[发明专利]一种高灵敏度卫星导航信号捕获方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航信号捕获研究领域，特别涉及一种高灵敏度卫星导航信号捕获方法及系统。

背景技术

全球定位系统(Global Positioning System，GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军在海军卫星导航系统的基础上联合研制的全球卫星导航定位系统，它由空间段、地面控制段和用户段三部分构成。GPS系统在民用领域也获得广泛应用，已经发展为多领域、多模式、多用途、多机型的国际性高新技术产业。美国GPS系统是全球广泛应用的卫星导航与定位系统。目前，能与GPS系统进入竞争领域的分别有俄罗斯的GLONASS系统、欧洲的“伽利略”系统和中国的北斗(COMPASS)系统。

卫星导航接收机的工作过程是：卫星发射的射频信号(RF)通过天线接收下来，通过一个无源的带通滤波器滤波，以减小带外射频干扰，接着预放大，射频信号下变频到中频(IF)，再用模数(A/D)变换器对(IF)信号采样和数字化，得到数字中频信号(或数字基带信号)，再送入数字基带处理器(Digital Base-bandProcessor)进行处理，主要是对信号进行捕获、跟踪、解调，再作导航解算，伪距计算等，数字基带处理器是卫星信号接收机的核心。

其中对数字基带信号进行处理，首先要进行信号的捕获，其目的是确定一个卫星是否在接收机的可见范围内，如果卫星可见，捕获过程要完成两个参数的捕获：码相位和载波频率，这其实是一个二维搜索过程。卫星信号捕获就是在频率和PRN码方向上进行二维搜索得到粗略的载波频率和码相位的过程。捕获是卫星信号接收机中的一个关键组成部分。

目前常用的伪码捕获方法主要有发射参考信号法、序贯相关法、匹配滤波器法、滑动相关法等。发射参考信号法就是把调制了数据的扩频信号和没有数据调制的数据信号发射出去，在接收端直接用这两部分进行解扩，该方法对多普勒频移的影响不敏感，但系统的抗干扰性和对噪声抑制能力很差。序贯相关法是一种能减少长码捕获时间的快速捕获方法，但它先要对外来的PRN码进行检测后才能注入移位寄存器，这点比较困难。匹配滤波器法优点在于实时性，可以实现快速同步。但是对于长码快速捕获的匹配滤波器在现有工艺条件下硬件实现比较困难。

在各种扩频系统中，滑动相关法使用最为广泛。因为该方法实现简单，而且不需要任何先验信息。滑动相关法主要包括时域滑动相关法和频域滑动相关法。时域滑动相关法采用接收信号和本地信号在时间域进行多级相关积分，经过多级的相关积分，信号强度得到大幅提升，从而得到相关峰值。该算法实现比较简单，但是捕获过程耗时较长。频域滑动相关法的典型代表是Vanne等提出基于快速傅立叶变换(FFT)的PRN码捕获方法。该算法利用两次FFT和一次逆傅立叶变换(IFFT)运算计算接收信号和参考信号的相关峰值，从而确定多普勒频偏和PRN码相位。这种算法要进行大点数的FFT运算，尤其是点数不为2的幂次方时，运算量比较大，对系统硬件资源要求较高。

导航信号接收技术如今在室内、高楼林立的城市街道和多层停车场等严重信号衰落环境下的应用需求越来越多。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，需要在室内、高楼之间、地下停车场、高架道路等微弱信号环境中完成定位，在城市郊区和列车定位的控制应用中，由于存在山体、建筑、树木、隧道等障碍物，卫星导航信号受遮挡、多径效应等影响，信号非常微弱，衰减严重。这些都给卫星信号接收技术带来了挑战。在这些条件下普通接收机由于灵敏度的限制已无法使用。为了在微弱信号条件下正常接收卫星导航信号，接收机需要增加信号能量累加时间，提高信噪比。提高相关器输出的信噪比，是实现微弱信号同步的唯一途径。这意味着，不仅需要长时间积分和更为准确的频偏估计，而且也需要增加硬件相关器的规模。现行的许多积分方法均可统一为相干积分与非相干积分两种方法的结合，区别在于相干积分的时间长度和非相干积分的次数。

相干积分时间越长，相干增益越大，但相干积分长度也不是无限度的，它会受到多普勒频移、导航数据比特宽度和计算量等的限制。长时间相干积分的另一个问题是积分累加处理过程可能存在跨越导航电文数据位的问题。如果积分时间内数据位发生跳变，将导致所处理数据信息的抵消，相干积分值反而降低。非相干积分不受符号跳变和载波多普勒的影响，可以在多个导航电文数据位上进行能量累加。但是非相干积分的长度受码多普勒的限制，而且随着非相干累加次数增加，能量增加的效果不明显。

发明内容