[发明专利]一种针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎

说明书

技术领域

本发明涉及电子行业数字信号处理领域，尤其涉及一种针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎。 

背景技术

目前，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System，简称GNSS)信号大多采用码分多址(Code Division Multiple Access)体制，该信号体制有三方面的作用，一方面因为是通过码分多址所以为多颗卫星提供了频率复用，第二扩频码码相位为测距提供了测距观测量，第三方面扩频码的频谱扩展和解扩处理提供了较高的处理增益，使得微弱信号检测和处理成为可能。卫星接收机为了实现定位和导航，必须实现信号捕获、信号跟踪、载波和伪码同步、导航电文解调、定位解算等一系列信号处理流程，其中第一步也是最关键的一步是实现信号捕获，因为只有实现了信号捕获，才能进行后续的信号处理流程。 

就CDMA系统来说，不同信号源发射的信号通过不同的伪随机码区分开。一般说来，CDMA系统可以共享相同的载波频率和时间。所有的CDMA系统都存在信号捕获问题。这个问题的提出有以下几个原因： 

原因1，由于CDMA系统所有信源共用相同的载波频率和信道时间，所以来自于所有可能的信号源的信号无可避免地在接收机的天线处混合在一起，接收机在上电伊始对当前天线接收到的信号来自哪些信号源一无所知。这个问题在卫星导航系统尤其重要，由于卫星导航信号一般都调制在L波段上，因此接收机只能接收处于天线视距可见(Line-of-Sight)的天空的卫星信号，当卫星运行到地球背面的时候接收机不可能接收到其发射的信号； 

原因2，伪随机码的引入使信号频谱展宽，相应地信号的功率就可以降到很低的水平。在卫星导航信号的情况下，由于长距离信号传输带来的距离衰减，接收到的信号电平往往要比背景噪声电平还要低很多，通俗的 说，就是信号被噪声“淹没”，在这种情况下，就必须通过信号捕获将微弱信号从噪声中提取出来； 

原因3，根据CDMA信号的特点，必须利用伪随机码的强自相关性才能实现信号的跟踪和数据的解调，但问题是必须先找到了正确的伪随机码相位才能利用其强自相关函数，而接收机上电时刻的随机性决定了其接收到的信号的相位随机性。所以必须由信号捕获告知某信号的伪随机码相位。 

卫星在空间处于高速飞行状态，以GPS卫星为例，其飞行速度高达3.87km／s，由于卫星的高速运动使得传输到地球的信号载波产生多普勒频移，理论计算表明地球表面的接收机和卫星之间相对运动的最大径向速度分量约是929m／s，随之导致的多普勒频移是4.9KHz。同时接收机自身的RF时钟晶振的偏差也会使接收到的信号载频偏移理论值。理论计算表明，在L1的载频上1ppm的晶振偏差能使接收到的GPS信号产生1.57KHz的载频偏差。这两者因素都会使得接受到的卫星导航信号在载波频率方向上有很大的不确定度，因此也必须要经过信号捕获才能得到正确的载波频率估计值。 

综合考虑这些因素，可以认为接收机天线最终接收到的卫星导航信号不仅在伪码相位上存在模糊，而且在载波频率上也具有一定量的模糊度，为了实现对信号稳定的跟踪就必须同时解决伪码相位模糊和载波频率模糊的问题。所以信号捕获可以认为是一个二维的搜索，第一维是从伪码相位的方向，第二维是从多普勒频移的方向。 

从伪码相位方向的搜索，首先需要产生本地伪码，通过设置不同的本地伪码相位，将本地伪码和输入信号做相关。利用伪码的强自相关性，只有在本地码和信号的伪码相位对齐的情况下才能产生很强的相关值，一旦某一个伪码相位对应的相关值超过了预定的门限值，就可以认为找到了正确的本地伪码相位。相关理论分析和仿真表明，自相关尖峰的位置对相位很敏感，相位差超过一个码片就会很快失去这个尖峰，所以一旦出现很高 的相关尖峰就可以认为输入信号的伪码相位和本地伪码相位之差已经在一个码片以内。 

从多普勒频移的方向的搜索，是通过产生本地载波，并调节本地载波的值和输入信号相乘，如果本地载波和输入信号的载波很接近的话，输入信号中的高频载波分量就会被去除。由于事先对输入信号的可能的载波频率值无法知道，所以是通过设置不同的本地载波的值来尝试。频率步长的选取是基于搜索灵敏度和搜索效率的折衷：对于一定的频率模糊区间，小的频率步长增加待搜索的频率井(Frequency Bin)的数目，从而直接增大覆盖全部频率模糊区间所需的工作量，结果就是增加了搜索的时间，但其好处就是使得搜索的灵敏度提高。