专利名称：微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法及其装置。
技术背景
全球卫星导航系统GNSS (Global Navigation Satellite System)，作为一种星基 导航系统，它利用用户到位置已知的卫星的距离或方向角等信息进行定位和导航.近年 来，随着各大GNSS系统的不断完善，卫星导航技术不仅深入军事、测绘、通信、遥感等军用 领域，其在汽车定位系统、个人手持通信终端等民用领域的应用也日益广泛。因其重要的战 略地位和无限的市场潜力，卫星定位技术已成为各国研究和发展的重点和热点。
卫星导航接收机通过从足够多的卫星信号中，获得信号传播时间信息和卫星位置 信息，根据这些信息计算得到接收机的位置、时间和速度等。为了进行导航定位解算，导航 接收机至少需要从不同的4颗卫星得到信息。接收机需要先与接收到的卫星信号完成粗同 步，即扩频信号的捕获过程，得到伪随机码的相位偏移和信号载波多普勒偏移。再由跟踪过 程得到伪码相位、载波频率/相位的精确估计值，对导航信号进行实时跟踪，解扩后得到该 卫星信号中调制的信息。
当接收机位于室内、森林、城市等复杂环境下，导航信号受到严重的衰弱，信号功 率将远远低于一般卫星导航接收机的工作范围。微弱信号条件大大限制了卫星导航定位的 应用领域。在弱信号环境下，高灵敏度卫星导航接收机需要对伪码的相关结果进行长时间 累积，以达到捕获的灵敏度增益要求。无论是非相干累积还是差分相干累积，积分带来的灵 敏度增益都是有限的，而基于累积结果幅值的判决过程又会引入灵敏度损失。对于捕获方 案本身来说，其所处的弱信号使用环境是不可设定的，因而信号捕获中的噪声基底是难以 统计其分布的。另外，接收机使用不同的射频前端也会影响信号捕获结果中噪声基底的大 小。因此可以明显看出，基于高斯分布的固定门限判决并不是最佳选择。因此，微弱信号条 件下的卫星导航信号捕获中的信号检测判决技术，已成为研究高灵敏度捕获技术不可或缺 的组成部分。发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种微弱卫星导航信号捕获中的信号 检测判决方法及其装置。
微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法的步骤如下1)将从捕获器获得的一个扩频码周期的卫星信号累积结果送入检测模块，检测模块检 测到数据同步信号之后，同步启动峰值查找模块和均值计算模块，并将该周期内所有累积 结果存入存储模块；2)存储模块、峰值查找模块和均值计算模块将同步结束工作，然后由存储模块将存储 的数据导出，连同均值计算模块计算的均值和峰值查找模块找到的峰值，一起送入峰均比 计算模块和互相关比例因子计算模块，计算该组捕获累积结果的峰均比和互相关比例因子；3)控制模块将当前频点的捕获累积结果峰均比与所设比例门限进行比较，判决信号是 否存在；对于判决为信号存在的各组累积结果，控制模块同时记录捕获器提供的频点信息， 通过比较各频点下各组累积结果峰值的大小，找到目标频点；4)将目标频点对应的捕获累积结果，送入互相关判决模块，通过互相关比例因子与所 设门限的比较，排除远近效率引起的互相关干扰，确认信号是否存在。
所述的将从捕获器获得的一个扩频码周期的卫星信号累积结果送入检测模块。检 测模块检测到数据同步信号之后，同步启动峰值查找模块和均值计算模块，并将该周期内 所有累积结果存入存储模块步骤，包括1)捕获器在完成所需次数的非相干累积或者差分相干累积之后，将卫星信号在一个扩 频码周期的累积结果依次输出，同时给出数据有效信号，输出信号为I，Q两路信号取模运 算的结果，采样率为系统采样时钟，一个扩频码周期的数据长度为Ims ；2)检测模块检测到数据同步信号的同时，启动峰值查找模块，遍历一个扩频码周期的M 个累积结果，找到这M个结果中的最大值即峰值max以及峰值在M个值中所处的位置pos ；3)检测模块检测到数据同步信号的同时，启动均值计算模块，在接收M个累积结果的 同时进行M个累积结果求和操作，得到所有M个累积结果的代数和sum，最后将此代数和除 以累积结果个数M,同步得到累积结果的均值mean ；4)接收到的数据一边进行峰值查找和均值计算，一边存入存储模块用以进行后续的信 号处理，存储模块的存储数据量即为一个扩频码周期累积结果的个数M，接收下一个周期的 累积结果时存储模块空间可被覆盖并重复使用。
所述的存储模块、峰值查找模块和均值计算模块将同步结束工作，然后由存储模 块将存储的数据导出，连同均值计算模块计算的均值和峰值查找模块找到的峰值，一起送 入峰均比计算模块和互相关比例因子计算模块，计算该组捕获累积结果的峰均比和互相关 比例因子步骤，包括1)存储模块、峰值查找模块和均值计算模块将同步结束工作，即得到M个累积结果的 均值、M个累积结果的峰值及其所处位置信息，同时存储模块存满M个数据；2)存储模块存储数据量达到要求时，打开存储模块读取使能，重新将M个累积结果依 序导出；3)检测到存储模块读使能有效后，开启峰均比计算模块的使能。直至存储模块将所存 M个数据全部输出之后，方可得到峰均比的计算结果；4)开启峰均比计算模块使能的同时开启互相关比例因子计算模块，同样需等存储模块 所有M个数据全部输出之后，方可得到该组累积结果的互相关比例因子；5)峰均比和互相关比例因子计算完成之后，向检测模块发送运算结束标志。
所述的检测到存储模块读使能有效后，开启峰均比计算模块的使能。直至存储模 块将所存M个数据全部输出之后，方可得到峰均比的计算结果步骤，包括1)将存储模块同步输出的每个累积结果，先减去均值mean，再逐个进行平方累加；2)完成M次平方累加之后，将累加值除以数据总数M得到方差var，作为近似的统计噪 声功率；3)将找到的峰值max减去均值mean后作平方运算，即消除直流分量影响后统计信号的功率。然后除以统计噪声功率var，得到该组累积结果的峰均比。
4)计算结束后，送出峰均比结果同时给出计算完成标志。
所述的开启峰均比计算模块使能的同时开启互相关比例因子计算模块，同样需等 存储模块所有M个数据全部输出之后，方可得到该组累积结果的互相关比例因子步骤，包 括1)确定次大值查找的范围，所谓次大值是指除去信号之后噪声采样点的最大值，由于 信号的输出会扩展到它邻近的采样点，因此最大值位置pos左右5个采样点都应该从查找 范围里剔除；2)存在3种状态的查找范围，它们分别对应3种剔除方式①当峰值位置5<pOS<M-l-5，剔除pos士5范围位置的采样点；②当峰值位置pos^ 5，剔除
和(M-l-(5-pos),M-l]范围位置的采样点；③当峰值位置pos^ M-1-5,剔除[pos-5,M-l]和
所述的控制模块将当前频点的捕获累积结果峰均比与所设比例门限进行比较，判 决信号是否存在；对于判决为信号存在的各组累积结果，控制模块同时记录捕获器提供的 频点信息，通过比较各频点下各组累积结果峰值的大小，找到目标频点步骤，包括1)将当前频点的捕获累积结果峰均比与所设比例门限进行比较，若大于门限则判决信 号存在，否则判决信号不存在，与固定门限判决相比，比例门限判决可以适应各种强度条件 的信号，等效于给出了 一种判决门限的自适应解决方法；2)一旦判决某个频点上的信号存在，则进入检测峰值下降趋势的等待状态；3)控制模块记录捕获器提供的频点信息，一旦检测到峰值的下降趋势，则判决发现下 降趋势当前频点的前一频点为目标频点。
所述的将目标频点对应的捕获累积结果，送入互相关判决模块。通过互相关比例 因子与所设门限的比较，排除远近效率引起的互相关干扰，确认信号是否存在步骤，包括1)找到目标频点后，将该频点对应的互相关比例因子送入互相关判决模块；2)若互相关比例因子大于互相关判决门限，则认为属于自相关结果，确认信号存在；否 则认为该结果为互相关干扰下的误捕，重新判决信号不存在；3)确认信号存在则输出伪码相位和多普勒频点；重新判决信号不存在，则令捕获器进 入下一个捕获状态。
微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决装置包括控制模块、检测模块、存储模 块、峰值查找模块、均值计算模块、峰均比计算模块、互相关比例因子计算模块、互相关判决 模块；捕获器输出的累积结果送入检测模块，检测模块与存储模块，峰值查找模块和均值计 算模块相连；存储模块，峰值查找模块和均值计算模块的计算结果送入峰均比计算模块和 互相关比例因子计算模块；峰均比计算模块和互相关比例因子计算模块的结果前馈进入检 测模块，进行信号存在性判决；控制器完成各模块的接口控制和使能控制，控制不同频点累 积结果峰值的下降趋势检测流程以及进入互相关判决模块的时间；互相关判决模块与控制 模块相连，输出结果可能前馈到前级捕获器也可能送到后级跟踪通道。
所述的峰均比计算模块，互相关比例因子计算模块都包括方差运算器、平方乘法 器和除法器模块，除法器模块分别与方差运算器和平方乘法器相连接。
所述的方差运算器包括顺次相连接的平方乘法器、加法器、除法器和存放累加结 果的寄存器dat_mean2_acc。
本发明旨在使用基于信号的峰均比判决方法，减少相关结果检测判决过程带来的 信噪比损失，并给出了一种判决门限的自适应处理方法。同时本发明考虑远近效应的影响， 在初步判决信号存在之后提供排除互相关的判决模块，以此削弱C/A码互相关干扰的影 响。控制模块对捕获器进行的二维搜索，采用检测最大值下降趋势的方法判决当前信号存 在的多普勒频偏，从而缩短频率维的搜索时间，提高了捕获效率。本发明适用于GPS和BD-2 等系统，冷启动捕获灵敏度可达_145dbm。


图1是微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决装置的电路框图； 图2是本发明中峰均比计算模块和互相关比例因子计算模块的电路框图； 图3是本发明中方差运算器的电路框图；图4是本发明中存储模块、峰值查找模块和均值计算模块完成时刻时序图； 图5是本发明中峰均比计算模块、互相关比例因子计算模块完成时刻时序图。
具体实施方式
本发明实现了微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决装置。从捕获器获得一 个扩频码周期的卫星信号累积结果，送入检测模块找到该组累积结果的峰值及其所处的位 置标号并计算均值。再利用所得峰值和均值，计算信号功率与噪声基底之间的峰均比和互 相关比例因子。然后在控制模块中判决当前频点的信号是否存在，同时通过比较各频点下 各组累积结果最大值的大小，找到目标频点。最后对目标频点对应的捕获累积结果进行 互相关判决，排除互相关干扰，最终确认信号是否存在。在实施例中，系统的采样时钟为 4. 092MHz，对于GPS信号，扩频码的码率为1. 023MHz ；对于BD-2信号则码率为2. 046MHz。 4. 092MHz的采样率对两者都满足奈奎斯特采样定律，两者的扩频码周期均为1ms，这样在 一个扩频码周期内累积结果的采样点数为4092个。
微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法的步骤如下1)将从捕获器获得的一个扩频码周期的卫星信号累积结果送入检测模块，检测模块检 测到数据同步信号之后，同步启动峰值查找模块和均值计算模块，并将该周期内所有累积 结果存入存储模块；2)存储模块、峰值查找模块和均值计算模块将同步结束工作，然后由存储模块将存储 的数据导出，连同均值计算模块计算的均值和峰值查找模块找到的峰值，一起送入峰均比 计算模块和互相关比例因子计算模块，计算该组捕获累积结果的峰均比和互相关比例因 子；3)控制模块将当前频点的捕获累积结果峰均比与所设比例门限进行比较，判决信号是 否存在；对于判决为信号存在的各组累积结果，控制模块同时记录捕获器提供的频点信息，通过比较各频点下各组累积结果峰值的大小，找到目标频点；4)将目标频点对应的捕获累积结果，送入互相关判决模块，通过互相关比例因子与所 设门限的比较，排除远近效率引起的互相关干扰，确认信号是否存在。
所述的将从捕获器获得的一个扩频码周期的卫星信号累积结果送入检测模块。检 测模块检测到数据同步信号之后，同步启动峰值查找模块和均值计算模块，并将该周期内 所有累积结果存入存储模块步骤，包括1)捕获器在完成所需次数的非相干累积或者差分相干累积之后，将卫星信号在一个扩 频码周期的累积结果依次输出，同时给出数据有效信号，输出信号为I，Q两路信号取模运 算的结果，采样率为系统采样时钟，一个扩频码周期的数据长度为Ims ；在实施例中，一个扩频码周期的累积结果为I，Q两路信号取模运算的结果data，共有 4092个值。数据有效信号data_valid为高电平有效，即在输出第一个结果的同时输出为高 电平，输出最后一个结果后恢复低电平。图1中所示的捕获器并不是本发明装置的组成部 分，它只描述输入信号。
2)检测模块检测到数据同步信号的同时，启动峰值查找模块，遍历一个扩频码周 期的M个累积结果，找到这M个结果中的最大值即峰值max以及峰值在M个值中所处的位 置 pos ；实施例中的具体实施方式
如下当检测到数据有效信号data_Valid高电平后，启动峰 值查找模块。该模块设有一个计数器count，被启动后count信号从0开始计数。另有两个 寄存器max和pos，分别寄存当前为止的最大值以及最大值所处位置。当每个采样时钟上 升沿到来，则比较当前datain与max的大小。一旦datain大于max，则将max的值更新为 datain,同时将pos更新为当前的count值；否则max和pos均保持不变。遍历所有4092 个数据之后，宣布查找完成给出done信号有效脉冲。max和pos初始化值为0。
3)检测模块检测到数据同步信号的同时，启动均值计算模块，在接收M个累积结 果的同时进行M个累积结果求和操作，得到所有M个累积结果的代数和sum，最后将此代数 和除以累积结果个数M，同步得到累积结果的均值mean ；具体实施方式
如下
权利要求
1.一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法，其特征在于它的步骤如下1)将从捕获器获得的一个扩频码周期的卫星信号累积结果送入检测模块，检测模块检 测到数据同步信号之后，同步启动峰值查找模块和均值计算模块，并将该周期内所有累积 结果存入存储模块；2)存储模块、峰值查找模块和均值计算模块将同步结束工作，然后由存储模块将存储 的数据导出，连同均值计算模块计算的均值和峰值查找模块找到的峰值，一起送入峰均比 计算模块和互相关比例因子计算模块，计算该组捕获累积结果的峰均比和互相关比例因 子；3)控制模块将当前频点的捕获累积结果峰均比与所设比例门限进行比较，判决信号是 否存在；对于判决为信号存在的各组累积结果，控制模块同时记录捕获器提供的频点信息， 通过比较各频点下各组累积结果峰值的大小，找到目标频点；4)将目标频点对应的捕获累积结果，送入互相关判决模块，通过互相关比例因子与所 设门限的比较，排除远近效率引起的互相关干扰，确认信号是否存在。
2.根据权利要求1所述的一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法，其特征 在于，所述的将从捕获器获得的一个扩频码周期的卫星信号累积结果送入检测模块；检测 模块检测到数据同步信号之后，同步启动峰值查找模块和均值计算模块，并将该周期内所 有累积结果存入存储模块步骤，包括1)捕获器在完成所需次数的非相干累积或者差分相干累积之后，将卫星信号在一个扩 频码周期的累积结果依次输出，同时给出数据有效信号，输出信号为I，Q两路信号取模运 算的结果，采样率为系统采样时钟，一个扩频码周期的数据长度为Ims ；2)检测模块检测到数据同步信号的同时，启动峰值查找模块，遍历一个扩频码周期的M 个累积结果，找到这M个结果中的最大值即峰值max以及峰值在M个值中所处的位置pos ；3)检测模块检测到数据同步信号的同时，启动均值计算模块，在接收M个累积结果的 同时进行M个累积结果求和操作，得到所有M个累积结果的代数和sum，最后将此代数和除 以累积结果个数M,同步得到累积结果的均值mean ；4)接收到的数据一边进行峰值查找和均值计算，一边存入存储模块用以进行后续的信 号处理，存储模块的存储数据量即为一个扩频码周期累积结果的个数M，接收下一个周期的 累积结果时存储模块空间可被覆盖并重复使用。
3.根据权利要求1所述的一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法，其特 征在于，所述的存储模块、峰值查找模块和均值计算模块将同步结束工作，然后由存储模块 将存储的数据导出，连同均值计算模块计算的均值和峰值查找模块找到的峰值，一起送入 峰均比计算模块和互相关比例因子计算模块，计算该组捕获累积结果的峰均比和互相关比 例因子步骤，包括1)存储模块、峰值查找模块和均值计算模块将同步结束工作，即得到M个累积结果的 均值、M个累积结果的峰值及其所处位置信息，同时存储模块存满M个数据；2)存储模块存储数据量达到要求时，打开存储模块读取使能，重新将M个累积结果依 序导出；3)检测到存储模块读使能有效后，开启峰均比计算模块的使能，直至存储模块将所存M 个数据全部输出之后，方可得到峰均比的计算结果；4)开启峰均比计算模块使能的同时开启互相关比例因子计算模块，同样需等存储模块 所有M个数据全部输出之后，方可得到该组累积结果的互相关比例因子；5)峰均比和互相关比例因子计算完成之后，向检测模块发送运算结束标志。
4.根据权利要求3所述的一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法，其特 征在于，所述的检测到存储模块读使能有效后，开启峰均比计算模块的使能；直至存储模块将所存M个数据全部输出之后，方可得到峰均比的计算结果步骤，包括1)将存储模块同步输出的每个累积结果，先减去均值mean，再逐个进行平方累加；2)完成M次平方累加之后，将累加值除以数据总数M得到方差var，作为近似的统计噪 声功率；3)将找到的峰值max减去均值mean后作平方运算，即消除直流分量影响后统计信号的 功率；然后除以统计噪声功率var，得到该组累积结果的峰均比；4)计算结束后，送出峰均比结果同时给出计算完成标志；根据权利要求3所述的一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法，其特征在 于，所述的开启峰均比计算模块使能的同时开启互相关比例因子计算模块，同样需等存储 模块所有M个数据全部输出之后，方可得到该组累积结果的互相关比例因子步骤，包括1)确定次大值查找的范围，所谓次大值是指除去信号之后噪声采样点的最大值，由于 信号的输出会扩展到它邻近的采样点，因此最大值位置pos左右5个采样点都应该从查找 范围里剔除；2)存在3种状态的查找范围，它们分别对应3种剔除方式①当峰值位置5<pOS<M-l-5，剔除pos士5范围位置的采样点；②当峰值位置pos^ 5，剔除
和(M-l-(5-pos),M-l]范围位置的采样点；③当峰值位置pos^ M-1-5,剔除[pos-5,M-l]和[0，5-(M+pos))范围位置的采样占.3)在指定范围内找到次大值subjnax，将其与峰值max相减后作平方，然后除以近似 噪声功率var，得到互相关比例因子。
5.根据权利要求1所述的一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法，其特 征在于，所述的控制模块将当前频点的捕获累积结果峰均比与所设比例门限进行比较，判 决信号是否存在；对于判决为信号存在的各组累积结果，控制模块同时记录捕获器提供的 频点信息，通过比较各频点下各组累积结果峰值的大小，找到目标频点步骤，包括1)将当前频点的捕获累积结果峰均比与所设比例门限进行比较，若大于门限则判决信 号存在，否则判决信号不存在，与固定门限判决相比，比例门限判决可以适应各种强度条件 的信号，等效于给出了 一种判决门限的自适应解决方法；2)一旦判决某个频点上的信号存在，则进入检测峰值下降趋势的等待状态；3)控制模块记录捕获器提供的频点信息，一旦检测到峰值的下降趋势，则判决发现下 降趋势当前频点的前一频点为目标频点。
6.根据权利要求1所述的一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法，其特 征在于，所述的将目标频点对应的捕获累积结果，送入互相关判决模块。
7.通过互相关比例因子与所设门限的比较，排除远近效率引起的互相关干扰，确认信号是否存在步骤，包括1)找到目标频点后，将该频点对应的互相关比例因子送入互相关判决模块；2)若互相关比例因子大于互相关判决门限，则认为属于自相关结果，确认信号存在；否 则认为该结果为互相关干扰下的误捕，重新判决信号不存在；3)确认信号存在则输出伪码相位和多普勒频点；重新判决信号不存在，则令捕获器进 入下一个捕获状态。
8.—种如权利要求1所述方法设计的微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决装 置，其特征在于，包括控制模块、检测模块、存储模块、峰值查找模块、均值计算模块、峰均比 计算模块、互相关比例因子计算模块、互相关判决模块；捕获器输出的累积结果送入检测模 块，检测模块与存储模块，峰值查找模块和均值计算模块相连；存储模块，峰值查找模块和 均值计算模块的计算结果送入峰均比计算模块和互相关比例因子计算模块；峰均比计算模 块和互相关比例因子计算模块的结果前馈进入检测模块，进行信号存在性判决；控制器完 成各模块的接口控制和使能控制，控制不同频点累积结果峰值的下降趋势检测流程以及进 入互相关判决模块的时间；互相关判决模块与控制模块相连，输出结果可能前馈到前级捕 获器也可能送到后级跟踪通道。
9.根据权利要求8所述的一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决装置，其特征 在于，所述的峰均比计算模块，互相关比例因子计算模块都包括方差运算器、平方乘法器和 除法器模块，除法器模块分别与方差运算器和平方乘法器相连接。
10.根据权利要求8所述的一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决装置，其特 征在于，所述的方差运算器包括顺次相连接的平方乘法器、加法器、除法器和存放累加结果 的寄存器 dat_mean2_acc。
全文摘要
本发明公开了一种微弱卫星导航信号捕获中的信号检测判决方法及其装置。在弱信号环境下，高灵敏度卫星导航接收机需要对伪码的相关结果进行长时间累积，以达到捕获的灵敏度增益要求。本发明旨在使用基于信号的峰均比判决方法，减少相关结果检测判决过程带来的信噪比损失，并给出了一种判决门限的自适应处理方法。同时本发明考虑远近效应的影响，在初步判决信号存在之后提供排除互相关的判决模块，以此削弱C/A码互相关干扰的影响。控制模块对捕获器进行的二维搜索，采用检测最大值下降趋势的方法判决当前信号存在的多普勒频偏，从而缩短频率维的搜索时间，提高了捕获效率。本发明适用于GPS和BD-2等系统，冷启动捕获灵敏度可达-145dbm。
文档编号G01S19/24GK102043158SQ20101059220
公开日2011年5月4日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者李云飞, 李立言, 沈颖洁, 赵民建, 钟杰 申请人:浙江大学