CN101881817A - 对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置及方法。各检测通道确定自身的信号功率和噪声门限，并将该信号功率和噪声门限输出给多驻留检测器；多驻留检测器比较该信号功率和噪声门限的大小，如果信号功率大于噪声功率，则成功计数器加一；如果信号功率小于噪声功率，则失败计数器加一；重复上述步骤，多驻留检测器判断是否成功检测全球导航卫星系统微弱信号，如果成功，则将当前码相位与多普勒频点在系统统一的时间点上传给后续的动态跟踪模块，进行动态同步；如果失败，则将这个状态信息在系统统一的时间点上传递给待检测单元的搜索模块。利用本发明，减少了检测相关器的通道数目，实现了对全球导航卫星系统微弱信号进行检测。

Description

对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置及方法

技术领域

本发明涉及全球卫星定位系统接收机的信号检测技术领域，尤其涉及一种对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置及方法。

背景技术

GPS卫星信号捕获实际上是一个二维搜索和检测过程，要求粗略估计卫星信号的码相位和多普勒频率。码相位和多普勒频率的不确定范围定义的二维搜索空间包含了几万甚至几十万个信号搜索单元，一个信号搜索单元由一个码单元与一个多普勒单元构成。卫星信号捕获技术属于信号检测领域，导航信号解调的本质是一个联合的检测与估计的问题，参数估计是信号检测的基础，信号检测又是参数估计的前提，两者在全球导航卫星系统(GNSS)接收机实现中不可分割。

目前，商用接收机信号捕获过程基本上包括两个步骤。第一步，将搜索结果中最大的检测信号与阈值比较。第二步，如果最大的检测信号超过阈值，执行检测算法对该信号进行多次再确认。这种接收机的缺点之一就是对检测阈值很敏感。阈值太高，漏检概率增大；阈值太低，虚警概率增大。虚警概率增大就会使搜索速度下降。缺点二是每次只从大量的检测结果中输出一个最大的检测信号，这就对信噪比要求很高，在弱信号环境下，只能通过增加积分时间来提高信噪比，这样也增加了TTFF。

由此可见，目前流行的并行捕获方法由于要同等对待并行架构中全部搜索结果，就很难实现串行检测的优点。同时，为了提高并行度，缩短捕获时间，缩短首次定位时间，从而为灵敏度的提高赢得时间，就需要利用多通道串行检测相关器的优势。

术语“驻留时间”是指捕获过程中的积分时间。术语“多驻留时间”是指检测过程中多次积分的总时间。术语“串行检测相关器”是用于描述进行多驻留时间的单通道串行检测方法的装置。术语“多通道串行检测相关器”是用于描述进行多驻留时间的多通道并行检测方法的装置。

因此，如何利用GNSS信号的特点来优化多驻留检测器以达到在相同并行度要求下，检测相关器的通道数目更少是导航基带处理的一个重要研究方向。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的主要目的在于提供一种对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置及方法，以减少检测相关器的通道数目，实现对全球导航卫星系统微弱信号进行检测。

(二)技术方案

为达到上述目的的一个方面，本发明提供了一种对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置，该装置由锁存器101、若干预检测通道102、第一级存储器103、信号处理模块104、第二级存储器105、多驻留检测器106、第三级存储器107和噪声通道108构成，其中：

锁存器101，用于对广播到检测相关器通道的中频数据进行锁存，消除亚稳态，向该若干预检测通道102提供稳定的数据；

预检测通道102由若干相同功能的通道并行组合而成，用于在检测相关器的各个通道上并行完成不同多普勒频率的去除以及不同预检测码相位上的相关解扩，各通道分别得到在码周期内的累加值，然后将这些通道的累加值存储到第一级存储器103；

第一级存储器103，用于存储各通道在码周期内的累加值；

信号处理单元104，用于根据分时复用的流水策略将依次对每个通道在第一级存储器103中存储的累加值进行积分处理，然后将积分处理结果依次存储到第二级存储器105中；

第二级存储器105，用于存储各通道对累加值的积分处理结果；

多驻留检测器106，用于根据存储在第二级存储器105中的积分处理结果检测在待检测的码相位与多普勒频点上是否存在有信号，并将检测结果保存到第三级存储器107中；

第三级存储器107，用于存储对信号的检测结果；

噪声通道108，用于根据锁存器101输入的中频信号得到以功率形式表示的噪声门限，并将该噪声门限输出给多驻留检测器106。

上述方案中，所述预检测通道102的数目由待检测单元的数目与多驻留检测器106的平均检测速度决定，待检测单元数目根据接收机所处环境干扰程度来进行调整。

上述方案中，所述信号处理单元104在执行积分处理过程中，根据低中频信号的载躁比，如果要采用非相干积分，且当非相干积分的次数比较少，则采用闭合的随机过程表达式，当非相干积分次数比较大的时候，则采用非闭合的随机过程表达式。

上述方案中，所述多驻留检测器106依次对各检测通道对应的第二级存储器105中的积分处理结果与来自噪声通道108的噪声门限进行比较，如果存储器中的积分处理结果第一次比较就小于噪声门限，则信号不存在于待检测的码相位与多普勒频点上，将失败标志存储在第三级存储器107中；如果第二级存储器105中的值第一次比较后大于来自噪声通道108的噪声门限，则成功计数器加一；第一次比较成功后，以后如果比较成功，则成功计数器加一，如果比较失败，则失败计数器加一；如果成功计数器先达到预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则表示信号存在于待检测的码相位与多普勒频点上，检测成功；如果失败计数器先达到预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则表示信号不存在于待检测的码相位与多普勒频点上，检测失败；将各个通道的检测结果记录在第三级存储器中，等待后续处理。

上述方案中，所述噪声通道108对输入的中频信号进行下采样，然后利用没有被分配的伪随机码与经过下采样后的数据进行互相关处理，将累加结果经过低通滤波器，得到噪声方差，然后根据非相干次数与归一化噪声门限值的关系得到被噪声方差归一化的噪声门限，然后将查表所得值与滤波器输出的结果进行相乘后就得到以功率形式表示的噪声门限，最后将该噪声门限输出给多驻留检测器106。

上述方案中，所述噪声门限通过读取任意一个检测失败的检测通道中的测量量来进行更新。

为达到上述目的的另一个方面，本发明提供了一种对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的方法，该方法包括：

步骤1：各检测通道确定自身的信号功率和噪声门限，并将该信号功率和噪声门限输出给多驻留检测器；

步骤2：多驻留检测器比较该信号功率和噪声门限的大小，如果信号功率大于噪声功率，则成功计数器加一；如果信号功率小于噪声功率，则失败计数器加一；

步骤3：重复执行步骤1至步骤2，多驻留检测器判断是否成功检测全球导航卫星系统微弱信号，如果成功，则将当前码相位与多普勒频点在系统统一的时间点上传给后续的动态跟踪模块，进行动态同步；如果失败，则将这个状态信息在系统统一的时间点上传递给待检测单元的搜索模块。

上述方案中，步骤1中所述各检测通道确定自身的信号功率和噪声门限，具体包括：各检测通道将来自全球导航卫星系统接收机射频前端的数据，在待检测多普勒频点和码相位上依次进行下采样和自相关解扩，然后进行相干与非相干积分处理得到信号的功率，并根据不同通道对应的相干积分时间与非相干积分次数，确定自身的信号功率和噪声门限。

上述方案中，步骤3中所述重复执行步骤1至步骤2，是各检测通道在各自相同的待检测码相位与多普勒频点上执行的。

上述方案中，步骤3中所述多驻留检测器判断是否成功检测全球导航卫星系统微弱信号，是多驻留检测器判断成功计数器和失败计数器的累加值，如果成功计数器达到一个预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则对GNSS微弱信号进行检测成功；如果失败计数器在检测器第一次比较后就加一，则对GNSS微弱信号进行检测失败，或者如果失败计数器达到一个预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则对GNSS微弱信号进行检测失败。

(三)有益效果

本发明提供的这种对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置及方法，根据GNSS信号的自身特点，优化了检测方法，从而减少了检测相关器的通道数目，实现了对全球导航卫星系统微弱信号进行检测。

附图说明

图1是本发明提供的对GNSS微弱信号进行检测的装置的结构示意图；

图2是本发明提供的对GNSS微弱信号进行检测的装置的其中一个通道的逻辑结构示意图；

图3是本发明提供的对GNSS微弱信号进行检测的多驻留检测器的方法流程图；

图4是依照本发明实施例提供的对GNSS微弱信号进行检测的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明涉及全球卫星定位与导航领域，例如GPS系统，目的是利用GNSS信号的特点来优化检测方法，从而在相同并行度条件下，减少检测相关器通道数目。GNSS信号检测属于微弱信号检测领域，系统误码率要求在1×10^-6以上，一般采用多驻留检测器来达到误码率的要求，其本质是采用多次驻留时间的确认来减少误码率。GNSS信号非常微弱，噪声功率淹没了信号功率；再加上真信号仅存在于上千个待检测单元中的其中一个里面。由于GNSS信号以上特点，可以按照以下两个准则来提高检测器的平均检测速度，其一是快速丢掉小于检测门限的检测单元，其二是减少在小于检测门限的检测单元上的驻留时间。通过对检测器检测方法的优化，提高了检测检测器的平均检测速度，从而在相同并行度要求下，减少了检测相关器的通道数目。

如图1所示，图1是本发明提供的对GNSS微弱信号进行检测的装置的结构示意图，该装置至少由锁存器101、若干预检测通道102、第一级存储器103、信号处理模块104、第二级存储器105、多驻留检测器106、第三级存储器107和噪声通道108构成。

其中，锁存器101用于对广播到检测相关器通道的中频数据进行锁存，消除亚稳态，向各通道提供稳定的数据。预检测通道102由若干相同功能的通道并行组合而成，用于在检测相关器的各个通道上并行完成不同多普勒频率的去除以及不同预检测码相位上的相关解扩，各通道得到码周期内的累加值，然后将这些通道的累加值通过第一级存储器103寄存下来；第一级存储器103，用于存储各通道在码周期内的累加值；信号处理单元104，用于根据分时复用的流水策略将依次对每个通道存储的累加值进行积分处理，然后将积分处理结果依次存储在第二级存储器105中；第二级存储器105，用于存储各通道对累加值的积分处理结果；多驻留检测器106，用于依次对各检测通道对应的第二级存储器105中的值与来自噪声通道108的噪声门限进行比较，如果存储器中的值第一次比较就小于噪声门限，则信号不存在于待检测的码相位与多普勒频点上，将失败标志存储在第三级存储器107中，如果第二级存储器105中的值第一次比较后大于来自噪声通道108的噪声门限，则成功计数器加一。第一次比较成功后，以后如果比较成功，则成功计数器加一，如果比较失败，则失败计数器加一。如果成功计数器先达到预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则表示信号存在于待检测的码相位与多普勒频点上，检测成功；如果失败计数器先达到预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则表示信号不存在于待检测的码相位与多普勒频点上，检测失败；将各个通道的检测结果记录在第三级存储器中，等待后续处理。

其中预检测通道102的数目由待检测单元的数目与多驻留检测器106的平均检测速度决定。

其中噪声通道108，用于将输入的中频信号下采样后，利用没有被分配的伪随机码与经过下采样后的数据进行互相关处理，将累加结果经过低通滤波器，得到噪声方差，然后根据非相干次数与归一化噪声门限值的关系得到被噪声方差归一化的噪声门限，然后将查表所得值与滤波器输出的结果进行相乘后就得到以功率形式表示的噪声门限。

如图2所示，图2是本发明提供的对GNSS微弱信号进行检测的装置的其中一个通道的逻辑结构示意图。检测相关器逻辑上是由多个单通道串行检测相关器组合成的，每个检测相关器通道逻辑结构与图2所示逻辑结构相同。数字中频信号进入检测通道在锁存器201中消除亚稳态后，进入下变频模块202和本地复现载波NCO206输出信号相乘去掉载波多普勒，去载波后的信号进入解扩模块203与本地码发生器207在码NCO模块208的时钟驱动下输出的复现伪码完成解扩后进入信号处理模块204进行相干积分和非相干积分来提高信噪比。然后将积分处理结果与来自检测相关器噪声通道的噪声门限一起送入多驻留检测器205进行检测。其中多驻留检测器采用图3优化的多驻留检测器。

如图3所示，图3是本发明提供的对GNSS微弱信号进行检测的多驻留检测器的方法流程图。多驻留检测器属于图1中检测相关器的核心模块。图3所示只是本发明的一个具体实施例。针对GNSS信号的特点，本质上利用GNSS信号这个特性的检测方法都在本专利的权利要求范围之内。

采用本发明中的一个实施例来具体说明多驻留检测器的流程，但不限制必须采用这种方法：常规的M of N是一种固定搜索次数的检测器，对每个幅值，都与阈值比较N次，如果有M次以上超过阈值，可以说明检测到信号，否则，没有检测到信号。这样的检测过程服从伯努利随机过程。

对应的总体虚警概率公式：

$P_{\mathrm{FA}}=\underset{k=M}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_N^k{\left(p_{\mathrm{fa}}\right)}^k{(1-p_{\mathrm{fa}})}^{N-k}$

对应的总体检测概率公式：

$P_D=\underset{k=M}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_N^k{\left(p_d\right)}^k{(1-p_d)}^{N-k}$

平均检测时间：

$\stackrel{\‾}{N}=N(\mathrm{dwell}\_\mathrm{time})$

在系统误比特率指标的要求下，接收机系统对应的总体虚警概率和总体检测概率只能通过多驻留检测器才能达到这个指标要求。所以，待检测单元给定的情况下，检测器在一个待确认单元上的平均驻留时间，决定了检测相关器的通道数目。

平均驻留时间越长，检测相关器通道数目要求越多，芯片面积增大，成本增大。

从获取积分累加量与噪声门限301开始，直至检测到三种状态309、310、311结束。通常接收机进入检测状态后，初始化计数器J＝0，计数器K＝N，根据具体情况进行设定。然后进行功率比较302，如果信号积分累加功率大于噪声门限，计数器J 304加1，同时计数器K 306减1，如果信号积分累加功率小于噪声门限，再来判断计数器J是否等于0，以上判断分别在303，305进行。如果不等于0，计数器K 306减1，如果等于0，则进入最终状态之一311，宣布信号不存在，检测失败，检测器则重新初始化计数器并等待下一次检测。根据K计数器的结果307判断，K是否等于0，如果不等于0则进入最终状态之一，在相同不确定码相位、不确定频点的单元内开始下一次驻留检测。如果K等于0，继续判断计数器J是否不小于M 308。如果J不小于M，则结果进入最终状态之一310，信号存在，检测成功。如果J小于M，则结果进入最终状态之一311，宣布信号不存在，检测失败，检测器重新初始化计数器并等待下一次检测。

该检测方法的核心思想就是快速果断的丢弃小于噪声门限的判断值。同样也适用于其他多驻留检测器。本发明的一个实施例中，优化的平均驻留时间数学公式如下所示：

$\stackrel{\‾}{N}=(1-p_{\mathrm{fa}})+p_{\mathrm{fa}}\×N(\mathrm{dwell}\_\mathrm{time})$

其中，pfa表示单次虚警概率。对于多驻留Tong检测器也具有同样的分析方法。

再参照图4，图4是依照本发明实施例提供的对GNSS微弱信号进行检测的方法流程图，该方法包括：

步骤1：各检测通道确定自身的信号功率和噪声门限，并将该信号功率和噪声门限输出给多驻留检测器。

各检测通道将来自全球导航卫星系统接收机射频前端的数据，在待检测多普勒频点和码相位上依次进行下采样和自相关解扩，然后进行相干与非相干积分处理得到信号的功率，并根据不同通道对应的相干积分时间与非相干积分次数，确定自身的信号功率和噪声门限。

检测相关器中各个通道在得到噪声门限后，如果所处环境温度变化在30度内，可以不用再启动检测相关器中专门的噪声通道来实时的计算噪声门限。如果要再计算噪声门限，可以直接利用检测相关器中其他检测失败的通道的数据，运用与第一次计算噪声门限时相同的方法来对噪声门限进行实时更新。

步骤2：多驻留检测器比较该信号功率和噪声门限的大小，如果信号功率大于噪声功率，则成功计数器加一；如果信号功率小于噪声功率，则失败计数器加一；

步骤3：各检测通道在各自相同的待检测码相位与多普勒频点上重复执行步骤1至步骤2，多驻留检测器判断是否成功检测全球导航卫星系统微弱信号，如果成功，则将当前码相位与多普勒频点在系统统一的时间点上传给后续的动态跟踪模块，进行动态同步；如果失败，则将这个状态信息在系统统一的时间点上传递给待检测单元的搜索模块。

多驻留检测器判断是否成功检测全球导航卫星系统微弱信号，是多驻留检测器判断成功计数器和失败计数器的累加值，如果成功计数器达到一个预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则对GNSS微弱信号进行检测成功；如果失败计数器在检测器第一次比较后就加一，则对GNSS微弱信号进行检测失败，或者如果失败计数器达到一个预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则对GNSS微弱信号进行检测失败。

尽管本发明是参照美国全球定位系统(GPS)来描述的。然而，应当理解，这些方法同样适用于类似的卫星定位系统，所使用的术语“GPS”还包括这样一些卫星定位系统，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)系统，欧洲的伽利略(Galileo)系统和中国的北斗1及北斗2系统。术语“GPS信号”包括来自另一些卫星定位系统的信号。

上文中，已经描述了一种GNSS微弱信号检测方法。尽管本发明是参照特定实施例来描述的，但很明显，本领域专业人员，在不偏移权利要求书所限定的发明范围和精神的情况下，还可以对这些实施例作各种修改和变更。因此，说明书和附图是描述性的，而不是限定性的。

Claims (10)

1.一种对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置，其特征在于，该装置由锁存器(101)、若干预检测通道(102)、第一级存储器(103)、信号处理模块(104)、第二级存储器(105)、多驻留检测器(106)、第三级存储器(107)和噪声通道(108)构成，其中：

锁存器(101)，用于对广播到检测相关器通道的中频数据进行锁存，消除亚稳态，向该若干预检测通道(102)提供稳定的数据；

预检测通道(102)由若干相同功能的通道并行组合而成，用于在检测相关器的各个通道上并行完成不同多普勒频率的去除以及不同预检测码相位上的相关解扩，各通道分别得到在码周期内的累加值，然后将这些通道的累加值存储到第一级存储器(103)；

第一级存储器(103)，用于存储各通道在码周期内的累加值；

信号处理单元(104)，用于根据分时复用的流水策略将依次对每个通道在第一级存储器(103)中存储的累加值进行积分处理，然后将积分处理结果依次存储到第二级存储器(105)中；

第二级存储器(105)，用于存储各通道对累加值的积分处理结果；

多驻留检测器(106)，用于根据存储在第二级存储器(105)中的积分处理结果检测在待检测的码相位与多普勒频点上是否存在有信号，并将检测结果保存到第三级存储器(107)中；

第三级存储器(107)，用于存储对信号的检测结果；

噪声通道(108)，用于根据锁存器(101)输入的中频信号得到以功率形式表示的噪声门限，并将该噪声门限输出给多驻留检测器(106)。

2.根据权利要求1所述的对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置，其特征在于，所述预检测通道(102)的数目由待检测单元的数目与多驻留检测器(106)的平均检测速度决定，待检测单元数目根据接收机所处环境干扰程度来进行调整。

3.根据权利要求1所述的对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置，其特征在于，所述信号处理单元(104)在执行积分处理过程中，根据低中频信号的载躁比，如果要采用非相干积分，且当非相干积分的次数比较少，则采用闭合的随机过程表达式，当非相干积分次数比较大的时候，则采用非闭合的随机过程表达式。

4.根据权利要求1所述的对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置，其特征在于，所述多驻留检测器(106)依次对各检测通道对应的第二级存储器(105)中的积分处理结果与来自噪声通道(108)的噪声门限进行比较，如果存储器中的积分处理结果第一次比较就小于噪声门限，则信号不存在于待检测的码相位与多普勒频点上，将失败标志存储在第三级存储器(107)中；如果第二级存储器(105)中的值第一次比较后大于来自噪声通道(108)的噪声门限，则成功计数器加一；第一次比较成功后，以后如果比较成功，则成功计数器加一，如果比较失败，则失败计数器加一；如果成功计数器先达到预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则表示信号存在于待检测的码相位与多普勒频点上，检测成功；如果失败计数器先达到预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则表示信号不存在于待检测的码相位与多普勒频点上，检测失败；将各个通道的检测结果记录在第三级存储器中，等待后续处理。

5.根据权利要求1所述的对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置，其特征在于，所述噪声通道(108)对输入的中频信号进行下采样，然后利用没有被分配的伪随机码与经过下采样后的数据进行互相关处理，将累加结果经过低通滤波器，得到噪声方差，然后根据非相干次数与归一化噪声门限值的关系得到被噪声方差归一化的噪声门限，然后将查表所得值与滤波器输出的结果进行相乘后就得到以功率形式表示的噪声门限，最后将该噪声门限输出给多驻留检测器(106)。

6.根据权利要求5所述的对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的装置，其特征在于，所述噪声门限通过读取任意一个检测失败的检测通道中的测量量来进行更新。

7.一种对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1：各检测通道确定自身的信号功率和噪声门限，并将该信号功率和噪声门限输出给多驻留检测器；

步骤2：多驻留检测器比较该信号功率和噪声门限的大小，如果信号功率大于噪声功率，则成功计数器加一；如果信号功率小于噪声功率，则失败计数器加一；

步骤3：重复执行步骤1至步骤2，多驻留检测器判断是否成功检测全球导航卫星系统微弱信号，如果成功，则将当前码相位与多普勒频点在系统统一的时间点上传给后续的动态跟踪模块，进行动态同步；如果失败，则将这个状态信息在系统统一的时间点上传递给待检测单元的搜索模块。

8.根据权利要求7所述的对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的方法，其特征在于，步骤1中所述各检测通道确定自身的信号功率和噪声门限，具体包括：

各检测通道将来自全球导航卫星系统接收机射频前端的数据，在待检测多普勒频点和码相位上依次进行下采样和自相关解扩，然后进行相干与非相干积分处理得到信号的功率，并根据不同通道对应的相干积分时间与非相干积分次数，确定自身的信号功率和噪声门限。

9.根据权利要求7所述的对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的方法，其特征在于，步骤3中所述重复执行步骤1至步骤2，是各检测通道在各自相同的待检测码相位与多普勒频点上执行的。

10.根据权利要求7所述的对全球导航卫星系统微弱信号进行检测的方法，其特征在于，步骤3中所述多驻留检测器判断是否成功检测全球导航卫星系统微弱信号，是多驻留检测器判断成功计数器和失败计数器的累加值，如果成功计数器达到一个预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则对GNSS微弱信号进行检测成功；如果失败计数器在检测器第一次比较后就加一，则对GNSS微弱信号进行检测失败，或者如果失败计数器达到一个预先根据系统误码率要求设定的固定域值，则对GNSS微弱信号进行检测失败。

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