[发明专利]高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法及装置

说明书

技术领域

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

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。

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

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。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

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：

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；

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，并保存相关结果的实部信号；

步骤六：对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；然后重复步骤二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。

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。

上述多普勒频移搜索范围最好为-10KHz～10KHz。