高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法及裝置的製作方法
2023-12-03 23:20:51
專利名稱：高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明適用於弱導航衛星信號捕獲領域，具體涉及ー種高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法及裝置。
背景技術：
近年來,全球定位系統(Global Positioning System, GPS)已經得到越來越廣泛的應用。隨著這項定位技術發展的不斷深入，用戶對其使用要求也越來越高，無盲區、高靈敏度、實時定位與導航成為該技術發展的方向。然而，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，且大部分時間處於室內。由於受到的遮擋、多徑和幹擾等現象較嚴重，與普通環境相比，GPS信號在室內環境中，能量有更多的削弱和衰落，到達時間有更大的延遲，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的總體性能嚴重惡化。在室內等低信噪比環境下，對GPS接收機最先啟動的工作部分，即捕獲 功能模塊的性能指標提出了更高的要求，必須能夠快速高靈敏度捕獲低信噪比環境下的信號。但是，目前的GPS捕獲技術幾乎很難滿足這ー要求，現有的GPS接收機在室內等環境下很難工作。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，但均要求積累時間較長，無法滿足室內弱信號高靈敏度及實時捕獲的要求。如果GPS信號不能被快速高靈敏度捕獲到，那麼後續的所有功能都將受影響，比如跟蹤、導航電文提取、位置解算等。2011年04月《系統工程與電子技木》第33卷第4期中提出了一種「基於隨機共振的高靈敏度GPS信號捕獲算法」，該算法首先用部分匹配濾波器對GPS信號進行分段相關預處理，然後利用隨機共振提高預處理後信號的信噪比，實現在相對較短的相關累積時間內獲得較高的捕獲靈敏度。然而該算法在GPS信號都卜勒頻移較大且積累時間較長時，將造成碼片速率發生較大變化，從而對碼周期產生較大影響，當對數字中頻信號與本地信號做相關時，會造成相關峰值衰減較大，從而影響捕獲靈敏度；並且，上述算法中的部分匹配濾波是一小段一小段做相關，造成預處理過程耗時較大，難以達到快速高靈敏度GPS信號捕獲的要求。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法及裝置，該方法與裝置能夠有效減小大都卜勒頻率造成相關過程中相關功率的損失；利用非線性系統-雙穩隨機共振系統的特性，即在一定條件下，噪聲能量會向信號能量轉移的特性，最大限度地提高GPS信號捕獲靈敏度；並且可以極大限度地減小捕獲時間，為弱GPS信號的實時高靈敏度捕獲提供技術支持。為解決上述問題，本發明是通過以下方案實現的本發明ー種高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法，包括如下步驟步驟ー對導航衛星發射的衛星模擬信號進行下變頻及採樣，並設定合適的都卜勒頻移變量初值及最大值，即設定都卜勒頻移捜索範圍，同時設定都卜勒頻移捜索間隔、MTM (最大相關值與相關均值的比值)的檢測閾值、雙穩隨機共振系統參數、衛星號變量初值及衛星號最大值；步驟ニ 根據待搜索的導航衛星號及都卜勒頻率偏移產生本地偽碼衛星信號；步驟三分別對採樣後的衛星信號和本地偽碼衛星信號進行雙塊零拓展；步驟四對經雙塊零拓展後的衛星信號和本地偽碼衛星信號利用快速傅立葉變換循環卷積進行相關運算；步驟五對相關結果進行處理，並保存相關結果 的實部信號；步驟六對相關結果的實部信號進行二次採樣隨機共振；步驟七對步驟六中輸出的信號做傅立葉變換並取模；步驟八對每ー顆衛星，在頻率方向和碼延時方向上尋找步驟七中取模後的最大值；即對每ー顆衛星，首先尋找初始頻率對應的步驟七中取模後的最大值並保存；然後重複步驟ニ找出下一都卜勒頻率對應的步驟七中取模後的最大值並保存，直到保存該顆衛星的所有頻率對應的步驟七中取模後的最大值；最後再從上述所有頻率對應的取模後的最大值中找出ー個最大值作為該顆衛星取模後的最大值；之後，將該顆衛星取模後的最大值同步驟一中設定的檢測閾值進行比較，如果該最大值大於步驟一中設定的檢測閾值，則該最大值所對應的頻率和碼延時即為要捕獲的都卜勒頻率和碼延吋；如果該最大值未超過步驟一中設定的檢測閾值，則重複步驟ニ捜索下ー顆衛星，直到搜索完所有的衛星，則退出捕獲，此時表示捕獲不成功。上述步驟六所述二次採樣隨機共振步驟包括二次採樣和隨機共振步驟，即首先對保存的相關結果的實部信號進行二次採樣，使採樣後信號的頻率符合小參數隨機共振的要求；然後讓採樣後的信號進入雙穩隨機共振系統，並進行共振輸出。上述都卜勒頻移搜索範圍最好為-IOKHz IOKHz。上述都卜勒頻移捜索間隔最好為5000Hz，這樣只需搜索4次即可搜完I顆GPS衛星的-IOKHz IOKHz都卜勒頻移範圍，從而大大縮短了搜索時間，提高了捕獲效率。上述檢測閾值最好介於3 7之間。上述雙穩隨機共振系統參數為a = I, b = I。上述衛星號變量的初值為I，最大值為30。本發明ー種高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲裝置，包括如下模塊變頻採樣模塊對導航衛星發射的衛星模擬信號進行下變頻及採樣；本地偽碼生成器根據待搜索的導航衛星號及都卜勒頻率偏移產生本地偽碼衛星信號;雙塊零拓展模塊分別對變頻採樣模塊採樣後的衛星信號和本地偽碼生成器產生的本地偽碼衛星信號進行雙塊零拓展；快速傅立葉變換循環卷積相關模塊對經雙塊零拓展模塊輸出的衛星信號和本地偽碼衛星信號利用快速傅立葉變換循環卷積進行相關運算；取實部模塊對相關結果進行處理，並保存相關結果的實部信號；二次採樣隨機共振模塊對取實部模塊保存的相關結果的實部信號進行二次採樣，使其通過雙穩隨機共振系統，並進行共振輸出；
傅立葉變換及取模模塊對二次採樣隨機共振模塊輸出的信號做傅立葉變換並取摸；MTM (最大相關值與相關均值的比值)閾值檢測模塊對每顆衛星，在頻率方向和碼延時方向上尋找傅立葉變換及取模模塊輸出的最大值，即對每ー顆衛星，首先尋找初始頻率對應的取模後的最大值並保存；然後重複返回本地偽碼生成器找出下一都卜勒頻率對應的取模後的最大值並保存，直到保存該顆衛星的所有頻率對應的取模後的最大值；最後再從上述所有頻率對應的取模後的最大值中找出ー個最大值作為該顆衛星取模後的最大值；如果該顆衛星取模後的最大值大於預先設定的檢測閾值，則該最大值所對應的頻率和碼延時即為要捕獲的都卜勒頻率和碼延時；如果該最大值未超過預先設定的檢測閾值，則返回本地偽碼生成器捜索下ー顆衛星，直到搜索完所有的衛星，則退出捕獲，此時，表示捕獲不成功。上述二次採樣隨機共振模塊最好包括二次採樣單元和隨機共振単元，其中，二次 採樣單元對取實部模塊保存的相關結果的實部信號進行二次採樣，使二次採樣後信號的頻率符合雙穩隨機共振的小參數信號要求；隨機共振單元對二次採樣後的信號進行共振輸出。與現有技術相比，本發明在儘量短的時間內，最大限度地提高了 GPS信號捕獲靈敏度。該發明採用DBZP技術來減小相關功率損失；用FFT技術減少了做相關所需時間；利用非線性雙穩隨機共振系統的特性——強噪聲幹擾下的信號作用於雙穩隨機共振非線性系統時，信號和噪聲在非線性系統的協同作用下，會發生噪聲能量向信號能量的轉移，產生類似於力學中的共振輸出，從而極大地提高系統輸出信噪比；捕獲過程中引入了 MTM (最大相關值與相關均值比值)閾值檢測方法，提高了正確檢測率。
圖I為ー種高靈敏度導航衛星信號捕獲系統原理圖。
具體實施例方式一種高靈敏度導航衛星信號捕獲方法，如圖I所示，包括如下步驟步驟ー對導航衛星發射的衛星模擬信號進行下變頻及採樣，並設定合適的都卜勒頻移變量初值及最大值，即設定都卜勒頻移捜索範圍，同時設定都卜勒頻移捜索間隔、MTM (最大相關值與相關均值的比值)的檢測閾值、雙穩隨機共振系統參數、衛星號變量初值及衛星號最大值。在本發明中，所述都卜勒頻移搜索範圍為-IOKHz IOKHz。所述都卜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表示最大相關值與相關均值的比值，若計算所得MTM值超過檢測閾值Βτ，即認為信號被準確捕獲，在本發明中，所述檢測閾值Bt設定為3 7之間。所述雙穩隨機共振系統參數a = l，b = I。根據目前GPS衛星的數目，在本發明中，所述衛星號變量的初值設定為1，最大值設定為30。從衛星發射的LI頻段GPS模擬信號下變頻和採樣後的數字中頻信號為
權利要求
1.高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法，其特徵是包括如下步驟 步驟一對導航衛星發射的衛星模擬信號進行下變頻及採樣，並設定合適的都卜勒頻移變量初值及最大值，即設定都卜勒頻移搜索範圍，同時設定都卜勒頻移搜索間隔、最大相關值與相關均值的比值的檢測閾值、雙穩隨機共振系統參數、衛星號變量初值及衛星號最大值； 步驟二 根據待搜索的導航衛星號及都卜勒頻率偏移產生本地偽碼衛星信號； 步驟三分別對採樣後的衛星信號和本地偽碼衛星信號進行雙塊零拓展； 步驟四對經雙塊零拓展後的衛星信號和本地偽碼衛星信號利用快速傅立葉變換循環卷積進行相關運算； 步驟五對相關結果進行處理，並保留相關結果的實部信號； 步驟六對保存的相關結果的實部信號進行二次採樣隨機共振； 步驟七對步驟六中輸出的信號做傅立葉變換並取模； 步驟八對每一顆衛星，在頻率方向和碼延時方向上尋找步驟七中取模後的最大值；即對每一顆衛星，首先尋找初始頻率對應的步驟七中取模後的最大值並保存；然後重複步驟二找出下一都卜勒頻率對應的步驟七中取模後的最大值並保存，直到保存該顆衛星的所有頻率對應的步驟七中取模後的最大值；最後再從上述所有頻率對應的取模後的最大值中找出一個最大值作為該顆衛星取模後的最大值； 之後，將該顆衛星取模後的最大值同步驟一中設定的檢測閾值進行比較，如果該最大值大於步驟一中設定的檢測閾值，則該最大值所對應的頻率和碼延時即為要捕獲的都卜勒頻率和碼延時；如果該最大值未超過步驟一中設定的檢測閾值，則重複步驟二搜索下一顆衛星，直到搜索完所有的衛星，則退出捕獲，此時表示捕獲不成功。
2.根據權利要求I所述的高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法，其特徵是 步驟六所述二次採樣隨機共振步驟包括二次採樣步驟和隨機共振步驟，即首先，對保存的相關結果的實部信號進行二次採樣，使採樣後的信號頻率符合小參數隨機共振的要求，然後，讓採樣後的信號進入雙穩隨機共振系統，並進行隨機共振。
3.根據權利要求I或2所述高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法，其特徵是所述都卜勒頻移搜索範圍為-IOKHz IOKHz。
4.根據權利要求3所述高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法，其特徵是所述都卜勒頻移搜索間隔為5000Hz。
5.根據權利要求I或2所述高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法，其特徵是，所述檢測閾值介於3 7之間。
6.根據權利要求I或2所述高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法，其特徵是雙穩隨機共振系統參數初值為a = l,b= I。
7.根據權利要求I或2所述高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法，其特徵是衛星號變量的初值為I，最大值為30。
8.高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲裝置，其特徵是包括如下模塊 變頻採樣模塊對導航衛星發射的衛星模擬信號進行下變頻及採樣； 本地偽碼生成器根據待搜索的導航衛星號及都卜勒頻率偏移產生本地偽碼衛星信號;雙塊零拓展模塊分別對變頻採樣模塊採樣後的衛星信號和本地偽碼生成器產生的本地偽碼衛星信號進行雙塊零拓展； 快速傅立葉變換循環卷積相關模塊對經雙塊零拓展模塊輸出的衛星信號和本地偽碼衛星信號利用快速傅立葉變換循環卷積進行相關運算； 取實部模塊對相關結果進行處理，並保留相關結果的實部信號； 二次採樣隨機共振模塊對取實部模塊保存的相關結果的實部信號進行二次採樣，使其通過雙穩隨機共振系統,並進行共振輸出； 傅立葉變換及取模模塊對二次採樣隨機共振模塊輸出的信號做傅立葉變換並取模；最大相關值與相關均值的比值閾值檢測模塊對每顆衛星，在頻率方向和碼延時方向上尋找傅立葉變換及取模模塊輸出的最大值；如果該顆衛星取模後的最大值大於預先設定的檢測閾值，則該最大值所對應的頻率和碼延時即為要捕獲的都卜勒頻率和碼延時；如果該最大值未超過預先設定的檢測閾值，則返回本地偽碼生成器搜索下一顆衛星，直到搜索完所有的衛星，則退出捕獲，此時，表示捕獲不成功。
9.根據權利要求8所述的高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲裝置，其特徵是所述二次隨機共振模塊包括二次採樣單元和隨機共振單元，其中 二次採樣單元，對取實部模塊保存的相關結果的實部信號進行二次採樣，使採樣後信號頻率符合雙穩隨機共振小參數信號的要求； 隨機共振單元，對二次採樣後的信號進行共振輸出。
全文摘要
本發明所要解決的技術問題是提供一種高靈敏度導航衛星信號非線性捕獲方法及裝置，該方法與裝置採用DBZP技術來減小相關功率損失；用FFT技術減少了做相關所需時間；利用非線性雙穩隨機共振系統的特性來提高系統輸出信噪比；捕獲過程中引入了MTM(最大相關值與相關均值比值)閾值檢測方法，提高了正確檢測率。本發明能夠最大限度地提高GPS信號捕獲靈敏度；並且可以極大限度地減小捕獲時間，為弱GPS信號的實時高靈敏度捕獲提供技術支持。
文檔編號G01S19/30GK102680988SQ20121016239
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月23日 優先權日2012年5月23日
發明者張彤, 張順嵐, 歐陽寧, 莫建文, 袁華, 陳利霞, 首照宇 申請人:桂林電子科技大學