专利名称：高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置的制作方法
技术领域：
本实用新型适用于弱导航卫星信号捕获领域，具体涉及一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置。
背景技术：
近年来,全球定位系统(Global Positioning System, GPS)已经得到越来越广泛的应用。随着这项定位技术发展的不断深入，用户对其使用要求也越来越高，无盲区、高灵敏度、实时定位与导航成为该技术发展的方向。然而，绝大多数使用手持定位设备的用户分布在高楼密集的城市地区，且大部分时间处于室内。由于受到的遮挡、多径和干扰等现象较严重，与普通环境相比，GPS信号在室内环境中，能量有更多的削弱和衰落，到达时间有更大的延迟，接收信噪比有更大程度的恶化，所以，其可用性和定位精度都会大大下降，GPS的总体性能严重恶化。在室内等低信噪比环境下，对GPS接收机最先启动的工作部分，即捕获功能模块的性能指标提出了更高的要求，必须能够快速高灵敏度捕获低信噪比环境下的信号。但是，目前的GPS捕获技术几乎很难满足这一要求，现有的GPS接收机在室内等环境下很难工作。常见的相干积分、非相干积分、差分相干积分等捕获方法能在一定程度上提高灵敏度，但均要求积累时间较长，无法满足室内弱信号高灵敏度及实时捕获的要求。如果GPS信号不能被快速高灵敏度捕获到，那么后续的所有功能都将受影响，比如跟踪、导航电文提取、位置解算等。2011年04月《系统工程与电子技术》第33卷第4期中提出了一种“基于随机共振的高灵敏度GPS信号捕获算法”，该算法首先用部分匹配滤波器对GPS信号进行分段相关预处理，然后利用随机共振提高预处理后信号的信噪比，实现在相对较短的相关累积时间内获得较高的捕获灵敏度。然而该算法在GPS信号多普勒频移较大且积累时间较长时，将造成码片速率发生较大变化，从而对码周期产生较大影响，当对数字中频信号与本地信号做相关时，会造成相关峰值衰减较大，从而影响捕获灵敏度；并且，上述算法中的部分匹配滤波是一小段一小段做相关，造成预处理过程耗时较大，难以达到快速高灵敏度GPS信号捕获的要求。

实用新型内容本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，该装置能够有效减小大多普勒频率造成相关过程中相关功率的损失；利用非线性系统-双稳随机共振系统的特性，即在一定条件下，噪声能量会向信号能量转移的特性，最大限度地提高GPS信号捕获灵敏度；并且可以极大限度地减小捕获时间，为弱GPS信号的实时高灵敏度捕获提供技术支持。为解决上述问题，本实用新型是通过以下方案实现的一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，包括如下模块变频采样模块对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样；[0007]本地伪码生成器根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号;双块零拓展模块分别对变频采样模块采样后的卫星信号和本地伪码生成器产生的本地伪码卫星信号进行双块零拓展；快速傅里叶变换循环卷积相关模块对经双块零拓展模块输出的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算后送入取实部模块；取实部模块对快速傅里叶变换循环卷积相关模块所得相关结果进行处理，并保存相关结果的实部信号后送入二次采样随机共振模块；二次采样随机共振模块对取实部模块保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使其通过双稳随机共振系统，并进行共振输出到傅里叶变换及取模模块；傅里叶变换及取模模块对二次采样随机共振模块输出的信号做傅里叶变换并取模后送入最大相关值与相关均值的比值阈值检测模块；MTM(最大相关值与相关均值的比值)阈值检测模块寻找傅里叶变换及取模模块输出的信号的最大值，并将该最大值与预先设定的检测阈值进行比较后输出捕获结果。对每颗卫星，在频率方向和码延时方向上寻找傅里叶变换及取模模块输出的最大值，即对每一颗卫星，首先寻找初始频率对应的取模后的最大值并保存；然后重复返回本地伪码生成器找出下一多普勒频率对应的取模后的最大值并保存，直到保存该颗卫星的所有频率对应的取模后的最大值；最后再从上述所有频率对应的取模后的最大值中找出一个最大值作为该颗卫星取模后的最大值；如果该颗卫星取模后的最大值大于预先设定的检测阈值，则该最大值所对应的频率和码延时即为要捕获的多普勒频率和码延时；如果该最大值未超过预先设定的检测阈值，则返回本地伪码生成器搜索下一颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，此时，表示捕获不成功。与现有技术相比，本实用新型在尽量短的时间内，最大限度地提高了 GPS信号捕获灵敏度。该实用新型采用DBZP技术来减小相关功率损失；用FFT技术减少了做相关所需时间；利用非线性双稳随机共振系统的特性——强噪声干扰下的信号作用于双稳随机共振非线性系统时，信号和噪声在非线性系统的协同作用下，会发生噪声能量向信号能量的转移，产生类似于力学中的共振输出，从而极大地提高系统输出信噪比；捕获过程中引入了MTM(最大相关值与相关均值比值)阈值检测方法，提高了正确检测率。

图1为一种高灵敏度导航卫星信号捕获系统原理图。
具体实施方式
一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，如图1所示，包括变频采样模块、本地伪码生成器、双块零拓展模块、快速傅里叶变换循环卷积相关模块、取实部模块、二次采样随机共振模块、傅里叶变换及取模模块和MTM(最大相关值与相关均值的比值)阈值检测模块。其中变频采样模块对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样。[0020]本地伪码生成器根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号。双块零拓展模块分别对变频采样模块采样后的卫星信号和本地伪码生成器产生的本地伪码卫星信号进行双块零拓展。快速傅里叶变换循环卷积相关模块对经双块零拓展模块输出的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算。取实部模块对相关结果进行处理，并保留相关结果的实部信号。二次采样随机共振模块对取实部模块保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使其通过双稳随机共振系统，并进行共振输出。本实用新型中所述二次采样随机共振模块包括二次采样单元和随机共振单元，其中二次采样单元对取实部模块保存的相关结果的实部信号进行二次采样，并使采样后信号频率符合双稳随机共振小参数信号的要求；随机共振单元对二次采样后的信号进行共振输出。傅里叶变换及取模模块对二次采样随机共振模块输出的信号做傅里叶变换并取模。MTM(最大相关值与相关均值的比值)阈值检测模块对每颗卫星，在频率方向和码延时方向上寻找傅里叶变换及取模模块输出的最大值，即对每一颗卫星，首先寻找初始频率对应的取模后的最大值并保存；然后重复返回本地伪码生成器找出下一多普勒频率对应的取模后的最大值并保存，直到保存该颗卫星的所有频率对应的取模后的最大值；最后再从上述所有频率对应的取模后的最大值中找出一个最大值作为该颗卫星取模后的最大值。如果该颗卫星取模后的最大值大于预先设定的检测阈值，则该最大值所对应的频率和码延时即为要捕获的多普勒频率和码延时；如果该最大值未超过预先设定的检测阈值，则返回本地伪码生成器搜索下一颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，此时，表示捕获不成功。上述装置所实现的高灵敏度导航卫星信号捕获方法，包括如下步骤步骤一对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样，并设定合适的多普勒频移变量初值及最大值，即设定多普勒频移搜索范围，同时设定多普勒频移搜索间隔、MTM(最大相关值与相关均值的比值)的检测阈值、双稳随机共振系统参数、卫星号变量初值及卫星号最大值。在本实用新型中，所述多普勒频移搜索范围为-1OKHz IOKHz。所述多普勒频移的搜索间隔为5000Hz。所述检测阈值是指MTM的检测阈值，其中MTM表示最大相关值与相关均值的比值，若计算所得MTM值超过检测阈值BT，即认为信号被准确捕获，在本实用新型中，所述检测阈值4设定为3 7之间。所述双稳随机共振系统参数a=l，b=l。根据目前GPS卫星的数目，在本实用新型中，所述卫星号变量的初值设定为1，最大值设定为30。从卫星发射的LI频段GPS模拟信号下变频和采样后的数字中频信号为 r((j) = ^d(Jj)C{{Ij — r)(l+^j-)) cos(2^" (fIF +fd)tj +#)+ ( ；)(I)
JLl式中，A为信号幅度，d(t)为导航数据信息，C(t)为C/A码,fd为多普勒频移，fL1为高频载波频率，fIF为中频载波频率，0为初始相位，n(t)为加性高斯白噪声，\为第j个采样时刻，T为信号到达接收机的时延。[0033]步骤二 根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号。第k个时间段本地产生的伪码信号模型为
权利要求1.高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，其特征是包括如下模块 变频采样模块对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样； 本地伪码生成器根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号; 双块零拓展模块分别对变频采样模块采样后的卫星信号和本地伪码生成器产生的本地伪码卫星信号进行双块零拓展； 快速傅里叶变换循环卷积相关模块对经双块零拓展模块输出的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算后送入取实部模块； 取实部模块对快速傅里叶变换循环卷积相关模块所得相关结果进行处理，并保留相关结果的实部信号后送入二次采样随机共振模块； 二次采样随机共振模块对取实部模块保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使其通过双稳随机共振系统，并进行共振输出到傅里叶变换及取模模块； 傅里叶变换及取模模块对二次采样随机共振模块输出的信号做傅里叶变换并取模后送入最大相关值与相关均值的比值阈值检测模块； 最大相关值与相关均值的比值阈值检测模块寻找傅里叶变换及取模模块输出的信号的最大值，并将该最大值与预先设定的检测阈值进行比较后输出捕获结果。
专利摘要本实用新型公开一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，其主要由变频采样模块、本地伪码生成器、双块零拓展模块、快速傅里叶变换循环卷积相关模块、取实部模块、二次采样随机共振模块、傅里叶变换及取模模块以及最大相关值与相关均值的比值阈值检测模块组成，该装置采用DBZP技术来减小相关功率损失；用FFT技术减少了做相关所需时间；利用非线性双稳随机共振系统的特性来提高系统输出信噪比；捕获过程中引入了MTM(最大相关值与相关均值比值)阈值检测方法，提高了正确检测率。本实用新型能够最大限度地提高GPS信号捕获灵敏度；并且可以极大限度地减小捕获时间，为弱GPS信号的实时高灵敏度捕获提供技术支持。
文档编号G01S19/30GK202870299SQ20122023401
公开日2013年4月10日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者莫建文, 张顺岚, 张彤, 首照宇, 袁华, 欧阳宁, 陈利霞 申请人:桂林电子科技大学