[發明專利]一種高靈敏度衛星導航信號捕獲方法及系統

有效

• 申請號: 201210062429.4
• 申請日: 2012-03-09
• 公開（公告）號: CN102608626A
• 公開（公告）日: 2012-07-25
• 發明（設計）人: 易清明;陳慶;許祥濱;石敏;陳偉國
• 申請（專利權）人: 暨南大學
• 主分類號: G01S19/24
• 分類號: G01S19/24;G01S19/30;G01S19/35
• 代理公司: 廣州市華學知識產權代理有限公司 44245
• 代理人: 陳燕嫻

技術領域

本發明涉及衛星導航信號捕獲研究領域，特別涉及一種高靈敏度衛星導航信號捕獲方法及系統。

背景技術

全球定位系統(Global?Positioning?System，GPS)是20世紀70年代由美國陸海空三軍在海軍衛星導航系統的基礎上聯合研制的全球衛星導航定位系統，它由空間段、地面控制段和用戶段三部分構成。GPS系統在民用領域也獲得廣泛應用，已經發展為多領域、多模式、多用途、多機型的國際性高新技術產業。美國GPS系統是全球廣泛應用的衛星導航與定位系統。目前，能與GPS系統進入競爭領域的分別有俄羅斯的GLONASS系統、歐洲的“伽利略”系統和中國的北斗(COMPASS)系統。

衛星導航接收機的工作過程是：衛星發射的射頻信號(RF)通過天線接收下來，通過一個無源的帶通濾波器濾波，以減小帶外射頻干擾，接著預放大，射頻信號下變頻到中頻(IF)，再用模數(A/D)變換器對(IF)信號采樣和數字化，得到數字中頻信號(或數字基帶信號)，再送入數字基帶處理器(Digital?Base-bandProcessor)進行處理，主要是對信號進行捕獲、跟蹤、解調，再作導航解算，偽距計算等，數字基帶處理器是衛星信號接收機的核心。

其中對數字基帶信號進行處理，首先要進行信號的捕獲，其目的是確定一個衛星是否在接收機的可見范圍內，如果衛星可見，捕獲過程要完成兩個參數的捕獲：碼相位和載波頻率，這其實是一個二維搜索過程。衛星信號捕獲就是在頻率和PRN碼方向上進行二維搜索得到粗略的載波頻率和碼相位的過程。捕獲是衛星信號接收機中的一個關鍵組成部分。

目前常用的偽碼捕獲方法主要有發射參考信號法、序貫相關法、匹配濾波器法、滑動相關法等。發射參考信號法就是把調制了數據的擴頻信號和沒有數據調制的數據信號發射出去，在接收端直接用這兩部分進行解擴，該方法對多普勒頻移的影響不敏感，但系統的抗干擾性和對噪聲抑制能力很差。序貫相關法是一種能減少長碼捕獲時間的快速捕獲方法，但它先要對外來的PRN碼進行檢測后才能注入移位寄存器，這點比較困難。匹配濾波器法優點在于實時性，可以實現快速同步。但是對于長碼快速捕獲的匹配濾波器在現有工藝條件下硬件實現比較困難。

在各種擴頻系統中，滑動相關法使用最為廣泛。因為該方法實現簡單，而且不需要任何先驗信息。滑動相關法主要包括時域滑動相關法和頻域滑動相關法。時域滑動相關法采用接收信號和本地信號在時間域進行多級相關積分，經過多級的相關積分，信號強度得到大幅提升，從而得到相關峰值。該算法實現比較簡單，但是捕獲過程耗時較長。頻域滑動相關法的典型代表是Vanne等提出基于快速傅立葉變換(FFT)的PRN碼捕獲方法。該算法利用兩次FFT和一次逆傅立葉變換(IFFT)運算計算接收信號和參考信號的相關峰值，從而確定多普勒頻偏和PRN碼相位。這種算法要進行大點數的FFT運算，尤其是點數不為2的冪次方時，運算量比較大，對系統硬件資源要求較高。

導航信號接收技術如今在室內、高樓林立的城市街道和多層停車場等嚴重信號衰落環境下的應用需求越來越多。絕大多數使用手持定位設備的用戶分布在高樓密集的城市地區，需要在室內、高樓之間、地下停車場、高架道路等微弱信號環境中完成定位，在城市郊區和列車定位的控制應用中，由于存在山體、建筑、樹木、隧道等障礙物，衛星導航信號受遮擋、多徑效應等影響，信號非常微弱，衰減嚴重。這些都給衛星信號接收技術帶來了挑戰。在這些條件下普通接收機由于靈敏度的限制已無法使用。為了在微弱信號條件下正常接收衛星導航信號，接收機需要增加信號能量累加時間，提高信噪比。提高相關器輸出的信噪比，是實現微弱信號同步的唯一途徑。這意味著，不僅需要長時間積分和更為準確的頻偏估計，而且也需要增加硬件相關器的規模。現行的許多積分方法均可統一為相干積分與非相干積分兩種方法的結合，區別在于相干積分的時間長度和非相干積分的次數。

相干積分時間越長，相干增益越大，但相干積分長度也不是無限度的，它會受到多普勒頻移、導航數據比特寬度和計算量等的限制。長時間相干積分的另一個問題是積分累加處理過程可能存在跨越導航電文數據位的問題。如果積分時間內數據位發生跳變，將導致所處理數據信息的抵消，相干積分值反而降低。非相干積分不受符號跳變和載波多普勒的影響，可以在多個導航電文數據位上進行能量累加。但是非相干積分的長度受碼多普勒的限制，而且隨著非相干累加次數增加，能量增加的效果不明顯。

發明內容