一種gnss弱信號跟蹤的低復(fù)雜度鑒頻器設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種GNSS弱信號跟蹤的低復(fù) 雜度鑒頻器設(shè)計方法，用于在微弱衛(wèi)星導(dǎo)航信號跟蹤處理中減少延長相干累加時間所需的 計算量。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用的進一步深入，接收機面臨著越來越嚴苛的應(yīng)用環(huán)境。全球?qū)?航衛(wèi)星系統(tǒng)（GlobalNavigationSatelliteSystem，簡稱GNSS)信號在城市峽谷等遮擋環(huán) 境下比在開闊地域弱十幾甚至幾十分貝，而提高跟蹤靈敏度可以提高接收機在弱信號條件 下的定位成功率和增強魯棒性。鑒頻器是維持信號載波頻率跟蹤的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其性能對提 高跟蹤靈敏度具有重要影響。鑒頻器用于從相關(guān)器輸出的準(zhǔn)時相關(guān)值序列中估計出信號的 載波頻率減去本地載波頻率后殘余的跟蹤頻偏。作為一個頻率估計器，為獲得高的頻率估 計精度，應(yīng)延長鑒頻器單次頻率估計所使用數(shù)據(jù)段的長度。在不能獲得電文輔助的情況下， 鑒頻器需要通過估計電文來實現(xiàn)相干累加。雖然現(xiàn)代化GNSS信號中引入了不調(diào)制電文的 導(dǎo)頻分量，可以單獨使用導(dǎo)頻數(shù)據(jù)估計頻偏，但聯(lián)合使用導(dǎo)頻和數(shù)據(jù)分量可獲得更好的鑒 頻性能。因此在給定跟蹤頻偏的前提下，根據(jù)對應(yīng)于相鄰N個電文的相關(guān)值（N為整數(shù)），先 估計出的電文比特，然后用估計得到的電文與相關(guān)值相乘以剝離掉其中的電文調(diào)制，然后 對剝離了電文之后的N個相關(guān)值進行累加，可有效提高頻率鑒別操作中所需的信噪比。由 于電文估計可能存在誤碼，這種累加只是一種近似的相干累加，為簡化描述下文中全部簡 稱為相干累加。實現(xiàn)近似的相干累加是提高GNSS接收機弱信號跟蹤靈敏度的重要途徑。
[0003] 傳統(tǒng)弱信號跟蹤的電文估計算法直接在電文組合的取值域搜索，其計算量與2N成 線性關(guān)系，但由于其大都針對電文速率為50bps的GPS信號設(shè)計，N的取值較小。對于電文 速率為50bps的GPS信號，N取5?8即可獲得足夠高的相干累加后信噪比，此時待搜索的 電文組合個數(shù)較少。我國的北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（簡稱：BDS)的地球同步軌道衛(wèi)星（簡 稱：GE0)所播發(fā)信號的電文速率為500bps，相比于50bps信號，達到相同的相干積分時間， 待搜索電文比特數(shù)增加10倍。例如：實現(xiàn)〇. 12s的相干積分，采用傳統(tǒng)電文估計算法，對 GPS信號只需搜索25= 32個電文組合，而對于BDS的GE0信號需要搜索2 59個電文組合，即 計算量增加254倍，即計算量以指數(shù)規(guī)律增加，導(dǎo)致算法難以實時實現(xiàn)。因此對于具有較高 電文速率的GNSS信號，傳統(tǒng)電文估計算法難以實時實現(xiàn)較長時間的相干累加，這就需要一 種降低了計算復(fù)雜度的電文估計方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對電文速率的較高的GNSS信號用傳統(tǒng)的電文估計方法延長相干累加時間時， 計算量以指數(shù)規(guī)律增長的問題。本發(fā)明提供了一種GNSS弱信號跟蹤的低復(fù)雜度鑒頻器設(shè) 計方法，該方法以快速實現(xiàn)一個基于最大似然估計的高性能鑒頻器中的電文剝離和相關(guān)累 加為目標(biāo)，由于直接獲取了相干累加值，因此不輸出對電文比特的估計值，具體技術(shù)方案步 驟如下：
[0005] (S1)初始化鑒頻器，設(shè)計頻偏和電文的最大似然聯(lián)合估計器如下：
【主權(quán)項】
1. 一種GNSS弱信號跟蹤的低復(fù)雜度鑒頻器設(shè)計方法，其特征在于，包括以下步驟： (51) 初始化鑒頻器，設(shè)計頻偏和電文的最大似然聯(lián)合估計器如下：
在給定跟蹤頻偏f后，僅搜索電文組合所獲得的最大相干累加能量值為Ea。。(f)，即：
其中，k=l，2，···，10=[(11，(12，"*，(1」，(115￡{+1，-1}為依次由各比特待估計的電 文構(gòu)成的向量，D表示N個電文比特的組合情況，以下簡稱為電文組合；f為跟蹤頻偏； 為跟蹤頻偏的估計結(jié)果，Dml為電文組合的估計結(jié)果； (52) 設(shè)定跟蹤頻偏f的取值范圍[_fmax，fmax]，并在其中以相等的間隔Af取L個采樣 點：f\< f2<?< fH< f\，L 為整數(shù)； (53) 將平面IR2:按照方位角進行量化處理，量化為M條均勻分布的射線，M為整數(shù)；以 Δ#.為間隔，在連續(xù)區(qū)間[0,2π]上取M個離散采樣點< #2 < ··· < ΡΛ?，對于任 意待量化向量{Sx，Sy}，設(shè)其極坐標(biāo)表示為：
從科，r = 1，2，…，M，中找到與方位角φ:最接近的相位私例，作為量化后的方位角， 即量化后的累加向量{瓦:，艮}為： (54) 對每一個跟蹤頻偏取值的采樣點ft，t = 1，2，
…，!^，計算得到Et= Ea。。(ft)并從 中找出最大者En= max {E J，并以對應(yīng)的頻率4作為初始的跟蹤頻偏估計值，η為整數(shù)； (55) 用三點插值法進一步修正跟蹤頻偏估計值：若E1或h為最大時，不進行 插值處理，直接將頻偏估計值限幅為^或￡^，否則，先計算表征峰值偏移量的系數(shù)
，再將鑒頻器的輸出修正為：1
2. 如權(quán)利要求1所述的一種GNSS弱信號跟蹤的低復(fù)雜度鑒頻器設(shè)計方法，其特征在 于，所述步驟（S4)中根據(jù)跟蹤頻偏的采樣值f t，t = 1，2,…，L，求解Et的具體過程為： (S41)根據(jù)跟蹤頻偏的采樣值ft，對相關(guān)器輸出的原始相關(guān)值x[k]進行相位旋轉(zhuǎn)得到 X1^[k]，計算公式如下：
上式中IPJk]與QPJk]分別為xjk]的實部與虛部；將式（6)代入式⑶可得到：
將x,[k]看成二維向量，則dk取-1時可看成是將x,[k]旋轉(zhuǎn)180度，4取1則對應(yīng)不 旋轉(zhuǎn)； (542) 定義平面I21中的子集Am及其遞推關(guān)系：將屯固定為1，記前m個翻轉(zhuǎn)向量之和 為貨廠，巧}，即：
所有'{5]'?吁可能的取值構(gòu)成的集合為易知，A1中僅有一個元素\[1]，且遞 推關(guān)系如下：
(543) 遞推計算Am中在各個量化方向上具有最大相干累加能量值元素所構(gòu)成的子集 Cm:初始化Cl =島；則m+1 = 2, 3，…，N的步驟為： 1) 設(shè)置Cw+1為空集； 2) 遍歷(Cm中的每個元素 y，按照式（9)的遞推關(guān)系計算出累加一個相關(guān)值向量后新 產(chǎn)生的兩個iim+1中的元素，其中： y+對應(yīng)于dm+1= 1的情況，即y+ = y+x Jm+1]; y-對應(yīng)于 dm+1= -1 的情況，即 y- = y-x Jm+1]; 3) 依次判斷y+或者y_以何種方式添加到中，具體以y+為例說明判斷方法，設(shè) y+按照式（4)、式（5)量化后的方位角為若Cm+1中無量化后方位角為Wr^+) 的元素，則將y+添加到C m+i中；反之設(shè)C.m+1中已有一個元素 z量化后方位角也為 ^(y+)，則比較y+與Z的模值大小，若|y+| > |z|，則將Cm+]_中的z用y+替換，反之保 持Cm+1不變； 按照步驟1)、2)、3)方法，迭代N-I次后得到(CjV·， (544) 找出CiV1中具有最大模值的元素7">，然后計算Et，即取E t= |ym|2。
3.如權(quán)利要求1所述的一種GNSS弱信號跟蹤的低復(fù)雜度鑒頻器設(shè)計方法，其特征在 于，M取值為21°。
【專利摘要】本發(fā)明屬于衛(wèi)星導(dǎo)航信號處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種低復(fù)雜度鑒頻器設(shè)計方法，用于在微弱衛(wèi)星導(dǎo)航信號跟蹤處理中減少延長相干累加時間所需的計算量。具體步驟為，初始化鑒頻器，設(shè)計頻偏和電文的最大似然聯(lián)合估計器；設(shè)定跟蹤頻偏可能的取值范圍，并在其中取均勻分布的采樣點；設(shè)定在極坐標(biāo)系下對二維平面上向量的方位角進行量化處理的函數(shù)；ft，t＝1，2，…，L，計算得到Et＝Eacc(ft)，據(jù)此得到跟蹤頻偏的初始估計值；用三點插值法進一步修正跟蹤頻偏估計值。本發(fā)明方法以部分相關(guān)累加結(jié)果表示電文組合分支，通過在極坐標(biāo)系下對相關(guān)值的量化處理，通過預(yù)測估計，排除相干累加能量值較小的電文組合分支，使計算量隨待估計電文比特數(shù)以線性關(guān)系增長。
【IPC分類】G01S19-37
【公開號】CN104536022
【申請?zhí)枴緾N201510003887
【發(fā)明人】吳舜曉, 黃仰博, 倪少杰, 唐小妹, 朱祥維, 歐鋼, 陳華明, 劉文祥, 李井源
【申請人】中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2015年1月6日