CN102890280B - 一种多模gnss组合接收机兼容捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模GNSS组合接收机兼容捕获方法，包括：包括在相干积分累加时间以及非相干积分累加时间内对卫星信号的进行相应的捕获处理；在所述的捕获处理中采用模糊逻辑算法，依据载噪比和载体速度动态的调整相干积分累加时间和非相干积分累加次数；在相干积分累加时间内，对采集到的卫星信号的中频信号进行二次采样，即所有数据分解为多组，使得每组中的数据点均位于1个伪随机码元内，之后依次进行傅里叶变换、傅里叶逆变换、DCT变换、IDCT变换、模值平方和门限判决处理。本发明克服了现有捕获方法灵敏度低和容易受干扰而不能捕获信号的不足，采用本发明方法可在GNSS信号受到遮挡、存在较强环境噪声时正常捕获卫星信号。

Description

一种多模GNSS组合接收机兼容捕获方法

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种多模GNSS组合接收机兼容捕获方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS)是一种以卫星为基础的无线电导航系统，它包括卫星星座、地面监控系统及用户终端设备，能为陆、海、空的各类载体提供全天候、不间断、高精度、实时导航定位服务。目前，应用最广的全球导航卫星系统是美国的GPS(Global Positioning System)，已经渗透到国民经济与日常生活的各个领域，如海上航行、城市交通管理、商业物流管理、船舶远洋导航、精密受时、大地测量、精细农业等。目前，我国也参与了将于近两年建成的Galileo系统的建设，并正在自主研发全球卫星定位系统Compass(北斗二代)，Compass(北斗二代)系统已于2011年底开始对我国境内及周边地区提供无源定位和导航服务。

GNSS应用于交通领域中面临许多挑战，如：GNSS信号到达地面接收机时已相当微弱，建筑物、山丘等的遮挡会影响信号接收而导致GNSS接收机不能给出定位结果。特别的，在室内、城市、森林等复杂环境中，GPS接收信噪比更低，而上述这些环境恰是人类活动的主要环境之一。可见，微弱信号环境下的导航定位应用成为限制GNSS应用的重要因素之一。如图1所示，现有的多模GNSS定位接收机一般由接收天线和射频模块、基带信号处理模块、电源模块等构成。基带信号处理模块包括捕获和跟踪、星历解算和电文提取、选星计算、导航测量、误差校正、导航定位解算等子模块组成，其中，捕获和跟踪部分实现信号的解扩、解调，其效果将直接影响接收机定位性能。可通过优化捕获算法，改善接收机的捕获速度和灵敏度。国内外针对GNSS信号捕获已经有了许多研究成果，也有一些文献研究了具有不同调制方式、不同码率和码长卫星信号的兼容捕获。但是，已有研究成果还存在较大局限性，如：性能优化问题；捕获速度和灵敏度不能兼顾，即提高捕获速度往往以牺牲灵敏度为代价，反之宜然。

例如，申请号为CN 200910072325.X的专利文献，公开了一种微弱GNSS信号的差分相干累积捕获方法，包括：将接收到的数据分成4个组，再将每个组中的数据分为M+1个数据块；对每个数据组中的每个数据块分别进行相干累积；对每个数据组中的每相邻的两个数据块的相干累积矩阵做共轭乘积；将每个数据组中的所有相邻数据块对应的导航数据位乘积组合分别与该组中的M个差分矩阵相乘，获得该组的累积结果；选取4组差分累积结果的最大值作为捕获结果，每个数据组的起始位置均对应一个估计的比特边沿。上述方法解决了现有的半比特法和全比特法对微弱GNSS信号的捕获时间长并且存在非相干累积引起的平方损耗的问题。

但是，利用上述方法仍无法解决目前存在的技术问题，为了更好的应用GNSS，还需要解决如下问题：(1)存在遮挡等弱信号环境下GNSS定位的问题；(2)低信噪比下动态性与抗噪声能力的矛盾。

发明内容

本发明提供了一种多模GNSS组合接收机兼容捕获方法，克服了现有GNSS接收机灵敏度低和容易受干扰而导致卫星信号失锁，因而不能给出定位结果的弊端，通过设计多模GNSS系统兼容捕获方案、改进捕获算法、采取措施提高GNSS组合接收机的捕获灵敏度和捕获速度，提高GNSS定位可靠性和定位精度等性能。

一种多模GNSS组合接收机兼容捕获方法，包括：

在相干积分累加时间以及非相干积分累加时间内对卫星信号进行相应的捕获处理；在所述的捕获处理中采用模糊逻辑算法，依据载噪比和载体速度动态的调整相干积分累加时间和非相干积分累加次数；其中在相干积分累加时间内，对采集到的卫星信号的中频信号进行二次采样，即所有数据分解为多组，使得每组中的数据点均位于1个伪随机码元内，之后依次进行傅里叶变换、傅里叶逆变换、DCT变换、IDCT变换、模值平方和门限判决处理。

由于一个伪随机码周期对应的数据点数多，如Compass系统1ms(毫秒)伪码周期内有10230个码片(已公开播发的B1频点信号的码速率为2046个码片)，且每个码片至少采样2个数据点，导致大点数的FFT运算，运算复杂且运算量大。若能减小FFT运算的点数N，或将1个大点数FFT分解为若干个小点数FFT，则可减小捕获算法的运算量，提高捕获速度。本发明通过对中频数字信号的二次采样，将1个大点数FFT分解为若干个小点数FFT，即将N点的FFT运算变为起始点J分别为l，2，...M的M次N/M点的FFT运算，提高捕获速度。

为提高灵敏度，作为优选，可在所述DCT变换后，将所得结果的高频部分数据置零，然后进行所述的IDCT变换。由于信道相干时间至少几十毫秒以上，因此，相关累加输出信号是一个慢变信号。因此对扩频码同步时的傅里叶逆变换输出做时域DCT，可以保证能量都集中在离散余弦变换后的低频部分，而对于扩频码未同步时(或噪声)，经过DCT变换，能量仍然均匀分布于整个频段。由此，本发明首先将DCT变换域信号的高频分量置零，然后对变换域信号作离散余弦反变换(IDCT)进行信号重构，最后再对此重构信号进行捕获。通过上述信号变换与重构，信号几乎没有损失，而总的噪声被显著降低，因此可提高信号捕获的灵敏度。

所述模糊逻辑算法依据载体速度估计信息、相关器输入端信号载噪比估计值、以及GNSS信号类型，实时调整相干积分累加和非相干积分累加策略：当信号强度较强足以被捕获时，可设置积分累加时间为码周期，以尽快实现捕获；当信号强度较弱时，设置积分累加时间为数倍的码周期，以便提高捕获灵敏度；积分累加时间的上限随用户机动情况而动态变化。提高了捕获算法的健壮性、以及捕获算法对环境和载体机动情况的适应能力。例如，实际应用过程中，根据载噪比的估计确定是增大还是减小相干积分累加时间信号强度：当载噪比信号强度大于等于38Db/Hz，保持当前的设置相干积分累加时间为码周期不变；当载噪比信号强度小于385Db/Hz，增大设置相干积分累加时间为数倍的码周期。同时，低动态下(即当载体速度小于等于150m/s时，)，相干积分累加时间的上限值：GPS/Galileo系统为10ms，Compass系统为8ms。当载体速度大于150m/s时，相干积分累加时间的上限值为3ms，如果载体速度大于250m/s且还有3g以上的加速度，则相干积分累加时长为1ms。上述措施，提高了GNSS信号捕获对环境和用户机动的适应能力。

当载噪比偏小时，首先考虑增大相干累加时间，若相干累加时间已大上限值，才需考虑增大非相干累加次数。本发明限定非相干累加次数最大值为10，如仍不能捕获信号，则运行下一通道的捕获。

纵上所述，本发明的多模GNSS组合接收机兼容捕获方法可有效兼容捕获GPS、Galileo和COMPASS等全球卫星导航系统的信号。而且，为达到即提高捕获灵敏度又尽可能提高捕获速度的目的，采用了二次采样、分段FFT、离散余旋变换、模糊逻辑算法等技术，改进捕获算法，在提高捕获速度和捕获灵敏度的同时，也提高了GNSS信号捕获对环境和用户机动的适应能力。

附图说明

图1为现有技术中GNSS接收机的模块组成结构图。

图2为本发明的多模GNSS组合接收机兼容捕获方法的结构图。

图3为本发明的模GNSS组合接收机兼容捕获方法的总体流程图。

图4为本发明的模GNSS组合接收机兼容捕获方法中捕获算法的详细流程图。

图5为本发明模GNSS组合接收机兼容捕获方法的一种实施方式的基带信号处理板电路构成示意图。

图6为模糊逻辑算法中输入量载噪比的隶属度函数图。

图7为模糊逻辑算法中输入量速度的隶属度函数图。

图8为模糊逻辑算法输出量的隶属度函数图。

具体实施方式

图1为现有技术中GNSS接收机构成示意图，GNSS定位接收机由接收天线和射频模块、基带信号处理模块、电源模块等构成。基带信号处理模块包括捕获和跟踪、星历解算和电文提取、选星计算、导航测量、误差校正、导航定位解算等子模块组成，其中，捕获和跟踪部分实现信号的解扩、解调，其效果将直接影响接收机定位性能。本发明主要针对捕获算法部分的改进，以提高接收机的捕获速度和灵敏度。

图2是本发明基带捕获算法的结构图，主要包括如下模块：

a)数据预处理、二次采样子模块。

数据预处理主要是对接收的GNSS中频信号进行载波以及导航电文的剥离等；二次采样则是将N点的FFT运算变为起始点分别为1，2，…M的M次N/M点的FFT运算码，提高捕获速度。通过对输入中频数字信号的二次采样，降低参与FFT计算的数据点数，提高捕获速度。

b)图2中的参数表与控制逻辑子模块。

利用通道参数链表存储各逻辑通道控制/状态参数，以时分复用方式在单物理通道内并行运行多个逻辑通道，因此，要利用FIFO数据存储器缓冲存储中频数据。

通过设置相干积分累加积分时间(即码周期)，可支持支持GPS/Compass/Galileo不同码周期信号(1023，1023整数倍)的捕获；通过设置NCO(数控振荡器)输出频率来产生不同码速率的本地码信号；并由NCO输出控制FIFO存储器并行读取的采样点数，实现二次采样(并控制本地码生成与处理模块对本地伪码做同样速率的二次采样)。通过这些措施，可支持不同码速率、码周期和不同采样速率的中频输入信号。另外，参数表与控制逻辑子模块控制本地码产生方式，并可控制码相位滑动个数，实现可变的码相位搜索数量和精度。

c)DCT、IDCT子模块。对时域相关信号矢量进行DCT变换域滤波，将高频部分置零后，采用IDCT重构信号，在保障主要信息不丢失情况下提高了信噪比，从而提高了捕获灵敏度。

d)图2中的模糊逻辑算法子模块-调整捕获策略。输入：星历数据-多普勒频率估计模块输出的速度信息(反映机动性)、载噪比(反映信号强弱)、GNSS信号类型；输出：多模GNSS组合接收机各通道应该选取的捕获策略，如：相干积分累加时长、是否采用非相干积分累加及其时长；作用：提高GNSS信号捕获对环境和用户机动的适应能力。

e)星历数据-多普勒频率估计模块：利用星历辅助等信息，计算伪码和载波中的多普勒频率估计值，控制捕获电路实现快速捕获。

f)门限判决。IDCT结果r_IDCT(n)进行模值平方运算后，送入门限判决模块进行最大值搜索(若需非相干积分累加运算，则需先经非相干积分累加运算，再进行门限判决)。若最大值大于判决门限，则认为捕获成功。然后，将其与相邻两点处的相关值做比较，取三个相关值中的最大值，其对应的伪随机码相位偏移为最终伪随机码相位偏移值，以提高捕获算法的码相位分辨率。

如图3和图4所示，本发明一种多模GNSS组合接收机兼容捕获方法，捕获算法的总体流程如下：

(1)配置子GNSS通道参数；

(2)依据载噪比和载体速度调整相干积分累加时间、非相干积分累加次数，并确定相干积分累加时间的上限值和非相干积分累加时间的上限值，其下限值分别为1ms和0次，初始值由系统依据表2和表1设置；针对所有子GNSS可见卫星依次进行步骤(3)-(5)的处理；

(3)在相干积分累加时间内，对采集到的卫星信号进行步骤(4)的捕获算法处理；

(4)对采集到的卫星信号利用如下捕获算法进行处理，具体步骤为：

(a)在相干积分累加时间内，对采集到的卫星信号的中频信号进行二次采样，即对相干积分累加时间内的所有数据分解为M组，使得每组中的数据点均位于1个伪随机码元内；

(b)然后，与本地载波做相关累加操作得到x(n)，对x(n)进行FFT，得到X(k)，n＝k＝0，1，2，…N/M，取N/M等于伪随机码周期，其中，GPS C/A码周期为1023，Compass系统已公开播发的B1频点伪码周期为2046；

(c)本地码生成器生成本地伪码，将本地伪码进行同样的二次采样处理，得到l_si(n)，n＝k＝0，1，2，…N/M；对每组l_si(n)进行FFT，结果为L_si(k)；

(d)对L_si(k)取复共轭得到L_si(k)^*；

(e)将X(k)与L_si(k)^*点对点相乘，结果为R_si(k)；

(f)对R_si(k)进行傅里叶逆变换，得到r_si(n)；

(g)将r_si(n)进行DCT变换，结果为r_DCT(k)；

(h)将r_DCT(k)高频部分数据置零，然后进行IDCT变换，结果为r_IDCT(n)；

(i)对每组r_IDCT(n)，取r_IDCT(n)模值的平方r_IDCT(n)*r_IDCT ^*(n)，进行门限判决，以确定是否捕获成功：

若捕获成功则进入步骤(6)；

若捕获没有成功则进入步骤(5)；

(5)调整相干积分累加时间后返回步骤(3)，若已达到相干积分累加时间的上限值，仍没有成功的捕获到卫星信号，且此时尚未达到非相干积分累加时间的上限值，则继续采集卫星信号：

对在非相干积分累加时间的上限值内的相干积分累加结果进行非相干积分累加处理；再进行门限判决，以确定是否捕获成功；

若捕获成功则进入步骤(6)

若在非相干积分累加时间的上限值内没有成功捕获到卫星信号，则以预定的步长改变载波频率，返回步骤(3)；若载波频率搜索范围内的频率均已被搜索，则此颗卫星信号的捕获失败，转步骤(6)。

(6)若该子GNSS系统存在某颗卫星信号没有被搜索捕获，则返回步骤(3)捕捉下一颗卫星的信号；若不存在卫星未被搜索，该子GNSS系统的信号捕获结束，此时，如果捕获的子GNSS通道的数目大于预定值y，则在捕获的子GNSS通道中，根据信噪比和DOP因子的大小，选择y个信噪比较大、DOP因子较小的捕获通道。

上述捕获方法中，

对每组Q＝N/M个傅里叶逆变换输出r_si(n)进行DCT变换的方法为：

$r_{\mathrm{DCT}}\left(k\right)={\mathrm{\ω}}_Q\left(k\right)\underset{q=0}{\overset{Q-1}{\mathrm{\Σ}}}{r}_{\mathrm{si}}\left(q\right)\·\cos \left[\frac{\mathrm{\π}(2q+1)k}{2Q}\right],$ k＝0，1，…，Q-1

其中： ${\mathrm{\ω}}_Q\left(k\right)=1/\sqrt{Q},$ $k=0;{\mathrm{\ω}}_Q\left(k\right)=\sqrt{2/Q},k\≠0,$ Q＝N/M，q为求和变量。

将r_DCT(k)高频部分数据置零得到r′_DCT(k)，即将k值为[S_max，Q]区间的变换结果r_DCT(k)置零，的具体值根据仿真分析结果确定。

对r′_DCT(k)进行长度为S_max的IDCT反变换，即得到降噪后的相关累加输出结果r_IDCT(n)，方法为：

$r_{\mathrm{IDCT}}\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{S_{\max }-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ω}}_Q\left(m\right)r_{\mathrm{DCT}}^{\′}\left(m\right)\·\cos \left[\frac{\mathrm{\π}(2n+1)m}{{2S}_{\max }}\right],$ n＝0，1，...，S_max-1

其中：m为就和变量。

步骤(6)中，选择需要捕获的子GNSS通道的方法为：

首先，依据载噪比低由高到低对捕获通道排序。

然后，依据接收机存储的近期星历数据和接收机当前的已定位结果，基于对卫星仰角的估计，从载噪比最高的预定值(6)颗卫星信号通道中快速选择DOP因子较小的4颗卫星对应的通道，然后从剩余捕获卫星中依载噪比排序，每次选1颗，若该卫星加入后，使DOP因子减小，则保留该颗卫星对应的通道。

上述步骤中，采用载体速度估计值及外部速度辅助信息估计用户当前的机动性大小，采用相关器输出端信号载噪比估计法估计信号强弱，依据这两个参数，设计模糊逻辑算法，调整多模GNSS组合接收机各通道应该选取的捕获策略：当信号强度较强足以被捕获时，如大于38Db/Hz，可设置积分累加时间为码周期，以尽快实现捕获；当信号强度较弱时；如小于35Db/Hz，设置积分累加时间为数倍的码周期，以便提高捕获灵敏度，不同载噪比下应该采取的相干积分累加时间和非相干积分累加次数的关系如表1和表2所述。另外，积分累加时间的上限(GPS/Galileo对应10ms，Compass对应8ms)随用户机动情况而动态变化，如：当运动速度大于150m/s时，相干积分累加时长最大为3ms，如果运动速度大于250m/s且还有3g(g为地球重力加速度)以上的加速度，则相干积分累加时长不超过1ms。上述措施，提高了GNSS信号捕获对环境和用户机动的适应能力。

表1不同载噪比下正确捕获所需非相干积分次数

载噪比(Db/Hz)	＞28	28	27	26	25	24	23	22-21
									非相干积分次数	1	2	3	4	5	6	7	10

表2不同载噪比下正确捕获所需相干积分时间的估计值

载噪比(Db/Hz)	＞38	37-35	34	33-32	31	30-29	28	28
									相干积分时间(ms)	1	2	3	4	6	7	8	10

上述步骤中，模糊逻辑算法模块包括：

隶属度仿真单元，用于计算输入/输出量的隶属度函数值，参见表3、表4和图6～图8所述；

模糊推理规则单元，用于模糊逻辑推理计算，参见表5所述；

推理计算和解模糊计算单元，得到捕获策略输出：相干积分累加时间和非相干积分累加次数。

本发明采用上述模糊逻辑算法实时调整接收机的捕获策略，使其随着环境和载体机动情况而自动调整，提高了GNSS信号捕获对环境和用户机动的适应能力。

表3载噪比的模糊划分表(单位：Db/Hz)

载噪比(Db/Hz)	[～35]	[20～45]	[35～]
				对应的模糊集	偏小	中等	偏大

表4速度的模糊划分表(单位：米/秒)

速度(m/s)	[0～10]	[0～150]	[10～]
				对应的模糊集	零	较小	较大

表5推理规则

当载噪比偏小时，首先考虑增大相干积分累加时间，若相干积分累加时间已大上限值，才需考虑增大非相干积分累加次数。本发明限定非相干积分累加次数最大值为10，如仍不能捕获信号，则运行下一通道的捕获。

如图5所示，实际应用时，基带信号处理的解扩和解调利用FPGA和DSP联合来实现。

在FPGA内实现解扩、NCO、滤波等功能。FPGA可选用美国ALTERA公司的Cyclone系列的EP1C20F400I7或其升级换代产品，即可足以满足要求。

在DSP中主要实现解调和串口数据发送。DSP可选用TI公司的TMS320C6713GDP225或其升级换代产品，它内部最高时钟可达225MHz，可以8条指令并行执行，流水线结构。

SDRAM和FLASH是DSP的外部存储器。SDRAM容量为16MBytes，用于扩展DSP的数据存储空间；FLASH容量为1MBytes，用来固化DSP程序。

时钟基准可选10.00MHz的温度补偿晶体振荡器，频率偏差±0.5ppm，相位噪声-120dBc/Hz(偏移1KHz测量)，输出电平峰峰值＞0.8V，即可满足设计要求。

FPGA和DSP接口：DSP需要从FPGA中读取I、Q两路的解扩结果，并且把Δω、

的值反馈给FPGA，这两次数据的交互用到了DSP的32位数据总线和异步存储器控制信号CE2、ARE、AOE、AWE。将FPGA设置为某一固定地址，通过在FPGA中设计程序来模拟异步存储器读写时序，实现DSP对FPGA的访问。

Claims (5)

1.一种多模GNSS组合接收机兼容捕获方法，包括在相干积分累加时间以及非相干积分累加时间内对卫星信号进行相应的捕获处理；其特征在于，在所述的捕获处理中采用模糊逻辑算法，依据载噪比、载体速度和载体加速度动态的调整相干积分累加时间和非相干积分累加次数，当运动速度大于150m/s时，相干积分累加时长最大为3ms，如果运动速度大于250m/s且还有3g以上的加速度，则相干积分累加时长不超过1ms，g为地球重力加速度；

其中在相干积分累加时间内，对采集到的卫星信号的中频信号进行二次采样，即所有数据分解为多组，使得每组中的数据点均位于1个伪随机码元内，之后依次进行傅里叶变换、傅里叶逆变换、DCT变换、IDCT变换、模值平方和门限判决处理。

2.根据权利要求1所述的多模GNSS组合接收机兼容捕获方法，其特征在于，所述DCT变换后，将所得结果的高频部分数据置零，然后进行所述的IDCT变换。

3.根据权利要求1所述的多模GNSS组合接收机兼容捕获方法，其特征在于，所述的调整相干积分累加时间的方法为：当载噪比大于等于38Db/Hz，保持当前的相干积分累加时间不变；当载噪比小于38Db/Hz，增大相干积分累加时间。

4.根据权利要求3所述的多模GNSS组合接收机兼容捕获方法，其特征在于，在所述的捕获处理中还包括动态的调整相干积分累加时间的上限值，方法为：

当载体速度小于等于150m/s时，GPS/Galileo系统的相干积分累加时间的上限值设置为10ms，Compass系统的相干积分累加时间的上限值设置为8ms。

5.根据权利要求4所述的多模GNSS组合接收机兼容捕获方法，其特征在于，当载体速度大于250m/s且具有3g以上的加速度时，则相干积分累加时长为1ms。

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