[發明專利]一種基于壓縮感知的導航信號采集方法

無效

• 申請號: 201210312804.6
• 申請日: 2012-08-30
• 公開（公告）號: CN102830409A
• 公開（公告）日: 2012-12-19
• 發明（設計）人: 馮冬竹;蘇哲;何曉川;袁曉光;周江水;韓國華;許錄平
• 申請（專利權）人: 西安電子科技大學
• 主分類號: G01S19/31
• 分類號: G01S19/31;G01S19/37
• 代理公司: 西安新思維專利商標事務所有限公司 61114
• 代理人: 李罡

技術領域

本發明屬于壓縮感知和信號處理領域，具體涉及一種基于壓縮感知理論的導航信號采集方法。

技術背景

衛星導航系統因其能全天時，全天候地為世界上任何地方提供高精度的位置，速度和時間信息，在軍事和民用領域得到了廣泛應用和發展，是關系到國際民生的關鍵性技術支撐系統。衛星導航系統將導航信息變成編碼脈沖以數字通信方式來完成?？紤]到保密通信、各衛星發射信號的區分選擇及精密測距，編碼脈沖先調制到偽隨機碼上（包括粗（C/A）碼、精（P）碼），即經偽隨機碼擴頻，再對L波段的載頻進行雙相調制，然后由衛星天線發射。要發送的編碼脈沖(碼率為50bps)調制到偽隨機碼后，導航信號的頻率增大到1.023?MHz（對C/A碼）和10.23MHz（對P碼），對擴頻后的編碼脈沖調制到載波上，導航信號上變頻到頻率1000MHz以上的射頻信號。為了能將低頻率的編碼脈沖從高頻率的導航信號解調出來，接收機將接收到的射頻信號下變頻到中頻信號，再通過數模轉換（ADC）變換到數字中頻信號，最后經捕獲、跟蹤解調出編碼脈沖。?

現有的方法中存在兩方面缺陷：???????????????????????????????????????????????為了能從頻率高達1000MHz以上的射頻信號解調出碼率為50bps的編碼脈沖，需要較高的采樣率，但是高采樣率帶來高成本，在現有的技術工藝基礎上提高采樣率代價非常高。由于采樣頻率越高產生越多的采樣點，不利于后續的處理，必須對其進行壓縮，但是這種高速采樣再壓縮的過程浪費了大量的采樣資源。

發明內容

本發明所解決的技術問題是提供一種解決了現有的導航信號采集方法存在的采樣頻率高，可以用較低的采樣頻率采集導航信號并可以高概率重構導航信號的一種基于壓縮感知的導航信號采集方法。

為解決上述的技術問題，本發明采取的技術方案：

一種基于壓縮感知的導航信號采集方法，其特殊之處在于：通過觀測矩陣使得導航信號投影為低維的觀測向量，并在信號重構端求解稀疏最優化問題，高概率地用低維的觀測向量重構出高維導航信號，具體步驟如下：

?(1)?假設接收機天線端接收的導航信號為，在正交字典或冗余字典中用某個固定稀疏基稀疏表示導航信號，獲得導航信號的稀疏系數；

(2)?確定一個能捕捉稀疏信號中有用信息的高效的非自適應的隨機觀測矩陣；

(3)?根據隨機觀測矩陣對導航信號的稀疏系數進行觀測，得到觀測集合，并將觀測數據存儲在采樣存儲器中；

(4)?根據存儲器中的觀測數據，在信號重構端通過求解L1凸優化問題?，實現導航信號的初步重構；

(5)?根據初步重構結果，再利用加權算法對信號進行進一步的精確重構，得到完整的導航信號。

上述的步驟（1）經過變換后獲得導航信號在變換域上的稀疏系數，同時根據待采集的導航信號特征，估計該信號在稀疏域上的稀疏度，稀疏度為接收機接收到的衛星數目。

上述的稀疏度確定后，通過其確定隨機稀疏采樣的平均頻率，采樣次數滿足不等式條件，就能夠高概率的對原始信號進行重構，其中是常數；是采樣信號和基帶信號的相關系數，通常情況下取為1；為估計的稀疏度；為原信號的采樣個數。

上述的步驟（2）確定觀測矩陣方法為生成大小為的哈達瑪矩陣，然后在生成矩陣中隨機地選取行向量，構成一個維的隨機觀測矩陣。

上述的步驟（4）的導航信號的初步重構：導航信號是稀疏的，根據泛函分析和凸優化理論，對導航信號的重構就是對信號L0范數的最優化求解，通過對L1范數的優化來逼近L0范數的解，因為信號在具有稀疏性的情況下，目標函數在L0和L1的約束空間的最優點幾乎相同。所以求解一個更簡單的L1-范數最優化問題會產生同等的解：?，在工程應用中，使用L1-MAGIC算法能夠很快完成對信號的重構。

上述的步驟（5）的導航信號的精確重構采用加權算法對數值較大的分量賦予較小的權重，對數值較小的分量賦予較大的權重，然后通過優化算法，將大權重的信號分量最小化，從而實現更為理想的信號重構效果，得到完整的導航原始信號。

上述的步驟（5）的加權優化算法為求解方程?的最優解，其中為加權矩陣，其值為

。

與現有技術相比，本發明很好地克服了奈奎斯特（Nyquist）采樣頻率對硬件的要求，只需要讓采集器件工作在低速采樣狀態獲得測量值，就能在計算中心完成對導航信號的重構，這樣大大減少了采集器件的工作負擔，同時減輕了傳輸系統中數據的傳輸壓力。

附圖說明