专利名称：大规模频率偏移下微弱gnss信号捕获方法及其系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及全球导航卫星系统(GNSS)技术领域，尤其涉及一种大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获方法及其系统。
背景技术：
全球导航卫星系统(GNSS)主要包括全球定位系统(GPS)(美国)、全球卫星导航系统(GL0NASS)(俄罗斯)、伽利略导航卫星系统(GALILEO)(欧盟)和北斗全球导航系统 (COMPASS)(中国)。这些系统均以码分多址的方式向全球用户广播卫星信号。在这种方式下，用户必须在完成伪码捕获以后才能正常接收卫星信号。在城市、高山、森林等环境下，卫星信号常常会被周围的建筑物、植被等遮挡，信号将变得十分微弱，伪码捕获将变得十分困难。进一步地，当用户运动速度较大时，受多普勒效应的影响伪码捕获将变得更加困难。因此，对大规模频率偏移下微弱导航信号进行快速捕获已成为卫星导航领域研究热点之一。国内外GNSS领域常用的几种伪码捕获算法主要包括分段补零算法、扩展复制重叠捕获技术、直接平均算法等。分段补零算法，是国际上比较常用的一种伪码捕获算法。利用相关与卷积以及卷积与快速傅立叶变换(FFT)的关系，相关运算可以用快速傅立叶变换来实现。若能在实现相关前对接收信号进行补零操作，则可以利用FFT来达到并行搜索码相位的目的。如

图1所示是分段补零算法原理图。首先对接收信号进行模数变换，然后选择N点采样后的数字信号，补零至2N点，并进行FFT和共轭处理。选择2N点本地信号并进行FFT 处理。将接收信号FFT处理后的结果与本地信号FFT处理后的结果相乘，然后进行傅里叶反变换(IFFT)处理，保留所得结果中前N+1点结果。根据接收信号强弱进行非相干累加。 若所得结果中有大于等于门限的相关值，则表示捕获成功，否者搜索下一段码相位和载波频率单元，直到找到大于等于门限的相关值为止。扩展复制重叠捕获技术的核心思想是采用分段、折叠的方式将多段本地信号合为一段，以此直接减少待搜索码相位单元数，进而加快搜索速度。如图2所示是该方法的原理图。选择N点经采样后的接收信号，并对该信号进行FFT和共轭处理。根据接收信号的时间不确定度确定待搜索的码相位范围，并产生本地伪码信号。选择MN点本地信号，将其等长地分为M段，然后段与段对应相加以生成N点折叠后的本地信号，并进行FFT处理。接收信号FFT处理后的结果与本地信号FFT后的结果相乘，然后进行IFFT处理。根据接收信号信噪比情况进行非相干累加。然后，进行门限检测，若找到大于等于门限的相关值，则说明接收信号的码相位可能落在本地伪码段以内。依次对本地信号进行码相位检测，直到找出与接收信号对齐的那个码相位——去模糊度。若门限检测时没有找到大于等于门限的相关值，则移动本地码相位并产生下一段本地伪码然后再进行搜索，直到发现比门限大者。如图3所示是直接平均算法原理图。选择MN点经采样后的接收信号，然后每相邻 M点信号做平均，以得到N点经平均后的接收信号，并补零至2N点。对该信号进行FFT和共轭处理。根据接收信号的时间不确定度，确定待搜索的码相位范围，并产生本地伪码信号。选择2MN点本地信号，然后每相邻M点做平均以得到2N点经平均后的本地信号。对该信号进行FFT处理。接收信号FFT后的结果与本地信号FFT后的结果相乘，然后进行IFFT处理。 根据接收信号信噪比情况进行非相干累加。然后，进行门限检测，若找到大于等于门限的相关值，则说明接收信号的码相位可能落在本地伪码段以内。在未对接收信号和本地信号进行平均处理的情况下，依次对本地信号进行码相位检测，以找出与接收信号对齐的本地码相位。该过程称之为去模糊度。若门限检测时没有找到大于等于门限的相关值，则移动本地码相位并产生下一段本地伪码然后再进行搜索，直到发现比门限大者。与分段补零算法相比，该方法的突出优点是通过对接收信号和本地信号进行平均处理的方式直接减少了待搜索的码相位单元数，从而提高了搜索速度。但由于平均操作会恶化伪码相关性，同时由于平均过程中选择伪码时存在随机码相位偏移，因此该方法的捕获性能较差。与分段补零算法相比，检测性能之差最大可达6dB。上述伪码捕获算法考虑的是正常接收的信号。当信号被遮挡、干扰以后，信号将变得十分微弱，此时上述算法将面临严峻挑战。当信号很微弱时，需要延长预检测积分时间， 包括延长相干积分时间和增加非相干累加次数等。延长预检测积分时间以后，正常接收条件下无需考虑的码多普勒效应将变得十分显著。码多普勒会造成不同信号段间码相位相对滑动，使不同信号段相关峰值不能累加到同一码相位上，进而严重影响捕获性能。因此，上述算法对微弱导航信号是不适用的，迫切需要研究新的方法。

发明内容
(一)要解决的技术问题本发明所要解决的技术问题是提高接收机捕获速度和捕获灵敏度，使接收机完成在大规模频率偏移下微弱导航信号伪码捕获工作。(二)技术方案为解决上述问题，本发明提供了一种大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获方法， 该方法包括步骤S 1.根据接收机所设定的相干积分时间T。。h和非相干累加次数Nn。n、载波频率 f。m、以及采样频率Fs，确定最大载波频率搜索步长fstep，将待搜索的载波频率范围按所述最大载波频率搜索步长fstep划分为若干载波频率单元格；S2.将接收到的信号分成M段，每段包含N点，并将每段信号映射到选定的载波频率单元格上；S3.根据所选定的载波频率单元格，调整本地伪码速率，生成本地伪码信号，以Fs 对所述本地伪码信号进行采样，选择P点采样后的本地伪码信号，并对其进行FFT运算；S4.选取步骤S2中映射到所述载波频率单元格上的第一段信号，将其补零至P点， 并对补零后的序列进行FFT和共轭运算；S5.将步骤S3与步骤S4的结果相乘，并进行IFFT运算，得到长度为P的相关值序列，将所述相关值序列中的前P-N点相关值存储为一行，舍弃其余N点相关值；S6.处理全部M段映射到所述载波频率单元格上的接收信号，得到M行P-N列的相关值矩阵；
S7.对所述相关值矩阵中的每列数据进行补零、FFT运算并取模，得到行 P-N列的相关值矩阵；S8.重复步骤S2-S7共Nn。n次，将每次得到的结果进行非相干累加，得到大小为行P-N列的非相干累加值矩阵；S9.若所述非相干累加值矩阵中的最大值大于等于预设门限，则根据所述最大值所在列，确定接收信号伪码相位，根据所述最大值所在行和接收信号所映射的载波频率单元格，确定载波频率偏移和码多普勒，否则执行步骤Sio ；S10.若全部载波频率单元格已搜索完，则滑动P-N点本地伪码相位，重新执行步骤S2-S9，否则将接收信号映射到下一个载波频率单元格，并继续执行步骤S3-S9。其中，ρ= 2n°g2(2xTshort><Fs)1，Tshort = i/fsteP，若 Tshort > Tcoh,则取 Tshort = Tcoh,
M=rTcoh/TshortI，「!^/!^"！表示不小于 T。。h/Tsh。rt 的最小整数，N = FsXTshorto其中，步骤Sl进一步包括Si. 1根据接收机相干积分时间T。。h、非相干累加次数Nn。n、载波频率f。a 、以及采样频率Fs，确定载波频率搜索步长fstep
权利要求
1. 一种大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获方法，其特征在于，该方法包括步骤S1.根据接收机所设定的相干积分时间T。。h和非相干累加次数Nn。n、载波频率
2.如权利要求1所述的大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获方法，其特征在于，步骤 Sl进一步包括Si. 1根据接收机相干积分时间
3.如权利要求1所述的大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获方法，其特征在于，在步骤 S2 中，接收 Tcoh 长采样后的数字信号 r0 (n) (n = 0，1，2，. . .，N-I，N，N+1，. . .，2Ν-1，2Ν， 2Ν+1，. . . ,MN-l),r0(n)总长度为丽点，将这M段信号映射到第一个载波频率单元格
4.如权利要求1所述的大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获方法，其特征在于，步骤 S3进一步包括S3. 1根据步骤S2所映射的载波频率单元格，将本地伪码速率调整
5.如权利要求4所述的大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获方法，其特征在于，在步骤S4中，所述补零后的序列为
6.如权利要求1所述的大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获方法，其特征在于，在步骤S6中，对全部M段映射到所述载波频率单元格上的接收信号进行的处理为每选取步骤 S2中映射到所述载波频率单元格上的另一段信号，执行步骤S4后，均通过滑动N点本地伪码相位，生成新的P点本地伪码信号，再返回执行步骤S3，并转至步骤S5。
7.如权利要求1所述的大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获方法，其特征在于，步骤 S7进一步包括S7.1对所述相关值矩阵中的每列数据补充
8.一种大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获系统，其特征在于，该系统包括 载波频率单元，用于根据接收机所设定的相干积分时间T。。h和非相干累加次数Nn。n、载波频率f。m、以及采样频率Fs，确定最大载波频率搜索步长fstep，将待搜索的载波频率范围按所述最大载波频率搜索步长fstep划分为若干载波频率单元格，并将接收到的信号分成M 段，每段包含N点，并将每段信号映射到选定的载波频率单元格上；本地伪码发生单元，用于根据所选定的载波频率单元格，调整本地伪码速率，生成本地伪码信号，以Fs对所述本地伪码信号进行采样，选择P点采样后的本地伪码信号，并对其进行FFT运算；第一处理单元，用于选取映射到所述载波频率单元格上的第一段信号，将其补零至P 点，并对补零后的序列进行FFT和共轭运算；相关运算单元，用于将本地伪码发生单元的结果与第一处理单元的结果相乘，并进行 IFFT运算，得到长度为P的相关值序列，将所述相关值序列中的前P-N点相关值存储为一行，舍弃其余N点相关值；相关值矩阵生成单元，用于控制处理全部M段映射到所述载波频率单元格上接收信号，并得到M行P-N列的相关值矩阵；第二处理单元，用于对所述相关值矩阵中的每列数据进行补零、FFT运算并取模，得到
全文摘要
本发明公开了一种大规模频率偏移下微弱GNSS信号捕获方法及其系统，根据预检测积分时间、载波频率、采样率确定最大载波频率搜索步长，然后将整个待搜索频率范围按最大频率搜索步长划分为多个载波频率单元，实现对载波频率的粗略搜索。将接收到的卫星信号映射到各个载波频率单元上，并根据载波频率单元调整本地伪码速率以减小码多普勒的影响。采用灵活的补零方式，通过FFT/IFFT来计算相关，实现码相位并行搜索。紧接着，对同一码相位所对应的不同相关值进行FFT运算，以达到对载波频率单元内的载波频率进行精细搜索的目的。本发明的方法及其系统可提高接收机捕获速度和捕获灵敏度，使接收机完成在大规模频率偏移下微弱导航信号伪码捕获工作。
文档编号G01S19/24GK102162852SQ20101058407
公开日2011年8月24日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者冯振明, 李洪, 陆明泉 申请人:清华大学