CN109490919A - 一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法及装置，涉及信号处理领域，包括：将复合GNSS信号与GNSS接收机本地载波相乘，再分别与GNSS接收机本地伪码的数据分量、导频分量相乘继而进行积分操作；数据信道的同相支路、正交支路相关输出相结合形成数据信道的复相关输出量，导频信道的同相支路、正交支路相关输出相结合形成导频信道的复相关输出；本发明从虚警概率、检测概率等性能指标能够显著提升GNSS接收机的捕获灵敏度。本发明优点在于：联合数据信道和导频信道差分组合策略相比于传统单信道捕获技术能够带来捕获性能改善，本发明方法显著提升GNSS接收机在弱信号环境下的捕获灵敏度。

Description

一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法及装置

技术领域

本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法及装置。

背景技术

新的复合GNSS信号包含数据信道和导频信道，在捕获新的复合GNSS信号中，为了避免数据符号翻转的问题，现有的常规方法是采用单信道捕获技术，如图1所示，即单独使用导频信道。新的GNSS信号数据信道和导频信道分量经历相同的传输环境，因此它们受到相同码相位延迟和多普勒频移的影响，而且载波相位差严格保持180°。如果仅使用单一导频信道，其缺点是导航卫星所发射功率就会损失一半；当捕获GNSS弱信号时，如果忽略数据信道，只利用导频信道的信号功率，GNSS接收机捕获性能较差，特别是在弱信号环境中，这种功率损失会导致GNSS接收机无法正常工作。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于忽略数据信道分量，只处理导频信道分量，仅利用了一半有用信号，这样GNSS接收机无法有效捕获GNSS信号。

本发明的目的是提供一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，采用复合GNSS信号多信道差分相干组合策略，以解决现有技术无法解决的信道功率损失问题，以及所带来的GNSS接收机在弱信号环境下无法正常工作的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，具体技术方案如下：

一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，包括以下步骤：

步骤1：卫星导航接收机输入复合GNSS信号为y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道，将输入的复合GNSS信号y[n]在与接收机本地载波(含正弦、余弦)相乘，使得数据信道和导频信道形成相应的同相(In-phase，I)支路和正交(Quadrature，Q)支路，其中，f_IF为GNSS接收机中频，是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，f_s是GNSS接收机的采样率；

步骤2：将数据信道和导频信道在同相(I)、正交(Q)支路上乘以相应的接收机本地伪码后再进行相干积分，分别产生同相(I)分量和正交(Q)分量其中，X代表信道，X＝D或P；

步骤3：将数据信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加可得：

将导频信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加可得：

公式(1)、(2)中，分别对应于数据信道的同相和正交相关器输出；和分别对应于导频信道的同相和正交相关器输出；其中，f_IF为GNSS接收机的中频，是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，f_S是GNSS接收机的采样率；表示GNSS接收机本地伪码的码相位；j代表虚根单位。

步骤4：将数据信道的复相关输出与导频信道的复相关输出进行差分相干组合即可获得差分乘积项，取该差分乘积项的实部的绝对值即可获得单一积分周期的检测变量即有下式：

式中，Re(·)表示复数取实部，是的共轭,差分乘积项引入绝对值运算符号主要考虑到数据信道和导频信道的载波信号之间存在180°相位差，由此消除对导航电文和次级码符号的依赖。

步骤5：如果不存在可用的GNSS信号，或者GNSS接收信号不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H₀条件下，那么当检测变量超过检测阈值β时，导致虚警事件；另一方面，如果GNSS有用信号存在并且它与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐，即在备择假设H₁下，那么当检测变量超过检测阈值β时，表示检测事件发生。；由此，虚警和检测概率分别定义如下：

式中，是在H₀假设下检测变量的条件概率密度函数；是在H₁假设下检测变量的条件概率密度函数。

所述步骤4中检测变量中的还可改写成：

在零假设H₀条件下，公式(6)中每个元素都服从高斯分布其中，为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出的方差，和都服从中心χ²分布，因此，等价于两个独立的中心χ²分布之差。

所述步骤5中所述卫星导航接收机未接收到GNSS有用信号，或者检测变量未与卫星导航接收机本地伪码正确对齐，包括：

在零假设H₀条件下，由于伪码的正交特性，检测变量是中心χ²分布，具有两个自由度，利用中心χ²分布性质能够求得差分相干信道组合的虚警概率。其中，所述通过使用中心χ²分布能够获得差分相干信道组合的虚警概率的具体过程为：

用来表示在零假设H₀情况下的条件概率密度函数：

检测变量在零假设H₀的情况下条件概率密度为可知检测变量在零假设H₀的情况下呈指数分布，这是Gamma分布的特例，即则在单一积分周期内，差分相干信道组合的虚警概率为：

所述步骤5中所述卫星导航有用信号存在并且与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐情况下，包括：

在备择假设H₁下，决策变量服从非中心χ²分布，具有两个自由度和非中心参数λ，则非中心性参数λ为：

式中，R(·)是本地伪码和经过滤波的GNSS接收信号伪码之间的互相关函数；是接收机本地载波多普勒频移与GNSS接收信号载波多普勒频移之差；是接收机本地码相位和GNSS接收信号码相位之间的差异，由采样间隔T_S进行归一化；C是GNSS接收机天线端的接收信号功率；N表示可见导航卫星颗数。通过非中心χ²分布特性可以获得差分相干信道组合的检测概率。

所述通过非中心χ²分布计算差分相干信道组合的检测概率的具体过程为：

若用来表示在H₁假设下的条件概率密度函数：

则检测变量在备择假设H₁的情况下的条件概率密度函数为：

在单一积分周期上，即当K＝1时，差分相干信道组合的检测概率为：

式中，为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出量的方差，Q₁(a,b)是广义的一阶Marcum Q函数，β为检测阈值，λ是非中心性参数。

一种卫星导航接收机高灵敏度捕获装置，包括：

分离模块：用于输入复合GNSS信号y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道分量，将输入的复合信号y[n]在接收机中频乘以卫星导航接收机的本地正弦、余弦载波，使得数据信道和导频信道都获得相应的同相(I)、正交(Q)两个输出，其中，f_IF为中频，是多普勒频移，f_s是接收机的采样率；

乘法模块：用于将数据信道和导频信道乘以GNSS接收机的相应的本地伪码和本地载波，然后进行相干积分，数据信道和导频信道都产生同相(I)分量和正交(Q)分量；

加法模块：用于将数据信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加，则：

将导频信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加，则：

公式(1)、(2)中，和分别对应于数据信道的同相和正交支路上相关器输出；和分别对应于导频信道的同相和正交支路上相关器输出；其中，f_IF为GNSS接收机的中频，是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，f_S是GNSS接收机的采样率；表示GNSS接收机本地伪码的码相位延迟；j代表虚根单位。

组合模块：用于将数据信道中相关器输出与来自导频信道的相关器输出通过差分相干方式进行组合，构建决策变量可得下式：

式中，是的共轭复数；

判断模块：用于当决策变量超过预设的检测阈值β时，表示检测到信号。如果所接收到信号中没有GNSS有用信号出现，或者决策变量不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H₀下，决策变量超过检测阈值即表示发生虚警事件；如果所接收到信号中存在GNSS有用信号并且与GNSS接收机本地伪码和本地载波正确对准，即在备择假设H₁情况下，表示发生检测事件。因此，虚警概率和检测概率分别定义为：

其中，是在零假设H₀条件下检测变量的条件概率密度函数；是在备择假设H₁条件下决策变量的条件概率密度函数。

本发明相比现有技术具有以下优点：

本发明将将复合GNSS信号与GNSS接收机本地载波相乘，再分别与GNSS接收机本地伪码的数据分量、导频分量相乘继而进行积分操作；数据信道的同相支路、正交支路相关输出相结合形成数据信道的复相关输出量，导频信道的同相支路、正交支路相关输出相结合形成导频信道的复相关输出；采用差分相干信道组合模式，将数据信道的复相关输出与导频信道的复相关输出的共轭进行相乘得到差分复乘积，然后对该差分乘积项的实部引入绝对值运算获得单一积分周期的检测量，最后通过对K个积分周期的检测量进行非相干累加建立捕获决策变量，从而有效提升GNSS接收机的捕获灵敏度。本发明中采用差分相干信道组合技术，充分利用数据/导频结构来提高卫星导航接收机的捕获灵敏度，有效提升了弱信号环境下卫星导航接收机的捕获灵敏度；联合数据/导频信道差分相干组合策略相比于传统的单信道捕获技术具有显著的捕获性能改善。

附图说明

图1为现有技术的常规的GNSS信号捕获过程。

图2为本发明一种卫星导航接收机高灵敏度捕获的原理图。

图3为本发明实施例的卫星导航接收机高灵敏度捕获方法针对Galileo E1OS信号在载噪比C/N₀＝30dB-Hz、相干积分时间等于4ms的情况下运用ROC曲线与现有不同捕获方法进行性能比较。

图4为本发明实施例的卫星导航接收机高灵敏度捕获方法针对Galileo E1OS信号在载噪比C/N₀＝32dB-Hz、相干积分时间等于4ms的情况下运用ROC曲线与现有不同捕获方法进行性能比较。

图5为本发明实施例的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获装置的功能框图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，包括以下步骤：

步骤1：卫星导航接收机输入复合GNSS信号为y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道，将输入的复合GNSS信号y[n]在与GNSS接收机本地载波(含正弦、余弦)相乘，使得数据信道和导频信道形成相应的同相(In-phase，I)支路和正交(Quadrature，Q)支路，其中，f_IF为GNSS接收机中频，是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，f_s是GNSS接收机的采样率；

步骤2：将数据信道和导频信道在同相(I)、正交(Q)支路上乘以相应的接收机本地伪码后再进行相干积分，分别产生同相(I)分量和正交(Q)分量其中，X代表信道，X＝D或P；

步骤3：将数据信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加可得：

将导频信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加可得：

公式(1)、(2)中，分别对应于数据信道的同相和正交相关器输出；和分别对应于导频信道的同相和正交相关器输出；其中，f_IF为GNSS接收机的中频，是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，f_S是GNSS接收机的采样率；表示GNSS接收机本地伪码的码相位；j代表虚根单位。

步骤4：将数据信道的复相关输出与导频信道的复相关输出进行差分相干组合即可获得差分乘积项，取该差分乘积项的实部的绝对值即可获得单一积分周期的检测变量即有下式：

式中，Re(·)表示复数取实部，是的共轭,差分乘积项引入绝对值运算符号主要考虑到数据信道和导频信道的载波信号之间存在180°相位差，由此消除对导航电文和次级码符号的依赖。

检测变量中的还可改写成：

在零假设H₀条件下，公式(4)中每个元素都服从高斯分布其中，为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出的方差，和都服从中心χ²分布，因此，等价于两个独立的中心χ²分布之差。

步骤5：如果不存在可用的GNSS信号，或者GNSS接收信号不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H₀条件下，那么当检测变量超过检测阈值β时，导致虚警事件；另一方面，如果GNSS有用信号存在并且它与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐，即在备择假设H₁下，那么当检测变量超过检测阈值β时，表示检测事件发生。因此，虚警和检测概率分别定义如下：

式中，是在H₀假设下检测变量的条件概率密度函数；是在H₁假设下检测变量的条件概率密度函数。

卫星导航接收机未接收到GNSS有用信号，或者检测变量不与卫星导航接收机本地伪码正确对齐，即在零假设H₀条件下，由于伪码的正交特性，检测变量是中心χ²分布，具有两个自由度，利用中心χ²分布性质能够求得差分相干信道组合的虚警概率。

通过使用中心χ²分布计算差分相干信道组合的虚警概率的具体过程为：

用来表示在零假设H₀情况下的条件概率密度函数：

检测变量在零假设H₀的情况下条件概率密度为可知检测变量在零假设H₀的情况下呈指数分布，这是Gamma分布的特例，即则在单一积分周期内，差分相干信道组合的虚警概率为：

卫星导航有用信号存在并且与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐情况下，即在备择假设H₁下，决策变量服从非中心χ²分布，具有两个自由度和非中心参数λ，则非中心性参数λ为：

式中，R(·)是本地伪码和经过滤波的GNSS接收信号伪码之间的互相关函数；是接收机本地载波多普勒频移与GNSS接收信号载波多普勒频移之差；是接收机本地码相位和GNSS接收信号码相位之间的差异，由采样间隔T_S进行归一化；C是GNSS接收机天线端的接收信号功率；N表示可见导航卫星颗数。通过非中心χ²分布特性可以获得差分相干信道组合的检测概率。

通过非中心χ²分布计算差分相干信道组合的检测概率的具体过程为：

若用来表示在H₁假设下的条件概率密度函数：

则检测量在备择假设H₁的情况下的条件概率密度函数为：

在单一积分周期上，即当K＝1时，差分相干信道组合的检测概率为：

式中，为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出量的方差，Q₁(a,b)是广义的一阶Marcum Q函数，β为检测阈值，λ是非中心性参数。

如图3、图4所示，针对伽利略E1OS信号，在信噪比C/N₀分别为30dB-Hz、32dB-Hz、相干积分时间均为4ms的情况下，将所发明的高灵敏度捕获方法通过运用接收机操作特性曲线(Receiver Operating Characteristic curve，ROC)与单信道非相干积分、单信道差分相干、双信道差分比较组合方法对捕获性能进行比较分析。分析结果表明本发明的卫星导航接收机高灵敏度捕获方法能够提供的捕获性能明显优于其它捕获方法，有效证明了本发明方法能够有效提高GNSS接收机的捕获灵敏度。

如图5所示，一种卫星导航接收机高灵敏度捕获装置，包括：

分离模块100：用于输入复合GNSS信号y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道分量，将输入的复合信号y[n]在乘以卫星导航接收机的本地正弦、余弦载波，使得数据信道和导频信道都获得相应的同相(I)、正交(Q)两个输出，其中，f_IF为中频，是多普勒频移，f_s是接收机的采样率；

乘法模块200：用于将数据信道和导频信道乘以GNSS接收机的相应的本地伪码和本地载波，然后进行相干积分，数据信道和导频信道都产生同相(I)分量和正交(Q)分量；

加法模块300：用于将数据信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加，则：

将导频信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加，则：

公式(1)、(2)中，和分别对应于数据信道的同相和正交支路上相关器输出；和分别对应于导频信道的同相和正交支路上相关器输出；其中，f_IF为GNSS接收机的中频，是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，f_S是GNSS接收机的采样率；表示GNSS接收机本地伪码的码相位延迟；j代表虚根单位。

组合模块400：用于将数据信道中相关器输出与来自导频信道的相关器输出通过差分相干方式进行组合，构建决策变量可得下式：

式中，是的共轭复数；

判断模块500：用于当决策变量超过预设的检测阈值β时，表示检测到信号。如果所接收到信号中没有GNSS有用信号出现，或者决策变量不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H₀下，决策变量超过检测阈值即表示发生虚警事件；如果所接收到信号中存在GNSS有用信号并且与GNSS接收机本地伪码和本地载波正确对准，即在备择假设H₁情况下，表示发生检测事件。因此，虚警概率和检测概率分别定义为：

其中，是在零假设H₀条件下决策量的条件概率密度函数；是在备择假设H₁条件下决策量的条件概率密度函数。

综上，本发明提供一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，采用联合信道差分相干组合策略，充分利用数据/导频结构来提高卫星导航接收机的捕获灵敏度，有效提升了弱信号环境下卫星导航接收机的捕获灵敏度，发明的卫星导航接收机高灵敏度捕获方法联合数据/导频信道进行差分相干组合相比于传统的单信道捕获技术而言能够显著提升GNSS接收机的捕获性能。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：卫星导航接收机输入复合GNSS信号为y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道，将输入的复合GNSS信号y[n]在数字中频与GNSS接收机本地载波(含正弦、余弦)相乘，使得数据信道和导频信道形成相应的同相(I)支路和正交(Q)支路，其中，f_IF为GNSS接收机中频，是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，f_s是GNSS接收机的采样率；

步骤2：将数据信道和导频信道在同相(I)、正交(Q)支路上乘以相应的接收机本地伪码后再进行相干积分，分别产生同相(I)分量和正交(Q)分量其中，X代表信道，X＝D或P；

步骤3：将数据信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加可得：

将导频信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加可得：

公式(1)、(2)中，分别对应于数据信道的同相和正交相关器输出；和分别对应于导频信道的同相和正交相关器输出；其中，f_IF为GNSS接收机的中频，是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，f_S是GNSS接收机的采样率；表示GNSS接收机本地伪码的码相位；j代表虚根单位。

步骤4：将数据信道的复相关输出与导频信道的复相关输出进行差分相干组合即可获得差分乘积项，选取该差分乘积项的实部的绝对值即可获得单一积分周期的检测量即有下式：

式中，Re(·)表示复数取实部，是的共轭,差分乘积项引入绝对值运算符号主要考虑到数据信道和导频信道的载波信号之间存在180°相位差，由此消除对导航电文和次级码符号的依赖。

步骤5：如果不存在可用的GNSS信号，或者GNSS接收信号不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H₀条件下，那么当检测变量超过检测阈值β时，导致虚警事件；另一方面，如果GNSS有用信号存在并且它与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐，即在备择假设H₁下，那么当检测变量超过检测阈值β时，表示检测事件发生。；由此，虚警概率和检测概率分别定义如下：

式中，是在H₀假设下检测量的条件概率密度函数；是在H₁假设下检测量的条件概率密度函数。

2.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，上述步骤4中检测量中的还可改写成：

在零假设H₀条件下，公式(6)中每个元素都服从高斯分布其中，为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出的方差，和都服从中心χ²分布，因此，等价于两个独立的中心χ²分布之差。

3.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，所述步骤5中所述卫星导航接收机未接收到GNSS有用信号，或者检测变量不与卫星导航接收机本地伪码正确对齐，包括：

在零假设H₀条件下，由于伪码的正交特性，检测量是中心χ²分布，具有两个自由度，利用中心χ²分布性质能够求得差分相干信道组合的虚警概率。

4.根据权利要求3所述的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，所述通过使用中心χ²分布特性能够获得差分相干信道组合的虚警概率的具体过程为：

用来表示在零假设H₀条件下的条件概率密度函数：

检测量在零假设H₀情况下的条件概率密度为可知检测量在零假设H₀情况下呈指数分布，这是Gamma分布的特例，即则在单一积分周期内，差分相干信道组合的虚警概率为：

5.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，所述步骤5中所述卫星导航有用信号存在并且与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐情况下，包括：

在备择假设H₁条件下，检测量服从非中心χ²分布，具有两个自由度和非中心性参数λ，则非中心性参数λ为：

式中，R(·)是本地伪码和经过滤波的GNSS接收信号伪码之间的互相关函数；是接收机本地载波多普勒频移与GNSS接收信号载波多普勒频移之差；；是接收机本地码相位和GNSS接收信号码相位之间的差异，由采样间隔T_S进行归一化；C是GNSS接收机天线端的接收信号功率；N表示可见导航卫星颗数。通过非中心χ²分布特性可计算差分相干信道组合的检测概率。

6.根据权利要求5所述的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，所述通过非中心χ²分布求解差分相干信道组合的检测概率的具体过程为：

用来表示在H₁假设下的条件概率密度函数：

检测量在备择假设H₁情况下的条件概率密度函数为：

在单一积分周期上，即当K＝1时，差分相干信道组合的检测概率为：

式中，为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出量的方差，Q₁(a,b)是广义的一阶Marcum Q函数，β为检测阈值，λ是非中心性参数。

7.一种卫星导航接收机高灵敏度捕获装置，其特征包括：

分离模块：用于输入复合GNSS信号y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道分量，将输入的复合信号y[n]在乘以卫星导航接收机的本地正弦、余弦载波，从而数据信道和导频信道都获得相应的同相(I)、正交(Q)两个输出，其中，f_IF为中频，是多普勒频移，f_s是采样率；

乘法模块：用于将数据信道Y_D和导频信道Y_P的同相(I)、正交(Q)都乘以本地伪码，然后进行相干积分，分别产生同相(I)分量和正交(Q)分量：

加法模块：用于将数据信道Y_D的同相(I)分量和正交(Q)分量相加得：

将导频信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加可得：

公式(1)、(2)中，分别对应于数据信道的同相和正交支路上相关器输出，和分别对应于导频信道的同相和正交支路上相关器输出，表示卫星导航接收机本地伪码的码相位延迟，j代表虚根单位。

组合模块：用于将数据信道中相关器输出与来自导频信道的相关器输出通过差分相干方式进行组合，构建决策变量可得下式：

式中，是的共轭复数；

判断模块：用于当决策变量超过预设的检测阈值β时，表示检测到信号。如果所接收到信号中没有GNSS有用信号出现，或者决策变量不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H₀下，决策变量超过检测阈值即表示发生虚警事件；如果所接收到信号中存在GNSS有用信号并且与GNSS接收机本地伪码和本地载波正确对准，即在备择假设H₁情况下，表示发生检测事件。因此，虚警概率和检测概率分别定义为：

式中，是在H₀假设下检测量的条件概率密度函数；是在H₁假设下检测量的条件概率密度函数。