或后面补充部分0值，得导航卫星稀疏测距码，并将其作为第一个并行信号传输支路专用子测距码；

S7对导航卫星大规模并行信号传输支路公用子测距码的相位分配中的各抽头输出的伪随机数分别进行二值化并模二和，得导航卫星公用子测距码，或将导航卫星公用子测距码前面或中间或后面补充部分0值，得导航卫星稀疏公用子测距码；

S8将导航卫星测距码与导航卫星公用子测距码或导航卫星稀疏测距码与导航卫星稀疏公用子测距码分别进行模二和，得导航卫星专用子测距码；

S9构建大规模并行信号传输支路，以满足后续分组的卫星导航电文的实时传输的需要，其中并行信号传输支路可分为中小规模并行信号传输支路(少于100路)、大规模并行信号传输支路(不低于100路)和超大规模并行信号传输支路(不低于1000路)；

S10产生卫星导航电文并以一定单位进行分组，所述以一定单位进行分组为按导航电文结构根据超帧或者主帧或者子帧或者字进行分组，或按一定长度字节分组；

一种常用方式为：产生卫星导航电文并以字为单位、以超帧中含有的总字数除以大规模并行信号传输支路数为分组数进行大规模分组；

S11将分组的卫星导航电文依次分别送入大规模并行信号传输支路；

S12将导航卫星专用子测距码分别对大规模并行信号传输支路中的分组导航电文进行扩频；

S13以不同频率偏移的载波或复数载波分别对大规模并行信号传输支路中的扩频信号进行调制；

S14将并行信号传输支路的载波调制信号分成不同组分别加入一定信噪比的高斯白噪声或其它噪声，各组信号分别进行叠加并均衡功率；

S15各组叠加信号形成导航卫星基带发射信号；

S16将各组导航卫星基带发射信号在同一频点分别通过不同天线即多天线发射；

S17接收端在同一频点以单天线单通道接收方式接收通过多天线发射的导航卫星基带导航信号，其中单天线单通道为每根天线只连接一个信号处理的通道，它负责对所有卫星导航信号的接收处理；

S18截取一段基带卫星导航信号；

S19选择发射端第1个并行信号传输支路；

S20产生本地载波或复数载波；

S21对步骤S18获得的导航信号用多普勒频移载波匹配法或串行干扰抵消法去载波获得去载波信号,并采用排序法对其二值化；

S22用第1个并行信号传输支路专用子测距码与去载波二值化信号以基于FFT的循环相关法进行相关处理，如果存在相关峰，表明接收信号中存在该颗导航卫星信号,根据相关峰位置从该支路接收的基带卫星导航信号去载波二值化信号解调导航电文,执行步骤S23，否则，执行步骤S18；

S23选择发射端第2个并行信号传输支路，取第2个并行信号传输支路的导航卫星专用子测距码；

S24截取一段基带卫星导航信号；

S25产生本地载波或复数载波；

S26对步骤S24获得的导航信号用多普勒频移载波匹配法或串行干扰抵消法去载波获得去载波信号，并采用排序法对其二值化；

S27用该并行信号传输支路专用子测距码与去载波二值化信号以基于FFT的循环相关法进行相关处理，根据相关峰位置从该支路接收的基带卫星导航信号去载波二值化信号解调导航电文；此处并行信号传输支路为步骤S23中的发射端第2个并行信号传输支路；

S28选择发射端下一个并行信号传输支路序号，取该并行信号传输支路的导航卫星专用子测距码，如果传输支路序号大于发射端总的传输支路号，执行步骤S29，否则，执行步骤S24；

S29将从各并行信号传输支路获得的导航电文由并变为串，获得导航卫星的导航电文；

S30结束。

按上述方案，所述步骤S1中对非线性函数，改变构成非线性函数的变量或函数或复合函数包含的参数，所述参数包括位置偏移量、状态平移量、次方、函数的幅度、相位、工作频率、构建非线性函数的实数；要重新调整变量或函数或复合函数的非线性强度、非线性函数的扩散系数，以实现产生的伪随机数的改变。

按上述方案，所述步骤S4中，寄存器状态值的实部、虚部分别从实部取一部分抽头与实部另一部分抽头进行组合获得的实部自抽头组合、从虚部取一部分抽头与虚部另一部分抽头进行组合获得的虚部自抽头组合和从实部取一部分抽头与从虚部取另一部分抽头进行组合获得的互抽头组合，根据导航卫星测距码的相位分配、导航卫星并行信号传输支路公用子测距码的相位分配的需要，分别从这些抽头组合中选取一部分抽头组合进行各自相位的分配。

按上述方案，所述步骤S5中，导航卫星测距码的相位分配、导航卫星并行信号传输支路公用子测距码的相位分配采用如下方式实现：由包含不同子伪随机码发生器的相同或不同伪随机码发生器的不同寄存器抽头进行组合获得。

按上述方案，所述步骤S5中，导航卫星的相位分配总数不少于北斗卫星导航系统导航卫星总数。

按上述方案，所述步骤S5中，导航卫星的公用子测距码相位分配数与步骤S9构建的大规模并行信号传输支路数相等,如果相位分配数少于并行信号传输支路数，则扩展非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器的级数。

按上述方案，所述步骤S6、S7中伪随机数进行二值化采用排序法，即将伪随机数值由小到大或大到小排序，取其中间值为阈值，大于或等于阈值的伪随机数取数值1，小于阈值的伪随机数取数值0。

按上述方案，所述步骤S8中，导航卫星测距码、导航卫星并行信号传输支路公用子测距码或专用子测距码，根据产生方式的不同这些测距码分为：a)正交型：各测距码之间互不干扰，信号叠加后通过相关解调恢复；b)非正交型：各测距码之间存在干扰，信号叠加后通过串行干扰抵消恢复；c)混合型：一部分测距码为正交型，另一部分测距码为非正交型，非正交型测距码带来相互干扰，信号叠加后通过串行干扰抵消恢复；采用非正交测距码是为了提高卫星导航系统用户容量以满足更多信号的多址接入。

按上述方案，所述步骤S9中，并行信号传输支路数的选定需要综合考虑导航信号的传输时间和解算时间，通过优化平衡导航信号的传输时间和解算时间，最终实现提高用户导航定位效率。

按上述方案，所述步骤S13中，多普勒频移范围为[-10kHz,10kHz]。

按上述方案，所述步骤S14中，导航信号的信噪比范围为[-15dB,0dB]。

按上述方案，所述步骤S14中，并行信号传输支路的信号的叠加分为如下三种实现方式：a)子测距码信号的叠加：并行信号传输支路由子测距码扩频的信号分为不同的组分别叠加或各支路所有信号的叠加；b)载波调制信号的叠加：并行信号传输支路各子测距码扩频的载波调制信号分成不同组，每组载波调制信号分别进行叠加或所有并行信号传输支路的载波调制信号进行叠加；c)混合叠加：并行信号传输支路由子测距码扩频的信号分为不同的组一部分分别叠加再由载波调制，另一部分由相同载波或不同的相位正交的子载波调制，其中一部分载波信号部分或全部叠加。

按上述方案，所述步骤S16中，在同一频点根据叠加信号的不同采用如下发射方式实现：全部叠加为一路的信号用单天线方式发射,分为多组分别叠加为多路的信号则通过不同的天线即多天线方式发射。

按上述方案，所述步骤S16中，多天线的数量受到导航卫星总功率的限制。

按上述方案，所述步骤S21中，二值化采用排序法，即将去载波信号由小到大或大到小排序，取其中间值为阈值，大于或等于阈值的信号值取数值1，小于阈值的信号值取数值0。

按上述方案，所述步骤S26中，二值化采用排序法，即将去载波信号由小到大或大到小排序，取其中间值为阈值，大于或等于阈值的信号值取数值1，小于阈值的信号值取数值0；

基于Hzb码北斗卫星子测距码相位分配实现系统，包括：

非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器构建模块，用于以一种含不同参数的单状态变量或多状态变量或函数设计一组以不同扩散系数为权值的非线性函数构成实部，再以另一种含不同参数的单状态变量或多状态变量或函数设计另一组以不同扩散系数为权值的非线性函数构成虚部，通过寄存器抽头值驱动非线性函数相互作用，以作用值为反馈端，构建非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器；

子测距码相位分配模块，用于从相同或不同寄存器状态值的实部和虚部互抽头组合中，将实部任意1个抽头分别和虚部任意2个、3个、...、N个抽头进行组合得到通过实部任意1个抽头获得的一组抽头组合，根据导航卫星数量从中确定一部分抽头组合为导航卫星测距码的相位分配，其余部分抽头组合预留给后续导航卫星测距码的相位分配；将实部任意2个、3个、...、N个抽头分别和虚部任意1个、2个、3个、...、N个抽头进行组合得到通过实部任意2个、3个、...、N个抽头分别获得的多组抽头组合，根据大规模并行信号传输支路数量从多组抽头组合中确定一部分抽头组合为导航卫星大规模并行信号传输支路公用子测距码的相位分配；

子测距码产生模块，用于分别从导航卫星测距码的相位分配的抽头组合和导航卫星大规模并行信号传输支路公用子测距码的相位分配的抽头组合输出的伪随机数分别进行二值化并模二和，得导航卫星测距码和导航卫星公用子测距码，或将导航卫星测距码前面或中间或后面补充部分0值，得导航卫星稀疏测距码，或将导航卫星公用子测距码前面或中间或后面补充部分0值，得导航卫星稀疏公用子测距码，再将导航卫星测距码与导航卫星公用子测距码或导航卫星稀疏测距码与导航卫星稀疏公用子测距码分别进行模二和，得导航卫星专用用子测距码；

导航电文分组由串变并模块，用于将导航电文以一定的单元分组，使其由串行传输变为并行传输，提高其传输效率；

扩频模块，用于以导航卫星专用子测距码将大规模并行信号传输支路中的导航电文分别进行扩频；

载波调制模块，用于以不同频率偏移的载波或复数载波分别对大规模并行信号传输支路中的扩频信号进行调制；

信号叠加模块，用于将并行信号传输支路的载波调制信号分成不同组分别添加噪声，各组信号分别进行叠加；

导航信号产生模块，用于将各组叠加信号产生导航卫星基带发射信号；

跟踪捕获模块，用于对发射端各并行信号传输支路的导航信号分别进行去载波、解扩、解调；

导航电文由并变串模块，用于将各并行信号传输支路解扩、解调获得的导航电文由并行传输变为串行传输，实现卫星导航电文的获取。

按上述方案，所述跟踪捕获模块的具体工作方法如下：

1)接收端在同一频点以单天线单通道接收方式接收通过多天线发射的导航卫星基带导航信号，其中单天线单通道为每根天线只连接一个信号处理的通道，它负责对所有卫星导航信号的接收处理；

2)截取一段基带卫星导航信号；

3)选择发射端第1个并行信号传输支路；

4)产生本地载波或复数载波；

5)对步骤2)获得的导航信号用多普勒频移载波匹配法或串行干扰抵消去载波，并以排序法获得去载波二值化信号；

6)用第1个并行信号传输支路专用子测距码与去载波二值化信号以基于FFT的循环相关法进行相关处理，如果存在相关峰，表明接收信号中存在该颗导航卫星信号,根据相关峰位置从该支路接收的基带卫星导航信号去载波信号解调导航电文,执行步骤7)，否则，执行步骤2)；

7)选择发射端第2个并行信号传输支路，取第2个并行信号传输支路的导航卫星专用子测距码；

8)截取一段基带卫星导航信号；

9)产生本地载波或复数载波；

10)对步骤8)获得的导航信号用多普勒频移载波匹配法或串行干扰抵消法去载波，并以排序法获得去载波二值化信号；

11)用该并行信号传输支路专用子测距码与去载波二值化信号以基于FFT的循环相关法进行相关处理，根据相关峰位置从该支路接收的基带卫星导航信号去载波二值化信号解调导航电文；

12)选择发射端下一个并行信号传输支路序号，取该并行信号传输支路的导航卫星专用子测距码，如果传输支路序号大于发射端总的传输支路号，执行步骤13)，否则，执行步骤8)；

13)将从各并行信号传输支路获得的导航电文由并变为串，获得导航卫星的导航电文。

本发明具有如下优点和有益效果：

(1)所有导航卫星共用相同子测距码发生器

所有导航卫星使用相同公用子测距码伪随机码发生器，极大减少产生子测距码伪随机码发生器数量，充分降低硬件成本。

(2)导航卫星子测距码相位分配详细

从相同或不同寄存器状态值的实部和虚部互抽头组合中分别详细确定了导航卫星测距码和大规模并行信号传输支路公用子测距码的相位分配。

(3)卫星导航系统可容纳更多信号的多址接入

使用非正交测距码提高卫星导航系统用户容量，允许更多信号的多址接入。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图；

图2是本实例第1个并行信号传输支路专用子测距码；

图3是本实例第110个并行信号传输支路专用子测距码；

图4是本实例图3的扩频信号；

图5是本实例第7组16个并行信号传输支路载波信号分别添加高斯白噪声后的叠加信号；

图6是本实例图5的去载波信号；

图7是本实例图6的去载波二值化信号；

图8是本实例第110个并行信号传输支路在信噪比为－10dB、码偏移为37bits、频率偏移18Hz时的跟踪捕获信号；

图9是本实例的系统各部分模块结构图。

具体实施方式

本实例将以正交测距码且导航卫星发射端为大规模并行信号传输支路系统实现进行原理说明，根据图1实现步骤如下：

S1以含不同参数的3个x的状态变量x₁、x₂、x₃和sin函数以不同扩散系数为权值设计一组非线性函数构成实部，以含不同参数的3个y的状态变量y₁、y₂、y₃和cos函数以不同扩散系数为权值设计另一组非线性函数构成虚部，通过寄存器抽头值驱动非线性函数相互作用，以作用值为反馈端，构建非线性函数驱动复数右移伪随机码发生器；

S2取非线性函数驱动复数右移伪随机码发生器的级数为5，产生的码长为128位；

S3以0.1+0.1j分别初始化非线性函数驱动复数右移伪随机码发生器的寄存器状态值；

S4从相同或不同寄存器状态值的实部、虚部分别取部分抽头进行组合，得实部自抽头组合、虚部自抽头组合和实部和虚部互抽头组合，其中实部自抽头组合总组数为26组，虚部自抽头组合总组数为26组和实部和虚部互抽头组合总组数为626组；

S5从不同寄存器状态值的实部任意取1个抽头，从相同或不同寄存器状态值的虚部取2个、3个、4个和5个抽头的互抽头组合数为140组为北斗导航卫星测距码的相位分配，满足大于北斗卫星导航系统卫星总数35的需要；从不同寄存器状态值的实部分别取3个和4个抽头，从相同或不同寄存器状态值的虚部分别取1到5个抽头组合数为267组，依次取127组抽头为导航卫星大规模并行信号传输支路公用子测距码的相位分配；

S6对导航卫星测距码的相位分配的抽头组合中的各抽头输出的伪随机数以排序法分别进行二值化并模二和，得导航卫星测距码，并将其作为第一个并行信号传输支路专用子测距码,见图2；

S7对导航卫星大规模并行信号传输支路公用子测距码的相位分配中的各抽头输出的伪随机数以排序法分别进行二值化并模二和，得其余127个导航卫星公用子测距码；

S8将导航卫星测距码与导航卫星公用子测距码分别进行模二和，得其余127个导航卫星专用用子测距码，且导航卫星这些专用子测距码之间具有良好的互相关性，见图3；

S9构建128路并行信号传输支路；

S10产生2048位长度的卫星导航电文并分为128组，每组16位；

S11将分组的卫星导航电文依次分别送入128路并行信号传输支路；

S12将导航卫星专用子测距码分别对128路并行信号传输支路中的分组导航电文进行扩频，见图4；

S13以不同频率偏移的复数载波分别对并行信号传输支路中的扩频信号进行调制；

S14将并行信号传输支路的载波调制信号分成8组分别加入－10dB的高斯白噪声，每组信号分别进行叠加并功率均衡；

S15形成导航卫星基带发射信号，见图5；

S16将各组导航卫星基带发射信号在同一频点分别通过8根天线发射；

S17接收端在同一频点以单天线单通道接收方式接收通过8根天线发射的导航卫星基带导航信号，其中单天线单通道为每根天线只连接一个信号处理的通道，它负责对所有卫星导航信号的接收处理；

S18截取一段基带卫星导航信号；

S19选择发射端第1个并行信号传输支路；

S20产生本地复数载波；

S21对步骤S18获得的导航信号用多普勒频移载波匹配法去载波，并以排序法二值化获得去载波二值化信号，见图6和图7；

S22用第1个并行信号传输支路专用子测距码与去载波二值化信号以基于FFT的循环相关法进行相关处理，如果存在相关峰，表明接收信号中存在该颗导航卫星信号,根据相关峰位置从该支路接收的基带卫星导航信号去载波二值化信号解调导航电文,见图8，执行步骤S23，否则，执行步骤S18；

S23选择发射端第2个并行信号传输支路，取第2个并行信号传输支路的导航卫星专用子测距码；

S24截取一段基带卫星导航信号；

S25产生本地复数载波；

S26对步骤S24获得的导航信号用多普勒频移载波匹配法去载波，并以排序法二值化获得去载波二值化信号；

S27用该并行信号传输支路专用子测距码与去载波二值化信号以基于FFT的循环相关法进行相关处理，根据相关峰位置从该支路接收的基带卫星导航信号去载波二值化信号解调导航电文；

S28选择发射端下一个并行信号传输支路序号，取该并行信号传输支路的导航卫星专用子测距码，如果传输支路序号大于发射端总的传输支路号，执行步骤S29，否则，执行步骤S24；

S29将从各并行信号传输支路获得的导航电文由并变为串，获得导航卫星的导航电文；

S30结束。

如图9所示，基于Hzb码北斗卫星子测距码相位分配实现系统，包括：

非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器构建模块，用于以一种含不同参数的单状态变量或多状态变量或函数设计一组以不同扩散系数为权值的非线性函数构成实部，再以另一种含不同参数的单状态变量或多状态变量或函数设计另一组以不同扩散系数为权值的非线性函数构成虚部，通过寄存器抽头值驱动非线性函数相互作用，以作用值为反馈端，构建非线性函数驱动复数移位伪随机码发生器；

子测距码相位分配模块，用于从相同或不同寄存器状态值的实部和虚部互抽头组合中，将实部任意1个抽头分别和虚部任意2个、3个、...、N个抽头进行组合得到通过实部任意1个抽头获得的一组抽头组合，根据导航卫星数量从中确定一部分抽头组合为导航卫星测距码的相位分配，其余部分抽头组合预留给后续导航卫星测距码的相位分配；将实部任意2个、3个、...、N个抽头分别和虚部任意1个、2个、3个、...、N个抽头进行组合得到通过实部任意2个、3个、...、N个抽头分别获得的多组抽头组合，根据大规模并行信号传输支路数量从多组抽头组合中确定一部分抽头组合为导航卫星大规模并行信号传输支路公用子测距码的相位分配；

子测距码产生模块，用于分别从导航卫星测距码的相位分配的抽头组合和导航卫星大规模并行信号传输支路公用子测距码的相位分配的抽头组合输出的伪随机数分别进行二值化并模二和，得导航卫星测距码和导航卫星公用子测距码，或将导航卫星测距码前面或中间或后面补充部分0值，得导航卫星稀疏测距码，或将导航卫星公用子测距码前面或中间或后面补充部分0值，得导航卫星稀疏公用子测距码，再将导航卫星测距码与导航卫星公用子测距码或导航卫星稀疏测距码与导航卫星稀疏公用子测距码分别进行模二和，得导航卫星专用子测距码；

导航电文分组由串变并模块，用于将导航电文以一定的单元分组，使其由串行传输变为并行传输，提高其传输效率；

扩频模块，用于以导航卫星专用子测距码将大规模并行信号传输支路中的导航电文分别进行扩频；

载波调制模块，用于以不同频率偏移的载波或复数载波分别对大规模并行信号传输支路中的扩频信号进行调制；

信号叠加模块，用于将并行信号传输支路的载波调制信号分成不同组分别添加噪声，各组信号分别进行叠加；

导航信号产生模块，用于将各组叠加信号产生导航卫星基带发射信号；

跟踪捕获模块，用于对发射端各并行信号传输支路的导航信号分别进行去载波、解扩、解调；

导航电文由并变串模块，用于将各并行信号传输支路解扩、解调获得的导航电文由并行传输变为串行传输，实现卫星导航电文的获取。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。