TELKOM NIKA , Vol.13, No .1, March 2 0 1 5 , pp. 238~2 4 9   ISSN: 1693-6 930,  accredited  A  by DIKTI, De cree No: 58/DIK T I/Kep/2013   DOI :  10.12928/TELKOMNIKA.v13i1.1268        238     Re cei v ed O c t ober 1 0 , 201 4; Revi se d Decem b e r  23, 2014; Accept ed Ja nua ry 1 2 , 2015   A Low Complexity Navigation Data Estimation  Algorithm for Weak GNSS Signal Tracking        Shunxiao Wu*, Yangbo Huan g, Shaojie Ni, Gang Ou   Coll eg e of Elec tronic Scie nce  and En gi neer in g, Nati on al Un i v ersit y  of D e fe nse T e chnol og y, Ch angs ha  410 07 3, Huna n, Chin a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : shun xi ao _ w u @ yea h .net       A b st r a ct  T he co mp utati on l o a d  of tra d i tion al  navi gati on d a ta estim a tion  algorithm s   for w eak GNS S  sign al   tracking  incre a s es exp o n enti a lly w i th res pect  to the  nu mb er  of data  bits  ne ede d to  be  esti mate d. T o  so lv e   this pro b l e m,  by ad opti ng t he dy na mic p r ogra m mi ng  p h ilos o p h y, a  navi gatio n d a t a  bits  esti mat i on   alg o rith m is  pr opos ed. T h e   prop osed  al go rithm  uses  t h e  partia l  su o f  correlati on v a lu es as  data  bit   combi natio n s earch ing  branc hes. It can pre d ict an d e xcl u de se archi ng b r anch e s of dat a bit co mb in ati o n   w h ich h a ve  s m all  coh e re nt ac cumul a ted  en e r gy as  so on as   poss i bl e by an gle   qu ant ific ati on, th us re duc i ng  its computati o n  loa d  to b e  l i n early r e late d to  the  n u m ber  of data  bits ne e ded to  be  esti mate d. Si mu lat i o n   results show  that for signa l  of 500bps n a vig a tion d a ta  rate, the carrier track loop  w i th a frequency   discri m i nator i m p l e m e n tin g   0.12s co here n t  accumul a tion  by navi gati o n  data esti mati on i m pr oves t h e   tracking s ensiti v ity up to 7  d B  compar ed w i th tradi ti ona l frequ ency d i scr iminat or un der  the sa me tra c k   accuracy constraint.    Ke y w ords : GNSS w eak sign al trackin g , nav igati on d a ta bit s  estimati on, d y na mic pr ogra m mi ng       1. Introduc tion  With the fu rther  wide ning  appli c ation  of r adi o sate llite navigatio n, GNSS receiver i s   facing a mo re and more deman ding  work e n viron m ent: In the coverage of the  urban  canyo n and vegetatio n, the sattelite sign al will b e  att enuated  by more than  a dozen o r  e v en dozen s dBs  comp ared to   the op en  sky  con d ition [1];  In the p r e s e n c of st ron g  i n terferen ce,  even if the  a n ti- jaming tre a tment is pe rforme d in the  front-en d   proce s sing, it will still re sul t  in signal p o we antenuation obviously [2]. Improving  the track sensitivity will result  i n  a higher rat e  of successf u l   positio ning u nder  wea k  si gnal co nditio n s, so the  ro b u stne ss of re ceiver i s  enh anced. Freq u ency  discrimi nator  perfo rms  a key role in the  pro c e ss  of tracking the freque ncy of the sig nal carrier,   so its pe rformance have  large im p a ct for improvi ng tra ck  sen s itivity [3]  [4]. By using the   correl ation value se que n c e come fro m  the pr om pt correlato r , frequen cy discrimi nator can   estimate the  freque ncy tra ck  deviation  whi c h is th e sign al’s  ca rri er freq uen cy  minus th e lo cal   repli c ca rri e r ’s freq uen cy . As a  freq uen cy e s timator, in  orde r to  obtain   high  estimati on  pre c isi on, th e du ratio n  of  data  u s ed  for  sin g le fre quen cy di scri mination  ope ration  should  b e   extended  [5]. Witho u t the  auxiliary  wa ys to a c ce ss the n a vigati on d a ta in  a d vance, the  the   discrimi nator need s to e s timate the co mbination  of navigation d a ta bits to a c hieve  co heren t   accumul a tion . The  mod e rn  GNSS  si gna ls h a ve a  pil o t and  data  co mpone nt tra n s imited  on  th e   same  carrier,  and o n  the  pil o t com pon ent  no d a ta mod u lation i s  p r e s ent. Althou g h  the fre que n cy  deviation can  be estimate d by the pilot compo nent  only with no need of d a ta estimatio n , a   discrimi nator jointly use t he correlatio n value of pi lot and d a ta  com pone nt  will get a  be tter  performanc e  [6].    So the navigation data  estimation al gorithm  ha s great sig n ifican ce for d e sig n  of  freque ncy di scrimin a tor u nder  wea k   si gnal con d it io n. Many Lite ratures have  re sea r ched   the   data e s timati on al gorith m . Literature  [7 ] adopt s th Viterbi al gorit hm of  dynam ic p r o g ram m i ng  philo sophy to  impleme n t navigation  d a ta estim a tio n , but this  m e thod n eed s to estimate   the   sign al amplitu de, and its eff e ctiv ene ss is  limited by trace ba ck  dept h paramete r  of the algorith m Literatu re [8]  estimate  the  bit co mbinat ion ba se d o n  the maximu m ene rgy  cri t erion, a nd f o every 5 adja c ent bit s , it adopts  an exh austive  sea r ch method. Lit e ratu re [9] co mbine s  the f a st   Fouri e r tra n sf orm (FFT)  wi th the exhau stive se a r ch  of navigation  data messa ge togethe r, and   the FFT s ne eded  by fre quen cy di scrimination i s  redu ce d by usin the   ch ara c teri stics of  navigation d a t a only takes  the vaule of +1 and -1.    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       A Low Com p l e xity  Navigati on Data Esti m a ti on Algorithm  for Weak  GNSS .... (Shunxi ao Wu)  239 A higher bit  rate ca n sh orten the tim e  of  first fix and tran sfe r  inform ation  for the  augum entatio n system, a lot of GNSS signal s adopt  high navigati on data rate, for example, the  Beidou S a tellite Navigation System  (B DS)  us es a  500 BPS navigation message for its  GEO  satellite’ civil signal s. Those  t r aditional  data estimati on al gorithms can be easil y  emplem ent ed  for the GPS  signal  whi c h has a data  rat e  of  50 BPS,  while  when used for the  500 BPS signal it  encounte r a  big computa t ional bu rde n  and  can n o be implem e n ted in real-ti m e. For the  bit  combi nation  estimation  problem  of N b i ts, due to  i n verting all th e data  bits  will not affect t h e   freque ncy  e s timation, the   numbe of bit  co mbinatio n s  n eed ed to   be traversed   is  1 2 N . For the  50 BPS GPS signal, take  N  to 5~8,  the sign al-t o-noi se  ratio  obtained  b y  cohe rent  accumul a tion  will be high  enough. At this time, the number of bit combin ations ne ed to be  searched is l e ss. For the  500 BPS  signal, compared  with the 50bp signal, to achieve the  same  coh e re nt inte gration  time, t he d a ta bit s   n eed to  be  e s ti mated i n crea se s 1 0  time s.  Ta ke  achievi n g   0.12s cohe re nt integ r ation  by tra d itional  al go rithm  a s  an  exampl e, for GPS  sign al only   5 23 2 numbe r of  bit com b inatio n s   shoul d b e  searche d , whil e for the  BDS s GEO  si gna 59 2 numb e r of  bit combi nati ons  sho u ld b e  se arche d whi c h me an s the com puta t ion load in crease  54 2  times .   With  su ch a n  expon ation a l increm ent  of co mputat ion loa d , it i s  difficult to  impleme n t d a ta   estimation in  real time. Consequ ently, when u s e d   for GNSS si gnal s with hi gher  data ra te,  traditional  na vigation data  estimation  algorith m can not effe ctlivly suppo rt a long  coh e rent   acc u mulation time.    To solve this proble m , a new n a vigation  data e s timation algo ri thm base o n  dynamic  prog ram m ing  philosi phy [11] is p r op o s ed. Th pro posed alg o rit h m uses th e  partial  sum  of  correl ation v a lue s  a s   dat a bit  com b in ation  sea r chi ng b r an ch es.  It ca n p r edi ct an d ex clu de  sea r ching b r a n ch es of data  bit combinati on wh i c h hav e small cohe rent  accumul a ted energy as  soo n  as p o ssible by angl e quantification. This al g o r ithm’s  comp utation com p l e xity is in linear  relation shi p   with the num ber of data  bi ts to be  e s timated, and it is applied in  a frequ en cy-lo c ked   loop (F LL) fo r wea k  GNSS  sign al trackin g     2. Frequen c y  D i scriminator of Ma ximization Ener g y  Criterion   The ne w alg o r ithm and it s perfo rman ce i s  illust rated b y  consi d e r ing  the tracking  of wea k   GEO sig nal o f  BDS. With the assu mptio n  of mu ltiple acce ss inte rf eren ce  ca n b e  negle c ted, t h e   sign al re ceive d  by the recei v er can b e  expre s sed a s   0 () 2 ( ) ( ) c o s ( 2 ) ( ) rt P C t d t f tn t    (1)     In the a bove  formula:  P   is the received  signal  power,  () Ct  is  the   s p re ad  sp ec tr um  cod e ,   () dt  is the  navigation m e ssag e,  0 f  is  the c a rrier frequenc y  is the initial carrier  phase,  () nt  is a Gau ssi a n  white noi se.  The data rat e  for  () dt  is 500  BPS, each data bit has a duration  of 2 ms.  Carrie tracki ng  fo r Wea k  sign al  g ene ra lly  adopt s the  FLL  st ru cture, its im plem entation   block  diag ra m is  sh own in  figure  1. Th e  usual a ppli c a t ion sena rio i s  that th e receiver  swit ch from   a ph ase - lo cked loo p   (PLL ) tra c king  sta t e to FLL   tra cki ng state, so  the  b oun da ry of navig ation  data bits ca n be assum ed to be kno w n.  After wi pe off the pseud o-code and  ca rri er, the re ceived   sign al is ap plied to the prompt co rrel a tor, the in tegral interval of the co rrel ator is a navigati o n   data bit, which mea n s th e integral tim e  of the correlator is  2 c Tm s . To improve fre quen cy  discrimi nation  perform an ce , the output seque nce of  the correl ator is buffered an d  group ed eve r  data bits, a n d  then  send f o r the di scri minator  whi c h ca n jointly estimate the  freque ncy tra c deviation an d  the data bits. Then the fre quen cy discr i m ination resu lts put thro ug h the loop filter  and  control the num eri c al  oscillator  (NCO ) u s ed fo r gen erate th e local carrie r, so th e loo p   update inte rval is  c TN T Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  238 – 2 4 9   240     Figure 1. Block di agram of  the  FLL for weak  sign al tra cki ng       The freque ncy discrimin a tor in  the F L L is  de sign e d  by the  crit erion  of maxi mization   energy of  co here n t a c cu mulated  corralation val u e ,  whi c h  sh o u ld p e rfo r two di men s i onal  sea r ch of fre quen cy devia tion and  bit combinatio n.   The p r op ose d  algo rithm i s  u s ed  to red u ce   the co mputat ion loa d  of finding th e a c cumul a ted  co rrel a tion valu e whi c hav e the maxim u energy and its co rrespon di ng bi t combi n ation at a given frequ en cy track deviatio n For lo w si gna l dynamic  co ndition s, the frequ en cy track deviation  can be a s sum ed to be   fixed, neglect i ng the code  tracking  error, the  g r oup  of correlatio n value s  use  for freq uen cy  discrimi nation  can be mo de lled as follo [12]:     0 [] c o s ( 2 ) [] [] s i n ( 2 ) [ ] 2s i n ( ) () ~( 0 , 1 ) , 1 , 2 , , ke r r I P ke r r Q P ce r r c er r c IP k A d f T k k QP k A d f T k k CT f T A Nf T Nk N         (2)     In the above model:  0 / CN  is the  signal to noi se ratio,  A  is the sign al ampli t ude with a   norm a lized n o ise   en ergy,  er r f  is th e frequ ency t r a c k error deviatio n  is th e   c a r r i e r  ph ase  track  deviation,  k d  is the navigation data bi ts, its value is + 1 or 1,  [] IP k   an [] QP k   a r e   the correl atio n value, and i t  can be written as a  comp lex value form  [] [] 1 * [] x k I Pk j Q Pk .   Acco rdi ng to the model of e quation    (2 ), ta king  a simila r a nalysi s  met hod of  estimating f r eque ncy of a  singl e tone  sign al bu ried  in noise [5], the maximu m likelih ood j o int  estimato r of the frequ en cy deviation an d  navigation d a ta is as follo ws:     2 1 2 0 ˆ {, } a r g { m a x m a x { [ ] } } N jf k ml m l k f D k fD d x k e                         (3)    In the above  formula:  1 {} , { 1 , 1 } N kk Dd d   is t he bit combi n ation written i n  vecto r  form f is the frequ e n cy deviatio n  to be  sea r ch ed,  ˆ ml f  is th e e s timated freq u ency d e viatio n,  ml D is  the  e s timatio n   re sult of  bit  com b inati on.  In  the   o p timization   p r oble m   d e fin ed  by  equati on                        (3), calculatio n its objective  fucntion ca n be vi ewed a s   su ch a proce ss: firstly the origin al  correl ation va lue i s  ph ase  rotated, the n   data mo dulati on i s  wi ped  o ff with a bit  combinatio n fo try, finally the cohe re nt a c cumulate correlat ion  val ue a n d  its  e nergy  is obta i ned. T he  ph ase   rotation i s  u s ed to co mpe n sate  side  effects o n  co h e rent a c cum u lation which  is re sult fro m   freque ncy  de viation. In a  given fre que ncy d e viation ,  by only sea r chi ng th e bit  com b inatio n, a  maximum  co here n t a c cu mulated  ene rgy ca n b e  fin d , it ca n b e  v i ewe d  a s   a f unctio n   () ac c Ef Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       A Low Com p l e xity  Navigati on Data Esti m a ti on Algorithm  for Weak  GNSS .... (Shunxi ao Wu)  241 namely:     2 1 2 0 () m a x { [ ] } N jf k ac c k D k Ef d x k e    (4)     So the joint es timator’s  output  ˆ ml f  is wh ere  () ac c Ef  t a kes it s max i mum  v a lue.  A s   sho w n i n  fig u re  2, the m a ximum likeli hood  esti m a tor  can  be  ap proximately i m pleme n ted,  by  usin g the co ndition that  () ac c Ef  is a co ntinuo us fun c tion a nd the interp olation meth od. This  estimated i s  use d  as the freque ncy di scriminato r   of the FLL, its sp e c ific ste p s a r e  as follows:   1) Set the fre quen cy tra ck  deviation’ s po ssi ble value  section  [, ] ma x m a x f f , and take  L   sampl e  point s with eq ual space  f  in this section, nam el y:  12 1 LL f ff f  2) Cal c ulate   () ka c c k EE f  use the  propo sed  data  estimatio n   algorith m , an d find o u t the  sampl e  poi nt with the largest en ergy  {} mk E m ax E , then use  m f  as the initial  estimate d   freque ncy de viation value.  3) If  1 E  or  L E is the  maximum, n o  interp olatio n is n eed ed,  dire ctly limit the freq uen cy  deviation   to  1 f  or  L f , otherwise firstly ca lculate the co efficient   11 11 mm mm EE EE  which can discri be the  pea k bia s , then the revise d discrimi nati on re sult is o b tained by  ˆ 2 m ff f          Figure 2. Dia g ram of the jo int estimator  f o r freq uen cy deviation an d  navigation d a ta      Let the real p a rt and the im agina ry part o f  correlat ion v a lue after ph a s e rotatio n  in step 2) to b e   [] r I Pk  and  [] r QP k  res p ec tively namely  2 [] [] 1 [ ] [ ] jf k rr r I Pk Q P k j x k e x k  then the  optimizatio n probl em of eq uation (4 ) can  be expre s se d as:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  238 – 2 4 9   242 22 1 0 1 0 () m a x { ( ) ( ) } () [ ] () [ ] acc D N ir k k N qr k k Ef I S D Q S D SD I P k d SD Q P k d      (5)   Thus th e cal c ulatio n of  k E  can be  rega rd ed a s  a navi gation data  e s timation p r o b lem  whi c h u s e th e pha se rota ted correl atio n value and  obtain the m a ximum ene rgy of cohere n accumul a tion . The correlat ion value  [] r x k  ca n be vie w ed  as a t w o-  dim ensi onal ve ct or, then it  is 18 0 deg re e rotated  wh en  k d  is -1, while  k d  is 1 co rre sp ondi ng to no rotation . So the   navigation da ta estimation  problem  ca n be viewed  as: given  N  numbe r of two-dim e n s iona vectors  who s e directio n ca n be i n verted  180 d e g r ee,  f i nd out  a inve rsio combi n ation which can  make  t he  su m v e ct or   {, } iq SS  has the  maxi mum en ergy value. In n e xt sectio n,  the low  compl e xity algorithm to sol v e this  probl em will be addressed in det ail.      3. Lo w   c o mp uta t ion com p lexit y  na v i g a tion da ta es timation   The propo se d navigation  data estim a tion al go rith m view the pro c e ss of  coherent  accumul a tion  as a multist age de cisi on  process,  an d take the succe ssive n a vigation messag bits a s  a de cisi on vari abl e. In literature [7] the dynamic p r og ra mming p r og ramming p r o c ess  dire ctly uses  the bit combi nation a s  th e  stat e va riabl e, while  the  prop osed  alg o rithm  used t he  curre n t accu mulated correlation value  as the state  v a riabl e whi c h  can sta n d s  for a bran ch o f  bit  combi nation,  namely, the dynamic  pro g rammi ng i s  carrie d out in  correlatio n d o main. Let th sub s et   m A  of  2  to be the all po ssi ble a c cum u lated correla t ion values u s ing o n ly the first  m   correl ation v a lue ve ctor a s  the  data  bi ts varie s . T h en it i s  e a sy  to find that  1 A  has  only one  element an d the followi ng recu rsi on form ula is corre c t:    1 {[ 1 ] , [ 1 ] } 1, 2 , , 1 m mr r s sx m s x m mN   A A    (6)     After  N A  be  de rived by th e  above  re cu rsio n fo rmula ,  by finding   its elem ents of   maximum energy,  () ac c Ef  can  be   obtaine d. As t he n o ise pa rt  in the  origi nal  co rrelation  value i s   irrel e vant to  each othe r, t he a c cumul a ted  correl atio n value s  a r limited to a  small area  of two- dimen s ion a l plane, whil e with the increase of  m , the  number of e l ements in  m A  i n c r eases  expone ntially. So fo r a  la rg er  m , the el em ents  dist ributi on of   m A  sho w s a fe ature  of  massive  gatheri ng. Th erefo r e with t o lera nce of cert ain ap proximation, only a little elements in  m A  is  need ed to continue the  accumul a tion  in the  next  deci s io n-m a ki ng stag e. These  kee ped  for  accumul a tion  element s are the mo st likely to be  of  maximum e nergy afte r a ll the co rrel a tion   value a r accumulated,  an d a lot  of oth e r el ement s i s  ex clude d from con s ide r a t ion in the  after  stage s in adv ance. So a subset  m  in  m A  is d e fined recursi v ly, which ex clud e all the  element s   that can not  have the ma ximum energ y  by cont inu e  the coh e re nt accumulati on, and all the  element s kee ped for  co ntinue a c cumul a tion is in thi s  sub s et. Th us the  wh ole  pro c e ss  of the   algorithm is : firs tly s e 11 A , then recursivly calcul ate the  2 3 until  N  using i t s step to   step  re cursiv e rel a tion ship . At last find  out the ve cto r  of maximu m ene rgy ele m ent in  N , and   use it a s  the  result of co h e rent a c cum u lati on, the correspon ding  deci s ion val ue seque nce  are   the e s timatio n  result for b i t com b inatio n. So a  p r op erly  correlati on valu e ex cl usio n m e tho d  is  need ed.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       A Low Com p l e xity  Navigati on Data Esti m a ti on Algorithm  for Weak  GNSS .... (Shunxi ao Wu)  243 The g eom etri c p r in ciple  u s ed for corrrel a tion value  e x clusi on i s   sh ow i n  figu re  3 ,  if there  are  two  elem nets 1 y , 2 y  in the  m A  with the   sam e  an gle i n  th e  pola r -angl e p l ane  and   12 || | | y y then  contin u e  do  cohe re nt accum u lat i on fro m   1 y  ca n not  get th e maximum   energy. Thi s   con c lu sio n   ca n be  p r oved   by re du cti on t o  ab su rdity.  Suppo sing  th at from   1 y  by th e sub s eq uent  Nm  step  of  coh e rent  a ccu m u lation, a  ne w ve ctor  r  is  adde d to  1 y  an 1 y r  has th e   maximum energy in  N A . As   2 y r  is also a correlation  value in  N A , it stand s that   12 || | | y ry r  . On the oth e r ha nd, du e  to the vecto r   1 y r  also is in  N A , it can be  con c lu ded th at   11 || | | y ry r . Theref o r e the i nne prod uct of  1 y  a nd  r  shoul d b e  non  positive, that  mean s th e a ngle i s   betwe en the m  i s  le ss than  o r  e q ual to  90  deg ree s Usi ng t h e   con d ition of  12 || | | y y , it can  be  se en evide n tly from figu re  that  12 || | | y ry r  , and thi s   lead s to the contradi ction.           Figure 3. Geo m etry prin cipl e use d   for exclu s ion  correl ation value s       Acco rdi ng to the above ge ometri c prin ci ple,  for elem ents with the  same an gle  in  m A only the  one  with  the  m a ximum e n e r gy is po ssibl e  to  be  co ntinue  accu mu lated to  be  the  maximum e n e rgy el ement  in  N A , which m ean s that o n   each ray of  2 , there i s   at m o st o n ly  one elem ent  in  m . Because the angle’ s value  secti on  is  contin uou s, limited  numbe r of   correl ation value can be  exclued by  dire ctly us in g this pri n ci ple. Beca use  whe r e si gn al is  pre s ent,  () ac c Ef  is si gnifica ntly greater t han  en ergy  of othe bit co mbinati ons, th ado ption o f   approp riate q uantitative treatment   will  not have  larg e influe nce  o n  navig ation  data e s timati on  perfo rman ce.   So the algorithm takes  quanti z ati on f o r the correl ation value’ s angle in pol ar- angle pla ne, the contin uou s se ction  i s  approximated  by a finite n u mbe r  of discrete valu es.  In  other words,  t he  2  is divide d  to a finite number of  se cto r s, an d ea ch  se ctor i s  qua ntized to its  middle ray.  Calcul ating  m  an d exclu s io n correlation val ue  on thi s  b a s is, it can b e  guaranted   that in erve ry  quantitative sector t here i s   at most o n ly  one el ement i n   m . Qua n tizati on of a ngle   for the  algo rit h m divide d th 2  to  M  secto r s,  and  the  qua ntized  ray s  i s  uniformly di stributed,  namely  with  the inte rval  of  , the di screte  qua ntitative angle  for  se ction   [0 , 2 ]  is:   12 M   . For a n y accumul a ted  correlation val ue  {, } x y SS  at step  m , it can b e   expre s sed in  the polar-a ngl e plane a s  fol l ow:     22 cos ( ), s i n ( ) [0 , 2 ] , xy xy SE S E ES S       (7)     In the quantization pro c e ss, the sample  pha se  () ks  in  ,1 , 2 , , k kM  whi c h is  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  238 – 2 4 9   244 most  cl osel t o    is sele cted a s  the qua ntized angl e, and   keep s the en ergy not ch an ged, so the  quanti z ed a c cumul a ted ve ctor  {, } iq SS  can be e x presse d as f o llow:     () () c o s( ) , s i n( ) ik s q k s SE S E      (8)     Acco rdi ng to  the above  an alysis, the  ne w nav ig ation data  e s timation  alg o rithm can be   impleme n ted  as the flow  ch art in Figure 4.  The process  of calculation  1 m  base d  on  m  can be sp ecfi ce d as follo ws:   1) At initial set  1 m  to an empty set.  2) Fo r ea ch  element  y  in  m , calculat e the accu mulated ve ctor  y  whose   corre s p ondin g  next bit val ue i s  1,  and  the a c cumul a ted ve ctor  y   wh ose  corre s po nding  next bi t   value is -1.   3) Let  () ky  to be   the qu antized  angl e of   y , if there  i s  n on  e l ements in   1 m  has  a   quanti z ed  an gle of  () ky , add   y  to  1 m ; otherwi se,  let  z  to be th e  eleme n t in  1 m  whi c h   has the  qua ntized a ngle of  () ky , then comp a r e the am ptitude value of  y and  z , if  || | | y z the element   z  of  1 m  is repl aced by  y , else keep  1 m  uncha ng ed.          Figure 4. Flow ch art of implementin the navigation  data estimati on algo rithm       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       A Low Com p l e xity  Navigati on Data Esti m a ti on Algorithm  for Weak  GNSS .... (Shunxi ao Wu)  245 4) Ta ke the same processi ng for  y  to  y From th e recursive  calcul a t ion process  of  m , it can b e   see n  that ele mment nu mb er of   m  is less than  M . By noticing t hat com putati on amo unt  at  each iteratio n step i s  p r op ortional   to the num be r of the  elem ents in   m , the total co mputat ion complexit y  uppe r bo un d is in  the   form of  M N . The r efore, for a fixed  M , the co mputation  co mplexity of the algo rithm  is in  linear  rel a tion ship  with the  numbe r of d a t a bits to  b e  e s timated. Of  cou r se, a s  th e increa se  of  N , incrment  i n   M  is  nee d ed to  re du ce the  qu ant ification  erro r, an d thu s  re du ce the  corre s p ondin g  perfo rman ce loss.      4. Performan ce Analy ses   In order to g e t the  spe c ifi c  q uantitative  anal y s is re sults, aim ed f o r th e GE sign als of  BDS, setting t he cohe re nt a c cumulatio n  ti me to 0.12 (t hat mea n 60  $), th e p e rform a n c of  data e s timati on an d fre q u ency di scrimi nation u nde typical wea k   sign al conditi on is verified  by  nume r ical si mulation.   Con s id erin that unde r th e low dyn a m i c c ondition,  the frequ en cy track  devia tion is   relatively sm all, so in the implem emnt  of th e   freq u ency discrimi nator  the se ction of  po ssible   freque ncy de viation is set  to  [1 0 , 1 0 ] H zH z , and 11 sampli ng poi nts with interval of 2Hz is  sele ct ed i n  it .  Whe n   M  is sufficiently la rge,  the pe rform a nce i m prove m ent obtai ne d by in cre a se  M  is  not  obvi ous. Sim u lati on  re sults shows th at ta ke  10 2 M   can  en sure  rel a tive  high   perfo rman ce,  so the pe rformance sim u l a tion in  this p aper i s  ca rri e d  out in su ch  a ca se.       4.1. The bit e rror rate of n a v i gation da ta es timatio n   For si mpli city, without co n s ide r ing the  error  corre c ti ng en cod e  a nd de cod e  techni que,  only the origi nal bit erro r rate is cou n te d. Acco rdin g to the optimal data demo dul ation theory, the  theoreti c al e r ror rate  can b e  cal c ulate d  by the followi ng formul a [13]:    2 00 /2 (2 / ) 1 () 2 z x BER Q C N T Qx e d z       (9)    As the fre q u ency diviatio n sa mpling i n terval of th e discriminat or i s  2  Hz,  in the   simulatio n  th e pha se rotation proc ess is bypassed. T he freq uen cy di viation valu e is take from   - 1Hz to 1Hz in  steps of 0.2 H z, an d for e a ch valu e 20 00 gro up of o r iginal  co rrel a tion is gen era t ed   for process.  The a c tual  st atistic bit  error rate an d t he theo reti cal  bit error  rate  without tracking   deviation at d i fferent CNR  are a s  sh own  in table 1.      Table 1. The  statistic  re sult s of bit erro r rate  CNR dB- H z   The total  number of d a ta  bits  The measur ed bit  error  rate   Theoretical bit  error  rate   27 1.32e6   0.08245   0.0783   26 1.32e6   0.10823   0.1035   25 1.32e6   0.13656   0.1304   24 1.32e6   0.16719   0.1580   23 1.32e6   0.19812   0.1859   22 1.32e6   0.22850   0.2131   21 1.32e6   0.25886   0.2392   20 1.32e6   0.28819   0.2637       It can be see n  from table  1 that the measu r ed bit e r ror rate i s  wel l  close to the  bit err  rate  obtain ed  by the  optima l  dem odulatio n theo ry. Th e  lower the  CNR i s , the  g r ea ter the  bit  error  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          ISSN: 16 93-6 930   TELKOM NIKA   Vol. 13, No. 1, March 2 015 :  238 – 2 4 9   246 differen c e i s but the  maximum differen c e i s   not mo re than  0.03.  Whe n  the  CNR i s  a s  l o w a s  2 0   dB-Hz, the  bit  error rate i s   up to  clo s e  0. 3, at th is con d ition  seri ou s loss  of fre q u ency  discri nat ion   perfo rman ce i s  expe cted.       4.2. The freq uenc y  discriminator per f ormance   The p e rfo r ma nce  of the  fre quen cy di scri minat or un de r different  CNR i s  inve stiga t ed by   simulatio n With a  given  CNR an d frequ ency t r a c k de viation, the  g a in  coeffici ent  and  noi se  le vel  of the di scrim i nator  at ce rt ain  conditio n   can  be  refle c ted by  statis t he ave r ge val ue an d vari an ce  of the di scrin a tor’s outp u t. Fro m  -7.5  Hz to  7. Hz,   with the  inte rval of 0.5  Hz, 16 frequ en cy  deviation val ue is sele cte d  to gene rat e  the or igi n a l  correlatio n value. At a  given CNR  and  freque ncy  de viation   2000  ori g inal  correlation val ue  is p r o d u c ed.  By statisin g t he ave r g e  va lue   and varia n ce  value of discrimin a tor o u tput at  different CNR a nd frequ en cy deviation, the  pero r ma nce curve of the discrimin a tor is as sh own in Figure 5.        Figure 5. The  performan ce  curve  of the frequ en cy discrimi nator      It can be see n  that when  0 / CN  is 25 db-Hz, the frequ en cy di scrimi nator  can reflect th e   input freq uen cy deviation  exactly, but whe n  the  0 / CN  reduced to 20  db-Hz, the  p e rform a n c e   of the  discri m i nator de crea sed   si gnifica ntly. Refered  to the  def initi on of  the  ave r age gain  a n d   norm a lize varian ce of p h a se  discri minat ot in literature [2], the avera ged  gain  d K  a nd  norm a lized v a rian ce   n  for the fre que n c y di scrimin a tor  can  be  define d . O n  this ba sis,   quantitative p e rform a n c compa r ison b e twee n the  n e w fre quen cy  discrimin a tor of this pape r   and the tradit i onal freq uen cy discirmi na tor can b e   d one, the re su lts are sho w n in Table 2.  In   orde r to en sure the  sam e  length of co rrel a tion valu e is u s ed fo r freque ncy di scrimin a tion, the  traditional  di scrimin a tor i s  d e si gne as foll ows: a )   Divide the   60  correl atio n value s  i n to  30  grou ps, with  each gro up i n clu d ing the  two adja c e n t correlatio n value s ; b) For each g r ou p of  data, firstly the ratio b e twee n cro ss  prod uct  a n d  dot prod uct  is cal c ul ate d , and then  the  estimated  fre quen cy value s  is produ ce d  by an a r c ta ngent fun c tio n ; c) the e s ti mated valu es got  from 30 g r ou p of data is a v erage d up to  form the final discrimin a tor output.      Table 2. Co m pari s on of di scrimi nator p e rforman c e   Discriminator t y p e   CNR dB- Hz   averaged gain    Normalized  variance () Hz   Ne w  fre quenc y   detector   25  0.8857   3.1570   20  0.2423   25.1356   Traditional  25  0.1173   107.61   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  1693-6 930       A Low Com p l e xity  Navigati on Data Esti m a ti on Algorithm  for Weak  GNSS .... (Shunxi ao Wu)  247 discriminator  20  0.0295   443.56       It can b e  see n  from T able  2 that the n o rmalize d  vari a n ce  and th averag ed g a i n  of the  new frequ en cy discrimin a tor is  sig n ifica n tly supe ri o r   outperfo rm s the traditio nal  discrimi ntor  at  the two investigated CNR.  Espe cially, when the CN R is 20 dB-Hz,  the traditiona l discriminato r ’s  output is alm o st pure noi se.    4.3. Ev aluation of compu t ation a l complexit y   The n a vigatio n data e s tim a tion alg o rith m is impl eme n ted by C++  and  run s  o n   a 64 bit  serve r  with 2 . 4 GHz CP U,  so the amo unt of  calcul ation can b e  measu r ed b y  run time of the   pro c e ss. B e cause the  mai n  computatio n load  of  the  discri minato r  embo die s  in  the navig ation   data e s timati on, the  run  time of the  ne w fre que nc discrimi nator  in table  2 i s   mainly con s u m ed   by data e s timation. The r ef ore the  sin g le  run time  fo data e s timation is o b taine d  by divding  run  time of di scri minator with t he time s of  d a ta e s timatio n  u s ed i n  the  discri minato r , the re sult are  sho w n in Ta b l e 3.      Table 3. Average ru n time for a sin g le na vigation data  estimation   Method  CNR  (dB - Hz)   estimati on times  Average run time   Ne w  method  in this paper  25 17600   13.9  ms  20 17600   14.2  ms  Traditional meth od  25  >1500 s      Adopting th traditional  ex hau stive se arch m e thod to  estimate  nav igation d a ta,  even for  a si ngle  bit combinatio n, the run tim e  i s  g r eate r  th a n  15 00 s, so  whe n  u s e d  f o r a  60  bit d a ta  estimation, t he cal c ul atio n amount for the new  alg o rithm is le ss than 0.00 0 01 times of the  traditional  alg o rithm. As th e FLL up date s  every 12 ms, it can b e   see n  from the  above table t hat  the processin g  speed  of d a ta e s timatio n  is  nea r the  req u ire m ent  of re al-time  impleme n tation,   and by  redu cing  M  the p r o c essing  spee d  ca n b e  im proved m o re.  The  ne w d a ta e s timation   algorith m  ne ed to sto r m  whi c h at mo st can have  M  e l ements,  so it s re quired a m ount of  stora ge  i s   in linear relatio n s hip with  M . While the tra d itional alg o rith m only nee d s  to sto r a g e   the  current maximum en ergy amon g the  bit co m b i nation s  h a ve  bee sea r ched, its requi red  amount of storag e is less.  This fact sh ows t hat the  dynamic p r og rammin g  alg o rithm s  have  the  feature of re p l acin g the time comp lexity  with the s p ace c o mplexity.       5. Simulation  As the data  estimation  ca n be imple m ented with lit tle comp atio n amout, thi s  arti cle  desi gned a frequency di scriminator for the 500 BPS  signal with a  0.12s  coherent accumulati on  time. The F LL’s t r ak capability improvement for  weak  signal of the new discrimi nator is  investigate d  by simulation.    The  se co nd-orde FLL  st ructu r e  is a d opted  fo r si mulation, an by usi ng  t he  n e discrin a tor a nd tradition al  discrimin a to r mentio n ed  in the previo us sectio n resp ectively, two   tracking lo op s is de sig ned  for comp are.  The initial value of dop pl er freq uen cy is -18 0  Hz, the  total length o f  the simulation data is 1 2 0  s, and the  l oop s start wo rk at a stea d y  trackin g  sta t e ,   whi c h m ean s the initial vel e city an d a c cerla r ati on t r a cki ng  error is 0.  As only  con s id erin g t h e   carrie r tracki ng, the  co de  tra cki ng  de viation is  a s sume d to  be  ze ro. A c cording to  the l oop   para m eter  de sign m e thod i n  literatu r e in  [14], the  mai n  ch ara c te rist ics  of a tra c ki ng loo p  can  be  reflecte d by the pro d u c t of the loop  noise ban dwi d th  L B  and the  loop upd ate  interval  T namely  L B T For the  stati c  situ ation with ze ro  do pple r   viration rate,  a  smalle l oop  band width  sho ud b e  a d opted, so the  loop  parame t ers i s   desi g n ed un de r con d ition of  0.01 L BT . For the  dynamic  situ ation of 3 Hz/s dop ple r  vira tion ra te, a wi der lo op ba n d width  sho u d  be ado pted, so   the loop  pa ra meters i s  de signed  und er  con d ition of  0.025 L BT In  the static con d ition  of 2 0   dB-Hz signal,   the  trackin g  error co m pari s on  of the two loop s is  sh own in  Figu re 6; while i n  the  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.