一种惯导系统辅助的高动态微弱信号GPS捕获方法技术方案

一种惯导系统辅助的高动态微弱信号GPS捕获方法，它有五大步骤：一、对比相干、非相干以及差分相干累积捕获性能，选取累积方式进行组合，加强信号能量累积；二、对输入中频信号进行相干累积，并利用惯导系统和卫星星历对接收信号的多普勒参数及码相位进行估算，以压缩频率及相位搜索空间；三、对多普勒参数及码相位估算值进行卡尔曼滤波平滑，并利用平滑结果计算本地信号与接收信号的动态频率/相位偏移量；四、采用循环平移算法补偿相干累积输出矩阵的动态偏移量；五、对补偿后的输出矩阵进行非相干累积，将输出结果与门限比较，完成捕获判决。本发明专利技术改善了GPS信号捕获的动态容忍性能，实现了高动态环境中GPS信号的高灵敏度捕获。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种惯导系统辅助的高动态微弱信号全球定位系统（GPS，Global PositioningSystem)捕获方法，属于导航
二、
技术介绍
GPS接收机对接收信号的处理包括捕获、跟踪、导航电文提取及导航解算等过程， 信号捕获是首要也是关键的一步。随着GPS应用环境的复杂化，对高动态、高灵敏度GPS信 号捕获技术的需求不断提升，其典型应用为地球同步轨道卫星、高轨卫星的自主定轨。高灵 敏度捕获技术一般通过延长信号累积时间以获得高载噪比增益，但是在高动态环境中，载 体速度及加速度变化范围较大，加剧了多普勒频移及多普勒频移率的不确定性，导致本地 信号与接收信号的频率/相位匹配误差随着累积时间的延长而不断增大，降低了信号的检 测性能。因此，高动态、高灵敏度信号捕获技术必须在提高载噪比增益的同时进行多普勒补 偿。 为了在低载噪比环境下保持GPS信号捕获的灵敏度，需要通过相干累积获得增 益以增加后处理载噪比，减弱噪声损耗。相干累积算法（COH,CoherentIntegration) 利用了累积周期内信号的相关性，通过直接累积本地信号与接收信号的相关输出，减小 信号功率损耗，提高捕获增益，但是由于处理过程中保留了相位信息，累积时长将受到比 特翻转的限制。因此，为了延长累积时间以提高信号处理增益，通常采用能量累积算法 进一步累积信号，例如非相干累积（NCH，Non-CoherentIntegration)和差分相干累积 (DFC,DifferentialCoherentIntegration)等算法。非相干算法将信号相关结果平方后 再累积，通过包络检波减小了由导航电文和残留载波多普勒频移带来的相位偏移，但由于 噪声也被平方，导致处理增益存在平方损耗；差分相干算法是将相邻时刻的相关结果共辄 相乘并累积，由于噪声在累积时间内相关性较弱，噪声能量不随累积时间累积，故差分相干 抗干扰能力较强；但当累积时间较长时，将导致累积结果正负抵消衰减为零，因此，差分相 干仅适用于累积时间较短的情况。 而针对高动态环境下的信号捕获问题，通常采取的解决方案包括基于快速傅里叶 变换（FFT,FastFourierTransform)的频移捕获算法、基于序列估计的捕获算法、部分匹 配滤波算法以及惯导系统辅助的捕获算法等。基于FFT的捕获法可搜索大范围多普勒频 移，但由于FFT运算量庞大，捕获效率低下；基于序列估计的捕获法为了准确估计码序列 需要足够长的观测时间，不利于信号的快速捕获；部分匹配滤波法将信号分段相关后进行 FFT运算，虽然降低了频域运算量，但将导致相关器输出载噪比的衰落；惯导辅助的捕获法 利用惯导输出的位置、速度信息与卫星星历，估算接收信号的多普勒频移，预先求取捕获的 频率搜索范围，缩短了信号的捕获时间，但是在高动态、低载噪比环境下，载体与卫星间相 对加速度引起的多普勒频移率较大，本地信号与接收信号偏移量不断扩大，使得惯导辅助 的捕获法难以对信号进行长时间相干累积，导致捕获灵敏度大幅衰减。 为了满足高动态微弱信号的捕获要求，本专利技术提出了一种惯导系统辅助的高动态 微弱信号GPS捕获方法。 三、
技术实现思路
针对现有技术中存在的问题，本专利技术提出了一种惯导系统辅助的高动态微弱信号 GPS捕获方法。它采用了相干/非相干组合累积方式以提高微弱信号在高动态环境中的载 噪比处理增益；同时通过惯导系统和卫星星历信息估算信号的多普勒参数和码相位，以缩 小搜索空间，提高捕获速度；利用滤波算法平滑多普勒参数和码相位估算值，并通过循环频 移算法校正本地信号与接收信号之间的频率/相位动态偏移量，以增强信号捕获的动态性 能和快速反应能力，从而实现高动态环境中GPS信号的高灵敏度捕获。 本专利技术一种惯导系统辅助的高动态微弱信号GPS捕获方法，具体包括以下步骤： 步骤一：对比相干、非相干以及差分相干累积捕获性能，选取累积方式进行组合， 加强信号能量累积；a.相干累积捕获性能L1波段接收信号经过射频前端下变频及模数转换后得到数字中频信号，以采样频 率fs= 1/T3进行采样，得到nTs时刻采样信号4以及本地相关信号模型分别为 式中，下标η表示当前采样点；上标r表示采样信号，上标1表示本地信号；C( ·) 为粗捕获（C/A，Coarse/Acquisition)码序列；D( ·)为导航数据；fIF为载波中频频率；τ 和f分别为采样信号的真实码相位传播延迟以及本地信号的码相位估计值；心和1分别为 采样信号的真实多普勒频移和本地信号多普勒频移估计值；和分别为采样信号初始 载波相位和本地信号初始载波相位估计值；多普勒频移fd同时使C/A码速率产生偏移，偏 移因子々=;WnS高斯白噪声。 Jli 假设由载体与GPS卫星相对加速度引起的多普勒频移率为&，则真实多普勒频移 与多普勒频移估算值之间的关系为(3) 式中，Af。为初始多普勒频移估计偏移量。 将采样信号与本地信号进行相关运算，则有 进一步，假设相干累积时间为TOTh，对式（4)中的相关结果号进行相干累积，则其 输出检测量为 式中，N=TOTh/Ts，表示相干累积的采样点数。 由式（5)可知，当不存在多普勒频移率，即/)=〇时，相干累积输出量可简化为 此时，信号检测量的幅值仅由载波频率误差Af。和码相位误差△τ两个变量决 定，当Af。和△τ均为零时，表示本地信号与接收信号的频率和相位均已对齐，此时输出 检测量Ze()H即为捕获的相关峰。 而当多普勒频移率尤#0时，根据式（5)可知，exp几#化7；)2]的累积结果可表示 为sine函数，即Z-将沿着sine函数主峰的下降梯度衰减。为了定量说明尤对检测量ZraH 幅值的损耗程度，将其定义为多普勒频移率损耗因子,0^/0,其中T为信号累积时间。对 比式（5)和式（6)可知，相干累积算法的多普勒频移率损耗因子《/尤,2；,,)为(7)由于表现为Sine函数，因此多普勒频移率尤越大，幅度越 小；同时随着累积时间Trah的延长，幅度将进一步减小，导致信号累积能量的加 速衰减。因此，为了在高动态环境中实现高灵敏度捕获，必须限制相干累积时间并进行多普 勒频移率的补偿。 b.非相干、差分相干捕获性能 根据式（5)，可得相干累积后的同相、正交支路信号1,和Qk分别为 Ik= AR η(Δ τ)sine(π Δ f0Tcoh)·cos(π Δ f0(N~l) Ts+ Aφn)(8)Qk=AR n(Δ τ)sine(jtΔ f0Tcoh)·sin(πΔ f0 (N-l) Ts+ Δφn) (9) 而非相干和差分相干累积后得到的检测量可分别表示为 ?·=2· 、 .乂 式中，ZNeH，ZDrc分别为非相干、差分相干输出矩阵；TNeH和TDFe分别为非相干和差分 相干的累积周期。将式⑶和式（9)分别代入式（10)和式（11)，得到非相干和差分相干的多普勒频 移率衰减因子分别为 在低动态环境中，非相干和差分相干的累积增益包括相干增益及非相干或差分相 干损耗；但是在高动态环境中，由于多普勒频移率的存在，本地信号与接收信号的频率/相 位偏移量随着累积时间的延长不断增大，导致相应累积增益的衰落。因此，高动态累积增益 的计算模型需引入多普勒频移率损耗本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯导系统辅助的高动态微弱信号GPS捕获方法，其特征在于：它具体包括以下步骤：步骤一：对比相干、非相干以及差分相干累积捕获性能，选取累积方式进行组合，加强信号能量累积；a.相干累积捕获性能L1波段接收信号经过射频前端下变频及模数转换后得到数字中频信号，以采样频率fs＝1/Ts进行采样，得到nTs时刻采样信号以及本地相关信号模型分别为snr=ACn((1+η)(nTs-τ))Dn(nTs)exp(2π(fIF+fd)nTs+φ0)+Wn---(1)]]>snl=Cn((1+η)(nTs-τ^))exp(2π(fIF+f^)nTs+φ^0)---(2)]]>式中，下标n表示当前采样点；上标r表示采样信号，上标l表示本地信号；C(·)为粗捕获码序列；D(·)为导航数据；fIF为载波中频频率；τ和分别为采样信号的真实码相位传播延迟以及本地信号的码相位估计值；fd和分别为采样信号的真实多普勒频移和本地信号多普勒频移估计值；φ0和分别为采样信号初始载波相位和本地信号初始载波相位估计值；多普勒频移fd同时使C/A码速率产生偏移，偏移因子Wn为高斯白噪声；假设由载体与GPS卫星相对加速度引起的多普勒频移率为则真实多普勒频移与多普勒频移估算值之间的关系为fd-f^d=Δf0+f·d·nTs/2---(3)]]>式中，Δf0为初始多普勒频移估计偏移量；将采样信号与本地信号进行相关运算，则有snr·snl=ARn(τ-τ^)exp j(2π(fd-f^d)nTs+φn-φ^n)=ARn(Δτ)exp j(2π(Δf0+f·d·nTs/2)nTs+Δφn)=ARn(Δτ)exp j(Δφn)exp j(2πΔf0nTs)exp j[πf·d(nTs)2]---(4)]]>进一步，假设相干累积时间为Tcoh，对式(4)中的相关结果号进行相干累积，则其输出检测量为ZCOH=Σn=0N-1ARn(Δτ)exp j(Δφn)exp j(2πΔf0nTs)exp j[πf·d(nTs)2]=ARn(Δτ)N sin c(πΔf0Tcoh)exp(πΔf0(N-1)Ts+Δφn)Σn=0N-1exp j[πf·d(nTs)2]---(5)]]>式中，N＝Tcoh/Ts，表示相干累积的采样点数；由式(5)知，当不存在多普勒频移率，即时，相干累积输出量简化为ZCOH=Σn=0N-1ARn(Δτ)exp j(Δφn)exp j(2πΔf0nTs)=ARn(Δτ)N sin c(πΔf0Tcoh)exp(πΔf0(N-1)Ts+Δφn)---(6)]]>此时，信号检测量的幅值仅由载波频率误差Δf0和码相位误差Δτ两个变量决定，当Δf0和Δτ均为零时，表示本地信号与接收信号的频率和相位均已对齐，此时输出检测量ZCOH即为捕获的相关峰；而当多普勒频移率时，根据式(5)知，的累积结果表示为sinc函数，即ZCOH将沿着sinc函数主峰的下降梯度衰减；为了定量说明对检测量ZCOH幅值的损耗程度，将其定义为多普勒频移率损耗因子其中T为信号累积时间；对比式(5)和式(6)知，相干累积算法的多普勒频移率损耗因子为αd(f·d,Tcoh)=Σn=0N-1exp j[πf·d(nTs)2]---(7)]]>由于表现为sinc函数，因此多普勒频移率越大，幅度越小；同时随着累积时间Tcoh的延长，幅度将进一步减小，导致信号累积能量的加速衰减，因此，为了在高动态环境中实现高灵敏度捕获，必须限制相干累积时间并进行多普勒频移率的补偿；b.非相干、差分相干捕获性能根据式(5)，得相干累积后的同相、正交支路信号Ik和Qk分别为Ik＝ARn(Δτ)sinc(πΔf0Tcoh)·cos(πΔf0(N‑1)Ts+Δφn)         (8)Qk＝ARn(Δτ)...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王新龙，孙兆妍，车欢，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11