高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法及装置

摘要

本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法及装置，该方法与装置采用DBZP技术来减小相关功率损失；用FFT技术减少了做相关所需时间；利用非线性双稳随机共振系统的特性来提高系统输出信噪比；捕获过程中引入了MTM（最大相关值与相关均值比值）阈值检测方法，提高了正确检测率。本发明能够最大限度地提高GPS信号捕获灵敏度；并且可以极大限度地减小捕获时间，为弱GPS信号的实时高灵敏度捕获提供技术支持。

权利要求

1.高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是包括如下步骤：步骤一：对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样，并设定合适的多普勒频移变量初值及最大值，即设定多普勒频移搜索范围，同时设定多普勒频移搜索间隔、最大相关值与相关均值的比值的检测阈值、双稳随机共振系统参数、卫星号变量初值及卫星号最大值；

步骤二：根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号；

步骤三：分别对采样后的卫星信号和本地伪码卫星信号进行双块零拓展；

步骤四：对经双块零拓展后的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算；

步骤五：对相关结果进行处理，并保留相关结果的实部信号；

步骤六：对保存的相关结果的实部信号进行二次采样随机共振；

步骤七：对步骤六中输出的信号做傅里叶变换并取模；

步骤八：对每一颗卫星，在频率方向和码延时方向上寻找步骤七中取模后的最大值；

即对每一颗卫星，首先寻找初始频率对应的步骤七中取模后的最大值并保存；然后返回步骤二并找出下一多普勒频率对应的步骤七中取模后的最大值并保存；直到保存该颗卫星的所有频率对应的步骤七中取模后的最大值；最后再从上述所有频率对应的取模后的最大值中找出一个最大值作为该颗卫星取模后的最大值；

之后，将该颗卫星取模后的最大值同步骤一中设定的检测阈值进行比较，如果该最大值大于步骤一中设定的检测阈值，则该最大值所对应的频率和码延时即为要捕获的多普勒频率和码延时；如果该最大值未超过步骤一中设定的检测阈值，则重复步骤二搜索下一颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，此时表示捕获不成功。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是：步骤六所述二次采样随机共振步骤包括二次采样步骤和随机共振步骤，即首先，对保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使采样后的信号频率符合小参数随机共振的要求，然后，让采样后的信号进入双稳随机共振系统，并进行随机共振。

3.根据权利要求1或2所述高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是：所述多普勒频移搜索范围为-10KHz～10KHz。

4.根据权利要求3所述高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是：所述多普勒频移搜索间隔为5000Hz。

5.根据权利要求1或2所述高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是，所述检测阈值介于3～7之间。

6.根据权利要求1或2所述高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是：双稳随机共振系统参数初值为a=1，b=1。

7.根据权利要求1或2所述高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是：卫星号变量的初值为1，最大值为30。

8.高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，其特征是包括如下模块：变频采样模块：对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样；

本地伪码生成器：根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号；

双块零拓展模块：分别对变频采样模块采样后的卫星信号和本地伪码生成器产生的本地伪码卫星信号进行双块零拓展；

快速傅里叶变换循环卷积相关模块：对经双块零拓展模块输出的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算；

取实部模块：对相关结果进行处理，并保留相关结果的实部信号；

二次采样随机共振模块：对取实部模块保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使其通过双稳随机共振系统，并进行共振输出；

傅里叶变换及取模模块：对二次采样随机共振模块输出的信号做傅里叶变换并取模；

最大相关值与相关均值的比值阈值检测模块：对每颗卫星，在频率方向和码延时方向上寻找傅里叶变换及取模模块输出的最大值；如果该颗卫星取模后的最大值大于预先设定的检测阈值，则该最大值所对应的频率和码延时即为要捕获的多普勒频率和码延时；如果该最大值未超过预先设定的检测阈值，则返回本地伪码生成器搜索下一颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，此时，表示捕获不成功。

9.根据权利要求8所述的高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，其特征是：所述二次采样随机共振模块包括二次采样单元和随机共振单元，其中二次采样单元，对取实部模块保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使采样后信号频率符合双稳随机共振小参数信号的要求；

随机共振单元，对二次采样后的信号进行共振输出。

说明书

高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法及装置

技术领域

[0001] 本发明适用于弱导航卫星信号捕获领域，具体涉及一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法及装置。

背景技术

[0002] 近年来，全球定位系统（Global Positioning System,GPS）已经得到越来越广泛的应用。随着这项定位技术发展的不断深入，用户对其使用要求也越来越高，无盲区、高灵敏度、实时定位与导航成为该技术发展的方向。然而，绝大多数使用手持定位设备的用户分布在高楼密集的城市地区，且大部分时间处于室内。由于受到的遮挡、多径和干扰等现象较严重，与普通环境相比，GPS信号在室内环境中，能量有更多的削弱和衰落，到达时间有更大的延迟，接收信噪比有更大程度的恶化，所以，其可用性和定位精度都会大大下降，GPS的总体性能严重恶化。在室内等低信噪比环境下，对GPS接收机最先启动的工作部分，即捕获功能模块的性能指标提出了更高的要求，必须能够快速高灵敏度捕获低信噪比环境下的信号。但是，目前的GPS捕获技术几乎很难满足这一要求，现有的GPS接收机在室内等环境下很难工作。常见的相干积分、非相干积分、差分相干积分等捕获方法能在一定程度上提高灵敏度，但均要求积累时间较长，无法满足室内弱信号高灵敏度及实时捕获的要求。如果GPS信号不能被快速高灵敏度捕获到，那么后续的所有功能都将受影响，比如跟踪、导航电文提取、位置解算等。

[0003] 2011年04月《系统工程与电子技术》第33卷第4期中提出了一种“基于随机共振的高灵敏度GPS信号捕获算法”，该算法首先用部分匹配滤波器对GPS信号进行分段相关预处理，然后利用随机共振提高预处理后信号的信噪比，实现在相对较短的相关累积时间内获得较高的捕获灵敏度。然而该算法在GPS信号多普勒频移较大且积累时间较长时，将造成码片速率发生较大变化，从而对码周期产生较大影响，当对数字中频信号与本地信号做相关时，会造成相关峰值衰减较大，从而影响捕获灵敏度；并且，上述算法中的部分匹配滤波是一小段一小段做相关，造成预处理过程耗时较大，难以达到快速高灵敏度GPS信号捕获的要求。

发明内容

[0004] 本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法及装置，该方法与装置能够有效减小大多普勒频率造成相关过程中相关功率的损失；利用非线性系统-双稳随机共振系统的特性，即在一定条件下，噪声能量会向信号能量转移的特性，最大限度地提高GPS信号捕获灵敏度；并且可以极大限度地减小捕获时间，为弱GPS信号的实时高灵敏度捕获提供技术支持。

[0005] 为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

[0006] 本发明一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，包括如下步骤：

[0007] 步骤一：对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样，并设定合适的多普勒频移变量初值及最大值，即设定多普勒频移搜索范围，同时设定多普勒频移搜索间隔、MTM（最大相关值与相关均值的比值）的检测阈值、双稳随机共振系统参数、卫星号变量初值及卫星号最大值；

[0008] 步骤二：根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号；

[0009] 步骤三：分别对采样后的卫星信号和本地伪码卫星信号进行双块零拓展；

[0010] 步骤四：对经双块零拓展后的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算；

[0011] 步骤五：对相关结果进行处理，并保存相关结果的实部信号；

[0012] 步骤六：对相关结果的实部信号进行二次采样随机共振；

[0013] 步骤七：对步骤六中输出的信号做傅里叶变换并取模；

[0014] 步骤八：对每一颗卫星，在频率方向和码延时方向上寻找步骤七中取模后的最大值；即对每一颗卫星，首先寻找初始频率对应的步骤七中取模后的最大值并保存；然后返回步骤二并找出下一多普勒频率对应的步骤七中取模后的最大值并保存；直到保存该颗卫星的所有频率对应的步骤七中取模后的最大值；最后再从上述所有频率对应的取模后的最大值中找出一个最大值作为该颗卫星取模后的最大值；

[0015] 之后，将该颗卫星取模后的最大值同步骤一中设定的检测阈值进行比较，如果该最大值大于步骤一中设定的检测阈值，则该最大值所对应的频率和码延时即为要捕获的多普勒频率和码延时；如果该最大值未超过步骤一中设定的检测阈值，则重复步骤二搜索下一颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，此时表示捕获不成功。

[0016] 上述步骤六所述二次采样随机共振步骤包括二次采样和随机共振步骤，即首先对保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使采样后信号的频率符合小参数随机共振的要求；然后让采样后的信号进入双稳随机共振系统，并进行共振输出。

[0017] 上述多普勒频移搜索范围最好为-10KHz～10KHz。

[0018] 上述多普勒频移搜索间隔最好为5000Hz，这样只需搜索4次即可搜完1颗GPS卫星的-10KHz～10KHz多普勒频移范围，从而大大缩短了搜索时间，提高了捕获效率。

[0019] 上述检测阈值最好介于3～7之间。

[0020] 上述双稳随机共振系统参数为a=1，b=1。

[0021] 上述卫星号变量的初值为1，最大值为30。

[0022] 本发明一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，包括如下模块：

[0023] 变频采样模块：对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样；

[0024] 本地伪码生成器：根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号；

[0025] 双块零拓展模块：分别对变频采样模块采样后的卫星信号和本地伪码生成器产生的本地伪码卫星信号进行双块零拓展；

[0026] 快速傅里叶变换循环卷积相关模块：对经双块零拓展模块输出的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算；

[0027] 取实部模块：对相关结果进行处理，并保存相关结果的实部信号；

[0028] 二次采样随机共振模块：对取实部模块保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使其通过双稳随机共振系统，并进行共振输出；

[0029] 傅里叶变换及取模模块：对二次采样随机共振模块输出的信号做傅里叶变换并取模；

[0030] MTM（最大相关值与相关均值的比值）阈值检测模块：对每颗卫星，在频率方向和码延时方向上寻找傅里叶变换及取模模块输出的最大值，即对每一颗卫星，首先寻找初始频率对应的取模后的最大值并保存；然后重复返回本地伪码生成器找出下一多普勒频率对应的取模后的最大值并保存，直到保存该颗卫星的所有频率对应的取模后的最大值；最后再从上述所有频率对应的取模后的最大值中找出一个最大值作为该颗卫星取模后的最大值；

[0031] 如果该颗卫星取模后的最大值大于预先设定的检测阈值，则该最大值所对应的频率和码延时即为要捕获的多普勒频率和码延时；如果该最大值未超过预先设定的检测阈值，则返回本地伪码生成器搜索下一颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，此时，表示捕获不成功。

[0032] 上述二次采样随机共振模块最好包括二次采样单元和随机共振单元，其中，二次采样单元对取实部模块保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使二次采样后信号的频率符合双稳随机共振的小参数信号要求；随机共振单元对二次采样后的信号进行共振输出。

[0033] 与现有技术相比，本发明在尽量短的时间内，最大限度地提高了GPS信号捕获灵敏度。该发明采用DBZP技术来减小相关功率损失；用FFT技术减少了做相关所需时间；利用非线性双稳随机共振系统的特性——强噪声干扰下的信号作用于双稳随机共振非线性系统时，信号和噪声在非线性系统的协同作用下，会发生噪声能量向信号能量的转移，产生类似于力学中的共振输出，从而极大地提高系统输出信噪比；捕获过程中引入了MTM（最大相关值与相关均值比值）阈值检测方法，提高了正确检测率。

附图说明

[0034] 图1为一种高灵敏度导航卫星信号捕获系统原理图。

具体实施方式

[0035] 一种高灵敏度导航卫星信号捕获方法，如图1所示，包括如下步骤：

[0036] 步骤一：对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样，并设定合适的多普勒频移变量初值及最大值，即设定多普勒频移搜索范围，同时设定多普勒频移搜索间隔、MTM（最大相关值与相关均值的比值）的检测阈值、双稳随机共振系统参数、卫星号变量初值及卫星号最大值。

[0037] 在本发明中，所述多普勒频移搜索范围为-10KHz～10KHz。所述多普勒频移的搜索间隔为5000Hz。所述检测阈值是指MTM的检测阈值，其中MTM表示最大相关值与相关均值的比值,若计算所得MTM值超过检测阈值BT，即认为信号被准确捕获，在本发明中，所述检测阈值BT设定为3～7之间。所述双稳随机共振系统参数a=1，b=1。根据目前GPS卫星的数目，在本发明中，所述卫星号变量的初值设定为1，最大值设定为30。

[0038] 从卫星发射的L1频段GPS模拟信号下变频和采样后的数字中频信号为[0039]

[0040] 式中，A为信号幅度，d(t)为导航数据信息，C(t)为C/A码，fd为多普勒频移,fL1为高频载波频率，fIF为中频载波频率，φ为初始相位，n(t)为加性高斯白噪声，tj为第j个采样时刻，τ为信号到达接收机的时延。

[0041] 步骤二：根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号。

[0042] 第k个时间段本地产生的伪码信号模型为

[0043]

[0044] 式中，sk(i)第k个时间段本地产生的伪码信号，C(t)为C/A码， 为多普勒频移估计值,fL1为高频载波频率，fIF为中频载波频率，ti=(k·N+i)Ts为i个采样时刻，为时延的估计值。

[0045] 步骤三：分别对采样后的卫星信号和本地伪码卫星信号进行双块零拓展。

[0046] 由于多普勒频移对码相位的影响因子为 当多普勒频移较大且积累时间较长时，造成码片速率发生较大变化，从而对码周期产生较大影响，直接对数字中频信号与本地信号做相关并进行差分累加，会造成相关峰值衰减较大，从而影响捕获灵敏度，DBZP技术可以改善相关过程中由大多普勒频移引起码片速率变化造成的相关功率损失。

[0047] 拓展后的中频采样GPS信号和本地产生的伪码GPS信号分别表示为

[0048]

[0049]

[0050] 式中，rk(i)为第k个相干时间段的数字中频信号；sk(i)第k个时间段本地产生的伪码信号。

[0051] 步骤四：对经双块零拓展后的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算。

[0052] 步骤五：对相关结果进行处理，并保存相关结果的实部信号。

[0053] 将式（4）、（5）中的对应块利用FFT循环卷积进行相关运算，有[0054]

[0055]

[0056] 式中 为 下的不同码时延的相关结果，Rc(△τ)为C/A码循环卷积相关值， 为残余多普勒频率偏差，Sa(x)=sin(x)/x，n(k)为积分后的噪声项，其方差为

[0057] 改写式（6），有

[0058]

[0059] 式中， 为处理后信号幅度，f=△fd为要搜索的残余多普勒频率偏差， 为第k段时间序列。

[0060] 步骤六：对相关结果的实部信号进行二次采样随机共振。在本发明中，所述二次采样随机共振步骤包括二次采样和随机共振步骤，即首先，对保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使采样后的信号频率符合小参数随机共振的要求，然后，让采样后的信号进入双稳随机共振系统，并进行共振输出。

[0061] 连续的双稳态随机共振一维动力学系统的Langevin方程模型为

[0062] dx/dt=ax-bx3+Acos(2πf0t)+n(t) （8）

[0063] 式中A为被检测弱周期信号幅度，f0为信号频率，n(t)是强度为D、均值为0、方差2
为1的白噪声，a、b为系统参数，x(t)为系统输出信号，双稳系统的势垒高度为△U=a/4b。

[0064] 由于双稳随机共振系统要求的驱动频率f0很低，被限制在小参数（频率、幅度、噪声强度均远小于1）范围内。而式（7）中信号的频率f=△fd较大，一般为[-10KHz-+10KHz]，远远超出小参数范围。

[0065] 采用二次采样随机共振理论将式（7）中的f转换到小参数范围内，设输入信号频率为f，采样频率为fs，二次采样频率为fsr，二次采样后信号频率为fr，定义fr/fsr=f′0/fs，则fr=(f/fs)fsr，其中fr的数量级应控制在绝热近似理论的小参数范围内。二次采样后，（7）式可写为

[0066]

[0067] 以式（9）中 为输入信号进入式（8）所表示的双稳态随机共振系统，有[0068]

[0069] 并利用四阶龙格-库塔方法求解方程（10），即

[0070]

[0071]

[0072]

[0073]

[0074]

[0075] 其中h=1/fsr为时间步长。

[0076] 步骤七：对步骤六中输出的信号做傅里叶变换并取模。

[0077] 对双稳随机共振输出做傅里叶变换并取模，有

[0078] u＝0，1…N-1 (16)

[0079] 式中，u为数字频率的序列号，为码延时。

[0080] 步骤八：对每一颗卫星，在频率方向和码延时方向上寻找步骤七中取模后的最大值：即对每一颗卫星，首先寻找初始频率对应的步骤七中取模后的最大值并保存；然后返回步骤二并找出下一多普勒频率对应的步骤七中取模后的最大值并保存；直到保存该颗卫星的所有频率对应的步骤七中取模后的最大值；最后再从上述所有频率对应的取模后的最大值中找出一个最大值作为该颗卫星取模后的最大值。

[0081] 之后，将该颗卫星取模后的最大值同步骤一中设定的检测阈值进行比较，如果该最大值大于步骤一中设定的检测阈值，则该最大值所对应的频率和码延时即为要捕获的多普勒频率和码延时；如果该最大值未超过步骤一中设定的检测阈值，则重复步骤二搜索下一颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，此时表示捕获不成功。

[0082] 上述过程即是，在u和 方向上中寻找式（16）中 的最大值 如果该值大于步骤一中设定的检测阈值，则u及 即为到要捕获的多普勒频率和码延时。

[0083] 采用上述方法所设计的高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，如图1所示，包括变频采样模块、本地伪码生成器、双块零拓展模块、快速傅里叶变换循环卷积相关模块、取实部模块、二次采样随机共振模块、傅里叶变换及取模模块和MTM（最大相关值与相关均值的比值）阈值检测模块。其中

[0084] 变频采样模块：对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样。

[0085] 本地伪码生成器：根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号。

[0086] 双块零拓展模块：分别对变频采样模块采样后的卫星信号和本地伪码生成器产生的本地伪码卫星信号进行双块零拓展。

[0087] 快速傅里叶变换循环卷积相关模块：对经双块零拓展模块输出的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算。

[0088] 取实部模块：对相关结果进行处理，并保留相关结果的实部信号。

[0089] 二次采样随机共振模块：对取实部模块保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使其通过双稳随机共振系统，并进行共振输出。本发明中所述二次采样随机共振模块包括二次采样单元和随机共振单元，其中二次采样单元对取实部模块保存的相关结果的实部信号进行二次采样，并使采样后信号频率符合双稳随机共振小参数信号的要求；随机共振单元对二次采样后的信号进行共振输出。

[0090] 傅里叶变换及取模模块：对二次采样随机共振模块输出的信号做傅里叶变换并取模。

[0091] MTM（最大相关值与相关均值的比值）阈值检测模块：对每颗卫星，在频率方向和码延时方向上寻找傅里叶变换及取模模块输出的最大值，即对每一颗卫星，首先寻找初始频率对应的取模后的最大值并保存；然后重复返回本地伪码生成器找出下一多普勒频率对应的取模后的最大值并保存，直到保存该颗卫星的所有频率对应的取模后的最大值；最后再从上述所有频率对应的取模后的最大值中找出一个最大值作为该颗卫星取模后的最大值。如果该颗卫星取模后的最大值大于预先设定的检测阈值，则该最大值所对应的频率和码延时即为要捕获的多普勒频率和码延时；如果该最大值未超过预先设定的检测阈值，则返回本地伪码生成器搜索下一颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，此时，表示捕获不成功。