專利名稱：高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星信號非線性捕獲裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型適用于弱導(dǎo)航衛(wèi)星信號捕獲領(lǐng)域，具體涉及一種高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星信號非線性捕獲裝置。
背景技術(shù)：
近年來,全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System, GPS)已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。隨著這項(xiàng)定位技術(shù)發(fā)展的不斷深入，用戶對其使用要求也越來越高，無盲區(qū)、高靈敏度、實(shí)時(shí)定位與導(dǎo)航成為該技術(shù)發(fā)展的方向。然而，絕大多數(shù)使用手持定位設(shè)備的用戶分布在高樓密集的城市地區(qū)，且大部分時(shí)間處于室內(nèi)。由于受到的遮擋、多徑和干擾等現(xiàn)象較嚴(yán)重，與普通環(huán)境相比，GPS信號在室內(nèi)環(huán)境中，能量有更多的削弱和衰落，到達(dá)時(shí)間有更大的延遲，接收信噪比有更大程度的惡化，所以，其可用性和定位精度都會大大下降，GPS的總體性能嚴(yán)重惡化。在室內(nèi)等低信噪比環(huán)境下，對GPS接收機(jī)最先啟動的工作部分，即捕獲功能模塊的性能指標(biāo)提出了更高的要求，必須能夠快速高靈敏度捕獲低信噪比環(huán)境下的信號。但是，目前的GPS捕獲技術(shù)幾乎很難滿足這一要求，現(xiàn)有的GPS接收機(jī)在室內(nèi)等環(huán)境下很難工作。常見的相干積分、非相干積分、差分相干積分等捕獲方法能在一定程度上提高靈敏度，但均要求積累時(shí)間較長，無法滿足室內(nèi)弱信號高靈敏度及實(shí)時(shí)捕獲的要求。如果GPS信號不能被快速高靈敏度捕獲到，那么后續(xù)的所有功能都將受影響，比如跟蹤、導(dǎo)航電文提取、位置解算等。2011年04月《系統(tǒng)工程與電子技術(shù)》第33卷第4期中提出了一種“基于隨機(jī)共振的高靈敏度GPS信號捕獲算法”，該算法首先用部分匹配濾波器對GPS信號進(jìn)行分段相關(guān)預(yù)處理，然后利用隨機(jī)共振提高預(yù)處理后信號的信噪比，實(shí)現(xiàn)在相對較短的相關(guān)累積時(shí)間內(nèi)獲得較高的捕獲靈敏度。然而該算法在GPS信號多普勒頻移較大且積累時(shí)間較長時(shí)，將造成碼片速率發(fā)生較大變化，從而對碼周期產(chǎn)生較大影響，當(dāng)對數(shù)字中頻信號與本地信號做相關(guān)時(shí)，會造成相關(guān)峰值衰減較大，從而影響捕獲靈敏度；并且，上述算法中的部分匹配濾波是一小段一小段做相關(guān)，造成預(yù)處理過程耗時(shí)較大，難以達(dá)到快速高靈敏度GPS信號捕獲的要求。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星信號非線性捕獲裝置，該裝置能夠有效減小大多普勒頻率造成相關(guān)過程中相關(guān)功率的損失；利用非線性系統(tǒng)-雙穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的特性，即在一定條件下，噪聲能量會向信號能量轉(zhuǎn)移的特性，最大限度地提高GPS信號捕獲靈敏度；并且可以極大限度地減小捕獲時(shí)間，為弱GPS信號的實(shí)時(shí)高靈敏度捕獲提供技術(shù)支持。為解決上述問題，本實(shí)用新型是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的一種高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星信號非線性捕獲裝置，包括如下模塊變頻采樣模塊對導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的衛(wèi)星模擬信號進(jìn)行下變頻及采樣；[0007]本地偽碼生成器根據(jù)待搜索的導(dǎo)航衛(wèi)星號及多普勒頻率偏移產(chǎn)生本地偽碼衛(wèi)星信號;雙塊零拓展模塊分別對變頻采樣模塊采樣后的衛(wèi)星信號和本地偽碼生成器產(chǎn)生的本地偽碼衛(wèi)星信號進(jìn)行雙塊零拓展；快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊對經(jīng)雙塊零拓展模塊輸出的衛(wèi)星信號和本地偽碼衛(wèi)星信號利用快速傅里葉變換循環(huán)卷積進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后送入取實(shí)部模塊；取實(shí)部模塊對快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊所得相關(guān)結(jié)果進(jìn)行處理，并保存相關(guān)結(jié)果的實(shí)部信號后送入二次采樣隨機(jī)共振模塊；二次采樣隨機(jī)共振模塊對取實(shí)部模塊保存的相關(guān)結(jié)果的實(shí)部信號進(jìn)行二次采樣，使其通過雙穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，并進(jìn)行共振輸出到傅里葉變換及取模模塊；傅里葉變換及取模模塊對二次采樣隨機(jī)共振模塊輸出的信號做傅里葉變換并取模后送入最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值閾值檢測模塊；MTM(最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值)閾值檢測模塊尋找傅里葉變換及取模模塊輸出的信號的最大值，并將該最大值與預(yù)先設(shè)定的檢測閾值進(jìn)行比較后輸出捕獲結(jié)果。對每顆衛(wèi)星，在頻率方向和碼延時(shí)方向上尋找傅里葉變換及取模模塊輸出的最大值，即對每一顆衛(wèi)星，首先尋找初始頻率對應(yīng)的取模后的最大值并保存；然后重復(fù)返回本地偽碼生成器找出下一多普勒頻率對應(yīng)的取模后的最大值并保存，直到保存該顆衛(wèi)星的所有頻率對應(yīng)的取模后的最大值；最后再從上述所有頻率對應(yīng)的取模后的最大值中找出一個最大值作為該顆衛(wèi)星取模后的最大值；如果該顆衛(wèi)星取模后的最大值大于預(yù)先設(shè)定的檢測閾值，則該最大值所對應(yīng)的頻率和碼延時(shí)即為要捕獲的多普勒頻率和碼延時(shí)；如果該最大值未超過預(yù)先設(shè)定的檢測閾值，則返回本地偽碼生成器搜索下一顆衛(wèi)星，直到搜索完所有的衛(wèi)星，則退出捕獲，此時(shí)，表示捕獲不成功。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型在盡量短的時(shí)間內(nèi)，最大限度地提高了 GPS信號捕獲靈敏度。該實(shí)用新型采用DBZP技術(shù)來減小相關(guān)功率損失；用FFT技術(shù)減少了做相關(guān)所需時(shí)間；利用非線性雙穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的特性——強(qiáng)噪聲干擾下的信號作用于雙穩(wěn)隨機(jī)共振非線性系統(tǒng)時(shí)，信號和噪聲在非線性系統(tǒng)的協(xié)同作用下，會發(fā)生噪聲能量向信號能量的轉(zhuǎn)移，產(chǎn)生類似于力學(xué)中的共振輸出，從而極大地提高系統(tǒng)輸出信噪比；捕獲過程中引入了MTM(最大相關(guān)值與相關(guān)均值比值)閾值檢測方法，提高了正確檢測率。

圖1為一種高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星信號捕獲系統(tǒng)原理圖。
具體實(shí)施方式
一種高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星信號非線性捕獲裝置，如圖1所示，包括變頻采樣模塊、本地偽碼生成器、雙塊零拓展模塊、快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊、取實(shí)部模塊、二次采樣隨機(jī)共振模塊、傅里葉變換及取模模塊和MTM(最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值)閾值檢測模塊。其中變頻采樣模塊對導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的衛(wèi)星模擬信號進(jìn)行下變頻及采樣。[0020]本地偽碼生成器根據(jù)待搜索的導(dǎo)航衛(wèi)星號及多普勒頻率偏移產(chǎn)生本地偽碼衛(wèi)星信號。雙塊零拓展模塊分別對變頻采樣模塊采樣后的衛(wèi)星信號和本地偽碼生成器產(chǎn)生的本地偽碼衛(wèi)星信號進(jìn)行雙塊零拓展。快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊對經(jīng)雙塊零拓展模塊輸出的衛(wèi)星信號和本地偽碼衛(wèi)星信號利用快速傅里葉變換循環(huán)卷積進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。取實(shí)部模塊對相關(guān)結(jié)果進(jìn)行處理，并保留相關(guān)結(jié)果的實(shí)部信號。二次采樣隨機(jī)共振模塊對取實(shí)部模塊保存的相關(guān)結(jié)果的實(shí)部信號進(jìn)行二次采樣，使其通過雙穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，并進(jìn)行共振輸出。本實(shí)用新型中所述二次采樣隨機(jī)共振模塊包括二次采樣單元和隨機(jī)共振單元，其中二次采樣單元對取實(shí)部模塊保存的相關(guān)結(jié)果的實(shí)部信號進(jìn)行二次采樣，并使采樣后信號頻率符合雙穩(wěn)隨機(jī)共振小參數(shù)信號的要求；隨機(jī)共振單元對二次采樣后的信號進(jìn)行共振輸出。傅里葉變換及取模模塊對二次采樣隨機(jī)共振模塊輸出的信號做傅里葉變換并取模。MTM(最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值)閾值檢測模塊對每顆衛(wèi)星，在頻率方向和碼延時(shí)方向上尋找傅里葉變換及取模模塊輸出的最大值，即對每一顆衛(wèi)星，首先尋找初始頻率對應(yīng)的取模后的最大值并保存；然后重復(fù)返回本地偽碼生成器找出下一多普勒頻率對應(yīng)的取模后的最大值并保存，直到保存該顆衛(wèi)星的所有頻率對應(yīng)的取模后的最大值；最后再從上述所有頻率對應(yīng)的取模后的最大值中找出一個最大值作為該顆衛(wèi)星取模后的最大值。如果該顆衛(wèi)星取模后的最大值大于預(yù)先設(shè)定的檢測閾值，則該最大值所對應(yīng)的頻率和碼延時(shí)即為要捕獲的多普勒頻率和碼延時(shí)；如果該最大值未超過預(yù)先設(shè)定的檢測閾值，則返回本地偽碼生成器搜索下一顆衛(wèi)星，直到搜索完所有的衛(wèi)星，則退出捕獲，此時(shí)，表示捕獲不成功。上述裝置所實(shí)現(xiàn)的高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星信號捕獲方法，包括如下步驟步驟一對導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的衛(wèi)星模擬信號進(jìn)行下變頻及采樣，并設(shè)定合適的多普勒頻移變量初值及最大值，即設(shè)定多普勒頻移搜索范圍，同時(shí)設(shè)定多普勒頻移搜索間隔、MTM(最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值)的檢測閾值、雙穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)參數(shù)、衛(wèi)星號變量初值及衛(wèi)星號最大值。在本實(shí)用新型中，所述多普勒頻移搜索范圍為-1OKHz IOKHz。所述多普勒頻移的搜索間隔為5000Hz。所述檢測閾值是指MTM的檢測閾值，其中MTM表示最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值，若計(jì)算所得MTM值超過檢測閾值BT，即認(rèn)為信號被準(zhǔn)確捕獲，在本實(shí)用新型中，所述檢測閾值4設(shè)定為3 7之間。所述雙穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)參數(shù)a=l，b=l。根據(jù)目前GPS衛(wèi)星的數(shù)目，在本實(shí)用新型中，所述衛(wèi)星號變量的初值設(shè)定為1，最大值設(shè)定為30。從衛(wèi)星發(fā)射的LI頻段GPS模擬信號下變頻和采樣后的數(shù)字中頻信號為 r((j) = ^d(Jj)C{{Ij — r)(l+^j-)) cos(2^" (fIF +fd)tj +#)+ ( ；)(I)
JLl式中，A為信號幅度，d(t)為導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息，C(t)為C/A碼,fd為多普勒頻移，fL1為高頻載波頻率，fIF為中頻載波頻率，0為初始相位，n(t)為加性高斯白噪聲，\為第j個采樣時(shí)刻，T為信號到達(dá)接收機(jī)的時(shí)延。[0033]步驟二 根據(jù)待搜索的導(dǎo)航衛(wèi)星號及多普勒頻率偏移產(chǎn)生本地偽碼衛(wèi)星信號。第k個時(shí)間段本地產(chǎn)生的偽碼信號模型為
權(quán)利要求1.高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星信號非線性捕獲裝置，其特征是包括如下模塊 變頻采樣模塊對導(dǎo)航衛(wèi)星發(fā)射的衛(wèi)星模擬信號進(jìn)行下變頻及采樣； 本地偽碼生成器根據(jù)待搜索的導(dǎo)航衛(wèi)星號及多普勒頻率偏移產(chǎn)生本地偽碼衛(wèi)星信號; 雙塊零拓展模塊分別對變頻采樣模塊采樣后的衛(wèi)星信號和本地偽碼生成器產(chǎn)生的本地偽碼衛(wèi)星信號進(jìn)行雙塊零拓展； 快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊對經(jīng)雙塊零拓展模塊輸出的衛(wèi)星信號和本地偽碼衛(wèi)星信號利用快速傅里葉變換循環(huán)卷積進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后送入取實(shí)部模塊； 取實(shí)部模塊對快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊所得相關(guān)結(jié)果進(jìn)行處理，并保留相關(guān)結(jié)果的實(shí)部信號后送入二次采樣隨機(jī)共振模塊； 二次采樣隨機(jī)共振模塊對取實(shí)部模塊保存的相關(guān)結(jié)果的實(shí)部信號進(jìn)行二次采樣，使其通過雙穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)，并進(jìn)行共振輸出到傅里葉變換及取模模塊； 傅里葉變換及取模模塊對二次采樣隨機(jī)共振模塊輸出的信號做傅里葉變換并取模后送入最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值閾值檢測模塊； 最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值閾值檢測模塊尋找傅里葉變換及取模模塊輸出的信號的最大值，并將該最大值與預(yù)先設(shè)定的檢測閾值進(jìn)行比較后輸出捕獲結(jié)果。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種高靈敏度導(dǎo)航衛(wèi)星信號非線性捕獲裝置，其主要由變頻采樣模塊、本地偽碼生成器、雙塊零拓展模塊、快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊、取實(shí)部模塊、二次采樣隨機(jī)共振模塊、傅里葉變換及取模模塊以及最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值閾值檢測模塊組成，該裝置采用DBZP技術(shù)來減小相關(guān)功率損失；用FFT技術(shù)減少了做相關(guān)所需時(shí)間；利用非線性雙穩(wěn)隨機(jī)共振系統(tǒng)的特性來提高系統(tǒng)輸出信噪比；捕獲過程中引入了MTM(最大相關(guān)值與相關(guān)均值比值)閾值檢測方法，提高了正確檢測率。本實(shí)用新型能夠最大限度地提高GPS信號捕獲靈敏度；并且可以極大限度地減小捕獲時(shí)間，為弱GPS信號的實(shí)時(shí)高靈敏度捕獲提供技術(shù)支持。
文檔編號G01S19/30GK202870299SQ20122023401
公開日2013年4月10日 申請日期2012年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月23日
發(fā)明者莫建文, 張順嵐, 張彤, 首照宇, 袁華, 歐陽寧, 陳利霞 申請人:桂林電子科技大學(xué)