專利名稱：一種微弱gnss信號的差分相干累積捕獲方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微弱GNSS信號的捕獲方法。
背景技術(shù)：
全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)是全球性的位置與時間測定系統(tǒng)，它包括衛(wèi) 星星座、地面監(jiān)控系統(tǒng)及用戶終端設(shè)備，可為地球表面、近地表和地球外空任 意地點的用戶提供全天候、實時、高精度的三維位置、速度以及精密的時間信 息。美國的GPS系統(tǒng)、歐洲的Galileo系統(tǒng)、俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)都屬于 GNSS的一種，以美國的GPS信號為例在視野開闊的條件下，GPS信號功 率大約為-130dBm左右。這時接收機接收到的信號功率可以保證其正常工作。 但在室內(nèi)、高山、森林、城市等復(fù)雜環(huán)境下，GPS信號功率降為-150dBm，此 時就將影響用戶的定位。 .
在弱信號環(huán)境下，為了可靠的捕獲C/A碼，提高接收機的靈敏度，需要 處理盡可能長的累積數(shù)據(jù)，對接收到的信號進行相干累積可以帶來很大的增 益；但相干累積時間的長度受導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變的影響，導(dǎo)航數(shù)據(jù)每20ms可能出 現(xiàn)一次相位跳變， 一般來說，相干累積的長度最大為20ms;另一方面，累積 時間的增長會導(dǎo)致多普勒搜索頻率步長的減小，從而導(dǎo)致計算量的大幅增長。 非相干累積方法，雖然可以消除導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變的影響，但其在進行平方操作 時，噪聲增長很大，并且?guī)砹似椒綋p耗。
當(dāng)GPS信號的信噪比(SNR)較高時，如在室外空曠環(huán)境中，lms的相 關(guān)運算就足以捕獲到信號；但是在低信噪比的情況下，就需要對多個周期的相 關(guān)結(jié)果進行累積以檢測到相關(guān)峰值。累積方法能有效的抑制噪聲，提高捕獲概 率，改善接收機的靈敏度。為了延長相干累積時間，同時減小導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變 的影響，目前常采用兩種方法半比特交替算法和全比特法。
半比特交替算法取接收數(shù)據(jù)長度為20^(^ = 1,2,3，...)臘。對接收到的數(shù)
據(jù)進行長度為10ms的分塊，如圖1所示，在每個分組內(nèi)進行相干累積，相干累積結(jié)果記為&(m = 1,2,3,...)。然后把奇數(shù)塊1， 3， 5，。。。的相干累積，偶 數(shù)塊2， 4， 6，。。。的相干累積結(jié)果分別進行非相干相加。上述過程表示為
<formula>formula see original document page 4</formula>
這樣可以保證其中至少有一組不會受導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變的影響。取^max(乙W 做判決量與門限相比較實現(xiàn)捕獲。
全比特法為了估計導(dǎo)航數(shù)據(jù)位邊沿位置，接收的數(shù)據(jù)相互延遲lms得 到20組數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)對應(yīng)一個可能的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位邊沿位置，如圖2所示。 對每組數(shù)據(jù)進行分塊，每個塊的大小為20ms，在每個塊內(nèi)進行相干累積，累 積結(jié)果記為"(附=1,2,3,...)。對結(jié)果進行非相干累加得"=g(02， ^為非相 干累加次數(shù)。即對第一組進行處理得"，第2組總的積分結(jié)果"5;r，以此類推。 在這20組數(shù)據(jù)中含有最大能量的組將對應(yīng)一個正確位邊沿位置。取 7 = max("，",;r3,…，1^)作為判決量與門限比較完成捕獲。
半比特法雖然能消除導(dǎo)航數(shù)據(jù)位變化的f響，但是它的有效處理數(shù)據(jù)長度 只是全部數(shù)據(jù)的一半，這會造成捕獲時間的增長，同時還存在非相干累積引起 的平方損耗。全比特法的主要問題是非相干累積所帶來的平方損耗和通過20 組數(shù)據(jù)尋找導(dǎo)航數(shù)據(jù)位起始位置所帶來的計算量的增加，因此捕獲速度慢，導(dǎo) 致捕獲時間長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的半比特法和全比特法對微弱GNSS信號 的捕獲時間長并且存在非相干累積引起的平方損耗的問題，從而提出一種微弱 GNSS信號的差分相干累積捕獲方法。
一種微弱GNSS信號的差分相干累積捕獲方法，它由以下步驟完成
步驟一、將接收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)分成4個數(shù)據(jù)組，再將每個數(shù)據(jù)組中的數(shù)據(jù) 分為M+l個數(shù)據(jù)塊，所述每個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)長度為20ms;
步驟二、對每個數(shù)據(jù)組中的M+1個數(shù)據(jù)塊分別進行相干累積，獲得M+1 個相干累積矩陣；步驟三、對每個數(shù)據(jù)組中的每相鄰兩個數(shù)據(jù)塊的相干累積矩陣做共軛乘 積，獲得M個差分矩陣；
步驟四、將每個數(shù)據(jù)組中的所有相鄰數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位乘積組合分 別與該組中的M個差分矩陣相乘，獲得一組累積結(jié)果，并將這組累積結(jié)果中 的最大值作為該數(shù)據(jù)組的差分累積結(jié)果；
步驟五、選取4個數(shù)據(jù)組的差分累積結(jié)果中的最大值作為捕獲結(jié)果；
所述每個數(shù)據(jù)組的起始位置均對應(yīng)一個估計的比特邊沿；所述每個組之間 延遲5ms;
所述M為正整數(shù)。
有益效果本發(fā)明采用差分相干累積方法，可以大幅度的減小平方損耗； 對微弱GNSS信號的捕獲，本發(fā)明較半比特法和全比特法所得的信噪比增益要 大，同時捕獲時間得到大幅度降低。在相同的輸入數(shù)據(jù)長度、相同檢測概率條 件下，本發(fā)明比全比特算法性能提高約ldB。


圖1是背景技術(shù)中所述的半比特法的示寧圖；圖2是背景技術(shù)中所述的全 比特法的示意圖；圖3是本發(fā)明的流程示意圖；圖4是半比特法在SNR=-44dB 下的捕獲結(jié)果圖，其中橫坐標(biāo)為采樣點，縱坐標(biāo)為相關(guān)值；圖5是全比特法在 SNR=-44dB下的捕獲結(jié)果圖，其中橫坐標(biāo)為采樣點，縱坐標(biāo)為相關(guān)值；圖6 是本發(fā)明的方法在SNR^44dB下的捕獲結(jié)果圖，其中橫坐標(biāo)為采樣點，縱坐 標(biāo)為相關(guān)值；圖7是本發(fā)明方法與傳統(tǒng)差分方法的捕獲概率比較圖，其中橫坐 標(biāo)為載噪比，縱坐標(biāo)為捕獲概率，曲線71為本發(fā)明的捕獲概率，曲線72為傳 統(tǒng)方法的捕獲概率；圖8是本發(fā)明的方法對不同數(shù)據(jù)長度進行處理的捕獲概率 圖，其中橫坐標(biāo)為載噪比，縱坐標(biāo)為捕獲概率，曲線81數(shù)據(jù)長度為300ms時 的捕獲概率，曲線82為數(shù)據(jù)長度為200ms時的捕獲概率，曲線83為數(shù)據(jù)長 度為100ms時的捕獲概率；圖9是本發(fā)明與半比特法和全比特法的捕獲概率 比較圖，其中橫坐標(biāo)為載噪比，縱坐標(biāo)為捕獲概率，曲線91為本發(fā)明的捕獲 概率，曲線92為全比特法的捕獲概率，曲線93為半比特法的捕獲概率，圖10~圖13為本發(fā)明的步驟一 步驟四獲得的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式
具體實施方式
一結(jié)合圖3和圖10 圖13說明本具體實施方式
。本實施 方式所述的一種微弱GNSS信號的差分相干累積捕獲方法，它由以下步驟完 成
步驟一、將接收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)分成4個數(shù)據(jù)組，再將每個數(shù)據(jù)組中的數(shù)據(jù) 分為M+l個數(shù)據(jù)塊，所述每個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)長度為20ms;獲得的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參 見圖10所示；
步驟二、對每個數(shù)據(jù)組中的M+1個數(shù)據(jù)塊分別進行相干累積，獲得M+1 個相干累積矩陣；獲得的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參見圖11所示；
步驟三、對每個數(shù)據(jù)組中的每相鄰兩個數(shù)據(jù)塊的相干累積矩陣做共軛乘 積，獲得M個差分矩陣；獲得的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參見圖12所示；
步驟四、將每個數(shù)據(jù)組中的所有相鄰數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位乘積組合分 別與該組中的M個差分矩陣相乘，獲得一組累積結(jié)果，并將這組累積結(jié)果中 的最大值作為該數(shù)據(jù)組的差分累積結(jié)果；所述所有相鄰數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù) 位乘積組合的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)參見圖13所示； .
步驟五、選取4個數(shù)據(jù)組的差分累積結(jié)果中的最大值作為捕獲結(jié)果；
所述每個數(shù)據(jù)組的起始位置均對應(yīng)一個估計的比特邊沿；所述每個組之間 延遲5ms;
所述M為整數(shù)。
步驟一中將接收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)分成4個數(shù)據(jù)組是為了減小計算量，分為4 組能夠節(jié)省80%的計算量，而造成的積分損失僅為10%。具體分組原則為 分別將第2ms、 7ms、 12ms和17ms作為起始點進行分組，即第一組數(shù)據(jù)對應(yīng) 2 ms至第N+2 ms的數(shù)據(jù)，第二組數(shù)據(jù)對應(yīng)第7 ms至第N+7 ms的數(shù)據(jù)，第 三組數(shù)據(jù)對應(yīng)第12 ms至第N+12 ms的數(shù)據(jù)，第四組數(shù)據(jù)對應(yīng)第17 ms至第 N+17ms的數(shù)據(jù)，N為每個數(shù)據(jù)塊的長度。
步驟一中分成4個數(shù)據(jù)組是為了估計比特的起始位置是在2ms 、 7ms、12ms還是17ms。
本發(fā)明通過4個數(shù)據(jù)組來估計比特邊沿，所得差分累積值最大的數(shù)據(jù)組最 接近正確比特邊沿位置。
因為導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的周期是20ms,為了找到導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的起始位置，定義 每個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)長度為20ms。
本發(fā)明每個數(shù)據(jù)組中數(shù)據(jù)塊的個數(shù)為^+l，每個數(shù)據(jù)塊所對應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù) 位只有兩種可能取值+1和-1。相鄰兩個導(dǎo)航數(shù)據(jù)位D乘積的可能取值只有 = = -1 ， /為正整數(shù)。每個數(shù)據(jù)組中的所有相鄰的數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的導(dǎo)
航數(shù)據(jù)乘積組合數(shù)為2^種。 '
例如對于3個數(shù)據(jù)塊，其對應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位可能為111; 11-1; 1畫l 1; -111; 1 -1 -1; -1 1 -1; -1 -1 1; -1 -1 -1;八種組合。那么相鄰數(shù) 據(jù)塊的乘積組合為11;1-1 ; -lh四種。
為了尋找導(dǎo)航數(shù)據(jù)位起始沿，對接收到的數(shù)據(jù)做相互延遲5^的4個分組。 每個分組中數(shù)據(jù)做長度為20ms的分塊，差分相干次數(shù)M。每個分塊做相干 累積，設(shè)"為在第6(6 = 1,2,3,4)個分組第*次相干累積值；7: C/A碼的碼相位 延遲；估計的第/個多普勒頻移值；:多普勒頻率槽數(shù)；lms;
C/A碼的采樣點數(shù)；第；u+i塊差分相干累積值可以表示為 &V,/4) = "(r,^)H(r，/4)。
半比特算法和全比特算法在本質(zhì)上是相同的，都是采用的非相干累積。在 進行平方運算的同時，雖然信號得到了增強，但噪聲也成倍增長。從圖中可以 看出，半比特法對于SNR=-44dB的信號不能正確捕獲，全比特算法能找到C/A 碼起始位置，但其噪聲基底過大，造成捕獲的虛警概率增加。本發(fā)明的方法能 很好的對信號實現(xiàn)捕獲。
差分相干累積方法，可以減小平方損耗。差分相干累積的表達式如下所示
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中z為差分相干累積結(jié)果，i;為第k個數(shù)據(jù)塊的相關(guān)結(jié)果；A的取值范圍是l<=*<=k-l。
差分相干累積利用相鄰的相干值進行共軛相乘，因此對噪聲的放大較小， 對信噪比的改善優(yōu)于非相干累積。本方法適用于相干累積時間很短(相對于導(dǎo) 航數(shù)據(jù)位周期)的環(huán)境，在這種情況下累積值受導(dǎo)航數(shù)據(jù)位變化的影響較小。 例如在20ms內(nèi)對20次相干結(jié)果做差分累積，如果有導(dǎo)航數(shù)據(jù)位的變化，則 差分累積和值是單個差分的18倍，和值不會被過分削弱。
權(quán)利要求
1、一種微弱GNSS信號的差分相干累積捕獲方法，其特征是它由以下步驟完成步驟一、將接收到的導(dǎo)航數(shù)據(jù)分成4個數(shù)據(jù)組，再將每個數(shù)據(jù)組中的數(shù)據(jù)分為M+1個數(shù)據(jù)塊，所述每個數(shù)據(jù)塊的數(shù)據(jù)長度為20ms；步驟二、對每個數(shù)據(jù)組中的M+1個數(shù)據(jù)塊分別進行相干累積，獲得M+1個相干累積矩陣；步驟三、對每個數(shù)據(jù)組中的每相鄰兩個數(shù)據(jù)塊的相干累積矩陣做共軛乘積，獲得M個差分矩陣；步驟四、將每個數(shù)據(jù)組中的所有相鄰數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位乘積組合分別與該組中的M個差分矩陣相乘，獲得一組累積結(jié)果，并將這組累積結(jié)果中的最大值作為該數(shù)據(jù)組的差分累積結(jié)果；步驟五、選取4個數(shù)據(jù)組的差分累積結(jié)果中的最大值作為捕獲結(jié)果；所述每個數(shù)據(jù)組的起始位置均對應(yīng)一個估計的比特邊沿；所述每個數(shù)據(jù)組之間延遲5ms；所述M為正整數(shù)。
全文摘要
一種微弱GNSS信號的差分相干累積捕獲方法，它涉及一種微弱GNSS信號的捕獲方法。它解決了現(xiàn)有的半比特法和全比特法對微弱GNSS信號的捕獲時間長并且存在非相干累積引起的平方損耗的問題。本發(fā)明的方法將接收到的數(shù)據(jù)分成4個組，再將每個組中的數(shù)據(jù)分為M+1個數(shù)據(jù)塊；對每個數(shù)據(jù)組中的每個數(shù)據(jù)塊分別進行相干累積；對每個數(shù)據(jù)組中的每相鄰的兩個數(shù)據(jù)塊的相干累積矩陣做共軛乘積；將每個數(shù)據(jù)組中的所有相鄰數(shù)據(jù)塊對應(yīng)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)位乘積組合分別與該組中的M個差分矩陣相乘，獲得該組的累積結(jié)果；選取4組差分累積結(jié)果的最大值作為捕獲結(jié)果，每個數(shù)據(jù)組的起始位置均對應(yīng)一個估計的比特邊沿。本發(fā)明適用于全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的微弱信號捕獲過程。
文檔編號G01S5/02GK101581776SQ20091007232
公開日2009年11月18日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月19日
發(fā)明者孟維曉, 張中兆, 王文靜, 松 謝, 帥 韓 申請人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)