CN108132474A - 一种克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法。本发明通过非相干信号剔除机制，消除较强的伪卫星信号对相对较弱伪卫星信号的干扰的可能性，使得弱伪卫星信号能够得以捕获和跟踪。本发明能够有效检测出弱伪卫星信号，提高了弱信号的检测概率，提高了接收机的灵敏度，可用于解决采用TDMA‑CDMA调制的伪卫星信号之间的远近干扰问题。

Description

一种克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法

技术领域

本发明涉及卫星信号检测技术领域，具体涉及一种克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法。

背景技术

地基伪卫星在提高GNSS系统定位性能方面发挥了重大的作用，甚至在一些GNSS导航信号失效的地方比如城市峡谷、隧道、地下停车场等场合地基伪卫星完全可实现独立定位，具有较好的发展前景。基于地基伪卫星独立定位系统，接收机与伪卫星距离较近，由信号功率的链路方程可知，接收机收到的伪卫星信号强度会随着用户位置变化而剧烈变化。在近场区域，接收机的位置移动会造成不同基站的信号到达接收机的功率差异很大，伪卫星信号之间的互相关干扰变得比较严重，在伪卫星数量较少的情况下，这极大地影响了伪卫星信号的定位性能，因此对接收机来说能够检测且成功捕获到弱信号显得尤为重要。

在解决远近效应问题上，主要是从接收机设计和信号体制两方面来探索。在接收机设计方面首先要求接收机有更大的动态接收范围，假设接收机距伪卫星的最小距离为50m左右，最大距离约为50km，则信号功率变化范围大概为60dB，伪卫星接收机设计必须能容忍这一功率差。在信号体制设计方面，目前地基增强信号体制普遍采用一种时分的脉冲调制方案，这在一定程度上降低了伪卫星信号对传统导航信号的干扰，但是在接收机内部如何隔离具有最大60dB功率差的地基伪卫星信号还是个问题。在一些伪卫星定位系统如LOCATA系统中，发端信号采用TH/DS-CDMA信号，信号除了使用CDMA、TDMA调制之外，还引入了跳时脉冲序列来控制各LocataLite发射信号的占空比，以此来对抗远近效应，这无疑提高了系统的复杂度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法，能够有效检测出弱伪卫星信号，提高了弱信号的检测概率，提高了接收机的灵敏度，同时扩大了接收机动态容忍范围，可用于解决采用TDMA-CDMA调制的伪卫星信号之间的远近干扰问题。

本发明的克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法，包括如下步骤：

步骤1，接收机各信号通道根据预存的伪卫星采样信号对接收信号进行捕获；若捕获成功则对捕获到的伪卫星信号进行跟踪环路处理，并关闭该捕获信号对应的信号通道，执行步骤3；若捕获不成功则执行步骤2；

步骤2，接收机的各未捕获的信号通道将其预存的伪卫星采样信号中剔除已捕获伪卫星的信号信息，根据剔除已捕获伪卫星信号信息的采样信号，对接收信号进行捕获，比较各未捕获的信号通道的捕获相关峰大小，对最大捕获相关峰值进行SNR判决，若最大捕获相关峰值大于或等于设定的SNR阈值，则认为最大捕获相关峰值对应的信号通道成功捕获到伪卫星信号，对捕获到的伪卫星信号进行跟踪环路处理，并关闭该信号通道，执行步骤3；若小于设定SNR阈值，则重复步骤2进行重新捕获；

步骤3，接收机实时判断当前已捕获的伪卫星信号个数，若当前已捕获伪卫星信号个数未达到设定要求，则返回步骤2，若达到设定要求，则停止捕获，完成信号检测。

进一步的，所述步骤1中，预存的伪卫星采样信号包含所有时隙，伪卫星采样信号的长度为伪卫星信号发射周期加一个时隙的长度。

进一步的，所述步骤2中，从预存的伪卫星采样信号中剔除已捕获信号信息的方法为：根据所有已捕获伪卫星信号的位置坐标和脉冲持续长度，在预存的伪卫星采样信号中将已捕获伪卫星信号对应位置置零。

进一步的，已捕获伪卫星信号的位置坐标和脉冲持续长度获取方法如下：

信号捕获成功后，转入跟踪环路处理阶段，通过码环对捕获到的伪卫星信号进行相位检测，不断调整本地伪码，使之与接收信号伪码对齐；根据码发生器的调节信息，得到该捕获到的伪卫星信号在整周期采样信号中的位置坐标及脉冲持续长度。

进一步的，所述步骤2中，在对捕获到的信号进行跟踪环路处理时，首先剔除接收信号中其他已捕获信号的信息，然后将剔除后的伪卫星信号与本地伪码做相关，获得该捕获信号的位置坐标和脉冲持续长度。

有益效果：

本发明通过非相干信号剔除机制，消除较强的伪卫星信号对相对较弱伪卫星信号的干扰的可能性，使得弱伪卫星信号能够得以捕获和跟踪。本发明方法能够有效提高弱信号的检测概率，提高接收机的灵敏度。

附图说明

图1为本发明非相干信号剔除机制流程图。

图2为伪卫星信号到达接收机的信号功率及位置分布图。

图3为时分伪卫星导航信号检测流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法，在接收机基带信号处理部分，基于FPGA的数字信号处理能力，采用一种非相干信号剔除机制，在充分利用捕获和跟踪所输出的信息的基础上，通过FPGA内部寄存器的控制对已捕获伪卫星信号的时隙位置进行判断，并在其他伪卫星接收通道中将其置零剔除，从而消除较强伪卫星信号对相对较弱伪卫星信号的干扰的可能性，使得弱伪卫星信号能够得以捕获和跟踪，有效解决了时分地基增强信号远近效应带来的互相关干扰，导致弱伪卫星信号无法有效捕获的问题。

本发明的非相干信号剔除机制的实现主要包括五个部分：强功率信号的检测、捕获判决及位置参数输出、跟踪环路反馈调节及位置更新、关闭已检测伪卫星捕获模块、已检测伪卫星信号的剔除。

1、强功率信号的检测

在接收机内部，预存储一段包含所有时隙的采样信号，采样信号的长度为伪卫星信号发射周期加一个时隙的长度，将这段采样信号送给各个未检测到伪卫星信号的信号接收通道进行捕获，输出各自的伪码相位、载波频率及捕获相关峰等信息。将伪码相位转换为该伪卫星信号在这段采样信号中出现的位置坐标，伪卫星信号脉冲持续长度初始值设为一个时隙长。

若直接捕获成功，则对捕获信号进行跟踪环路处理，并关闭该信号对应的信号通道；若捕获不成功或已捕获的信号个数未达到设定要求，则比较各未捕获的信号通道输出的捕获相关峰的大小并找出最大值，最大相关峰值对应的就是未检测伪卫星信号中功率强的伪卫星信号。

2、捕获判决及位置参数输出

对检测到的功率最强伪卫星信号的捕获相关峰进行SNR(信噪比)判决，若捕获相关峰大于或等于所设置的信噪比门限V_th，则认为捕获成功，将该信号捕获结果位置坐标、脉冲持续时长、载波频率参数输出；若小于V_th或者捕获的伪卫星个数未达到要求，则重新捕获，继续进行第1部分的强功率信号的检测。

3、跟踪环路反馈调节及位置更新

若第2部分检测到的强信号捕获判决成功，则该信号转入跟踪环路处理阶段，通过码环对接收到的该伪卫星信号进行相位检测，不断调整本地伪码，使之与接收信号伪码对齐。根据码发生器的调节信息，得到该伪卫星信号在整周期采样信号中的位置更新坐标及脉冲持续长度。

4、关闭已检测伪卫星捕获模块

所有的伪卫星信号是串行检测出来的，在已成功检测某个伪卫星信号之后，下一轮检测应该将此伪卫星捕获模块关闭，直至已检测到所需卫星数目，停止所有通道的捕获模块运行。关闭不必要的伪卫星捕获运算可以降低系统的功耗。

5、已检测伪卫星信号的剔除

在开启新一轮信号检测之前，根据所有已检测伪卫星信号的位置坐标、持续时长等信息，在预存储的一段采样信号中将已检测伪卫星信号剔除置零，以避免强信号对弱信号检测带来干扰。

此外，由于相邻伪卫星信号之间可能会存在重叠现象，尤其是功率相差较大的两个信号发生重叠之后，相对较弱的信号在跟踪阶段做相关积分运算时，会存在较大误差，继而影响了环路鉴相器的正确输出。因此，在环路跟踪阶段做相关积分运算时，依然可以利用该非相干信号剔除机制将其他无关信号剔除以获得一个干净的伪卫星信号与本地伪码做相关，消除相邻信号的互相关干扰。

下面结合具体数据进行说明：

假设伪卫星信号占空比为0.1，发射周期为1ms，因此每个时隙长度为0.1ms，假设有5颗伪卫星来发射TDMA-CDMA导航信号，分别占据第1～5的时隙。由于远近效应的影响，各伪卫星信号到达接收机的信号功率差距较大且相邻信号之间很可能发生重叠现象，设发端信号到达接收机的信号功率及位置如图2所示：

由于接收机与发射机时钟不同步以及信号传输时延的变化，接收机内部计数器所标称的信号周期会与发端信号周期不吻合，因此各伪卫星在一个信号周期内的码相位位置会发生变化，初期伪卫星码相位靠捕获来获取，脉冲宽度默认为一个时隙长。转跟踪之后各伪卫星会根据码NCO的调节来更新码相位起始点，脉冲宽度也可以从码NCO电路中获得。

以检测图2中的四颗伪卫星信号为例，时分伪卫星导航信号检测流程图如图3所示，在图中，N＝5。

S1，预存储整周期加1个时隙长的接收采样信号，将这段采样信号送到各个未检测伪卫星接收通道中。

S2，启动各个未检测伪卫星通道的捕获模块，输出位置坐标、载波频率、捕获相关峰等参数信息。

S3，比较第2步输出的捕获相关峰，获取最大相关峰值所对应的那个通道输出参数信息，并进行捕获判决。

S4，若判决成功，则启动该伪卫星通道的跟踪模块，且不断更新该伪卫星信号在整周期采样信号中的位置坐标及脉冲持续时长。若判决失败，返回步骤1。

S5，重新存储一段整周期加1个时隙长的接收采样信号，根据之前所有已检测伪卫星信号的位置坐标和持续时长，在它出现的地方置零剔除。

S6，运行S2～S5，直至四颗伪卫星都已检测到。

S7，关闭所有伪卫星接收通道的捕获模块。

根据图2中发端信号初始到达接收机的功率分布可以看出，接收机检测到伪卫星的先后顺序为2号、5号、3号、1号。整个检测流程所需时间至少为4倍的单次检测时长。随着接收机位置的移动，各伪卫星到达接收机的信号功率也在变化，强弱顺序发生改变，但已经拥有已检测伪卫星信号的位置、长度等先验信息，故如果伪卫星信号在跟踪过程中发生失锁，重捕的过程依然可以采用这种非相干信号的剔除机制。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，接收机各信号通道根据预存的伪卫星采样信号对接收信号进行捕获；若捕获成功则对捕获到的伪卫星信号进行跟踪环路处理，并关闭该捕获信号对应的信号通道，执行步骤3；若捕获不成功则执行步骤2；

步骤2，接收机的各未捕获的信号通道将其预存的伪卫星采样信号中剔除已捕获伪卫星的信号信息，根据剔除已捕获伪卫星信号信息的采样信号，对接收信号进行捕获，比较各未捕获的信号通道的捕获相关峰大小，对最大捕获相关峰值进行SNR判决，若最大捕获相关峰值大于或等于设定的SNR阈值，则认为最大捕获相关峰值对应的信号通道成功捕获到伪卫星信号，对捕获到的伪卫星信号进行跟踪环路处理，并关闭该信号通道，执行步骤3；若小于设定SNR阈值，则重复步骤2进行重新捕获；

步骤3，接收机实时判断当前已捕获的伪卫星信号个数，若当前已捕获伪卫星信号个数未达到设定要求，则返回步骤2；若达到设定要求，则停止捕获，完成信号检测。

2.如权利要求1所述的克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法，其特征在于，所述步骤1中，预存的伪卫星采样信号包含所有时隙，伪卫星采样信号的长度为伪卫星信号发射周期加一个时隙的长度。

3.如权利要求1所述的克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法，其特征在于，所述步骤2中，从预存的伪卫星采样信号中剔除已捕获信号信息的方法为：根据所有已捕获伪卫星信号的位置坐标和脉冲持续长度，在预存的伪卫星采样信号中将已捕获伪卫星信号对应位置置零。

4.如权利要求3所述的克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法，其特征在于，已捕获伪卫星信号的位置坐标和脉冲持续长度获取方法如下：

信号捕获成功后，转入跟踪环路处理阶段，通过码环对捕获到的伪卫星信号进行相位检测，不断调整本地伪码，使之与接收信号伪码对齐；根据码发生器的调节信息，得到该捕获到的伪卫星信号在整周期采样信号中的位置坐标及脉冲持续长度。

5.如权利要求1所述的克服时分地基增强信号远近效应的信号检测方法，其特征在于，所述步骤2中，在对捕获到的信号进行跟踪环路处理时，首先剔除接收信号中其他已捕获信号的信息，然后将剔除后的伪卫星信号与本地伪码做相关，获得该捕获信号的位置坐标和脉冲持续长度。