CN109581435B - Gnss信号双步捕获数据符号翻转消除方法及装置 - Google Patents

Gnss信号双步捕获数据符号翻转消除方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法及装置，涉及信号处理技术领域，包括：调节选取最优捕获参数；第一步GNSS信号捕获中估计码相位延迟提取第一步GNSS信号捕获中估计码相位延迟以使GNSS接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置相对齐；在第二步GNSS信号捕获中估计多普勒频移GNSS信号捕获结果综合优化。本发明优点在于：有效消除了GNSS信号存在数据符号翻转导致的CAF主峰分裂效应，并提升GNSS信号捕获灵敏度；因此，所发明的GNSS信号双步捕获方法有效解决了GNSS信号数据符号翻转的问题，从而提高GNSS信号捕获性能，有效适用于新一代GNSS信号。

Description

GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法及装置
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，更具体涉及GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法及装置。
背景技术
随着新的全球导航卫星系统(GNSS)的出现，例如北斗二代导航系统、伽利略和GPS现代化，新的信号和新的调制方式不断引入以满足日益增长的位置、导航和定位服务需求。导航数据(电文)符号翻转可能发生在卫星导航接收机GNSS信号捕获任何伪码周期内。一般而言，GNSS信号捕获灵敏度可通过积分技术进行提升，例如，相干积分和非相干积分。众所周知，增加相干积分时间会提高信号捕获灵敏度，但是导航数据符号翻转的存在限制了可获取的最优性能。若采用快速傅立叶变换(Fast Fourier Transform，FFT)进行循环相关，在积分周期内发生的导航数据符号翻转将导致交叉模糊函数(Cross AmbiguityFunction，CAF)主峰沿多普勒频移方向分裂成两个较小的旁瓣；基于FFT的时域快速捕获方法受CAF主峰分裂效应影响，严重损害GNSS信号捕获性能，造成卫星导航接收机无法工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于现有GNSS信号捕获技术中存在导航数据符号翻转会引起CAF峰值分裂问题。
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：
GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法，包括以下步骤：
步骤1：调节选取最优捕获参数；
步骤2：第一步信号捕获中估计码相位延迟
步骤3：GNSS接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置相对齐；
步骤4：在第二步信号捕获中估计多普勒频移
步骤5：GNSS信号捕获结果综合优化。
更进一步地，所述步骤1中根据GNSS接收机工作环境的接收信号载噪比，调节选取最优捕获参数实现特定信号环境下GNSS信号捕获，所述步骤1中所述捕获参数包括相干积分周期数N、非相干积分周期数K。
更进一步地，所述步骤2中第一步信号捕获过程中估计码相位延迟的具体过程如下：
步骤2.1：第一步信号捕获中进行相干积分后CAF的包络为：
其中，表示相干积分过程中第n个贡献值，y(k)为GNSS接收信号，j表示虚根单位，fIF表示接收机的中频，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，c[k]＝c(kTs)为GNSS接收机本地伪码，Ts表示采样时间，sb[k]＝sb(kTs)为二进制偏置载波BOC(1,1)子载波，/>表示对/>进行快速傅立叶变换(FFT)，FFT[c(k)sb(k)]表示对c(k)sb(k)进行快速傅里叶变换，IFFT表示FFT的逆变换，(·)*表示复数取共轭；
公式(1)中，表示对/>从n＝1到n＝N1进行累加求和，/>是GNSS接收机本地伪随机噪声码延迟，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N1是第一步信号捕获中应用于相干积分过程的积分周期数；
步骤2.2：在相干积分操作之后执行非相干积分，非相干积分CAF包络为：
公式(2)中，是对/>从k＝1到k＝K1进行累加求和，/>是非相干积分过程中第k个相干积分CAF包络，K1是计算/>的非相干积分周期数；
步骤2.3：对GNSS接收机本地伪码的码相位和本地载波的多普勒频移进行估计，获得估计对则有：
公式(3)中，是第一步信号捕获中的估计对，ML表示最大似然估计，是第一步信号捕获中码相位的估计量，/>表示第一步信号捕获中多普勒频移的估计量，argmax(f(x))表示使得f(x)取最大值的x值；
步骤2.4：在第一步信号捕获中，码相位延迟的估计值被保留为有效，而多普勒频移的估计值/>被舍弃，这是由于多普勒频移的估计值/>通常遭受CAF主瓣分裂效应的影响而不准确。
更进一步地，所述步骤3中利用第一步GNSS信号捕获中获取的码相位延迟估计值提取新的输入信号向量以使GNSS接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置相对齐。
更进一步地，所述步骤4中第二步信号捕获中估计多普勒频移的具体过程如下：
步骤4.1：第二步信号捕获中相干积分CAF包络写为：
公式(4)中，是对/>从n＝1到n＝N2进行累加求和，/>是GNSS接收机本地码相位延迟，/>是GNSS接收机本地载波多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N2是第二步信号捕获中相干积分的积分周期数；
步骤4.2：将非相干积分CAF包络写为：
公式(5)中，是对/>从k＝1到k＝K2进行非相干累加求和，是非相干积分过程中第k个相干积分CAF包络，K2是计算/>的非相干积分周期数；
步骤4.3：在第二步信号捕获中，获得估计对则：
公式(6)中，是第二步信号捕获的估计对，/>是第二步信号捕获中码相位估计量，/>是第二步信号捕获中多普勒频移估计量，/>是使/>取得最大值所对应的码相位和多普勒频移；
步骤4.4：将多普勒频移估计保留。
更进一步地，所述步骤5中通常选取第一步信号捕获中码相位估计值和第二步信号捕获中多普勒频移估计值/>另外，根据GNSS信号中数据符号翻转位置对齐精度的情况，还可将第二步信号捕获中码相位估计值/>与第一步信号捕获中码延迟估计值/>进行综合处理以优化码相位估计结果。
GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除装置，包括：
调节模块：用于调节捕获参数，满足GNSS信号捕获要求；
码延迟模块：用于第一步信号捕获过程中估计码相位延迟
数据符号翻转对齐模块：用于GNSS接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置相对齐；
多普勒频移模块：用于在第二步信号捕获中估计多普勒频移
优化模块：用于综合利用第一步信号捕获和第二步信号捕获所获取的估计信息对信号捕获结果进行优化。
更进一步地，所述调节模块根据GNSS接收机工作环境的接收信号载噪比，调节选取最优捕获参数实现特定信号环境下GNSS信号捕获，所述调节模块中所述参数包括相干积分周期数N、非相干积分周期数K。
更进一步地，所述码延迟模块包括：
第一相干积分单元：第一步信号捕获中进行相干积分后CAF的包络为：
其中，表示相干积分过程中第n个贡献值，y(k)为GNSS接收信号，j表示虚根单位，fIF表示接收机的中频，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，c[k]＝c(kTs)为GNSS接收机本地伪码序列，Ts表示采样时间，sb[k]＝sb(kTs)为二进制偏置载波BOC(1,1)子载波，/>表示对/>进行快速傅立叶变换(FFT)，FFT[c(k)sb(k)]表示对c(k)sb(k)进行快速傅里叶变换，IFFT表示FFT的逆变换，(·)*表示复数取共轭；
公式(7)中，表示对/>从n＝1到n＝N1进行累加求和，/>是GNSS接收机本地伪随机噪声码的码相位延迟，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，是相干积分过程中第n个相关输出值，N1是第一步信号捕获中应用于相干积分过程的积分周期数；
第一非相干积分单元：在相干积分操作之后执行非相干积分，完成非相干积分后CAF包络为：
公式(8)中，是对/>从k＝1到k＝K1进行累加求和，/>是非相干积分中第k个相干积分CAF包络，/>是对/>进行平方，K1是计算的非相干积分周期数；
第一估计单元：对GNSS接收机本地伪码的码相位和本地载波的多普勒频移进行估计，获得估计对则：
公式(9)中，是第一步信号捕获中的估计对，ML表示最大似然估计，是第一步信号捕获中码相位的估计量，/>表示第一步信号捕获中多普勒频移的估计量，argmax(f(x))表示使得f(x)取最大值的x值；
第一区分单元：在第一步信号捕获中，码相位延迟的估计值被保留为有效，而多普勒频移的估计值/>被舍弃。
更进一步地，所述数据符号翻转对齐模块利用第一步GNSS信号捕获中估计码相位延迟提取新的GNSS输入信号向量，以使GNSS接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置相对齐。
更进一步地，所述多普勒频移模块包括：
第二相干积分单元：用于第二步信号捕获中相干积分CAF包络写为：
公式(10)中，是对/>从n＝1到n＝N2进行累加求和，/>是GNSS接收机本地伪码的码相位延迟，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N2是第二步信号捕获中相干积分的积分周期数；
第二非相干积分单元：用于将非相干积分CAF包络写为：
公式(11)中，是对/>从k＝1到k＝K2进行非相干累加求和，是非相干积分过程中第k个相干积分CAF包络，K2是计算/>的非相干积分周期数；
第二估计单元：在第二步信号捕获中，获得估计对则：
公式(12)中，是第二步信号捕获的估计对，/>是对应第二步信号捕获的码相位延迟/>的估计码延迟和/>是对应第二步信号捕获的多普勒频移/>的估计多普勒频移；/>是使得/>取得最大值所对应的变量/>
第二区分单元：用于将多普勒频移估计保留。
更进一步地，所述优化模块综合利用第一步信号捕获和第二步信号捕获所获取的估计信息对信号捕获结果进行优化，所述优化模块包括：
通常，选取第一步信号捕获中码相位估计值和第二步信号捕获中多普勒频移估计值/>另外，根据GNSS信号中数据符号翻转位置对齐精度的情况，还可将第二步信号捕获中码相位估计值/>与第一步信号捕获中码延迟估计值/>进行综合处理以优化码相位估计结果。
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明一种GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法有效地解决了交叉模糊函数(CAF)在搜索空间沿多普勒频移轴的主峰分裂问题，并在存在导航数据符号翻转情况下提供可靠的捕获性能，提升了GNSS信号捕获灵敏度，有效适用于新一代GNSS信号。
本发明利用在存在导航数据符号翻转的情况下，CAF主峰分裂只发生在多普勒频移域，而在码延迟域中CAF主峰位置几乎保持不变的特点，构建GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法从CAF包络提取码相位和多普勒频移的有效信息。在第一步信号捕获中，实现对GNSS接收信号码相位的有效恢复从而得到其估计值，使得GNSS接收机本地伪码能够与GNSS接收信号中数据符号翻转位置对齐，从而粗略地消除GNSS接收信号中导航数据符号翻转；利用第一步信号捕获中所恢复的码相位信息辅助，在第二步信号捕获中继而恢复多普勒频移信息。综合利用第一步信号捕获和第二步信号捕获所获取的估计信息对GNSS信号捕获结果进行进一步优化。
附图说明
图1为本发明实施例的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法的流程图。
图2为伽利略E1开放业务(OS)二进制偏置载波(BOC)(1,1)信号存在导航电文符号翻转时交叉模糊函数(CAF)主峰在搜索空间中沿多普勒频移轴方向分裂成两个较小的旁瓣。
图3为针对伽利略E1开放业务(OS)二进制偏置载波(BOC)(1,1)信号存在导航电文符号翻转且载噪比C/N0值为45dB-Hz时采用本发明方法有效消除交叉模糊函数(CAF)在搜索空间中沿多普勒频移轴所发生的主瓣分裂效应。
图4为伽利略E1开放业务信号存在导航电文符号翻转条件下，采用本发明方法来对伽利略导航信号的伪码相位和载波多普勒频移进行有效估计。
图5为在相干积分周期N＝2、非相干积分周期K＝6和载噪比C/N0分别为32dB-Hz和34dB-Hz条件下本发明方法与传统捕获方法的ROC曲线性能对比。
图6为针对伽利略E1开放业务BOC(1,1)信号，在N＝2，K＝6和和虚警概率Pfa＝10-3条件下，本发明方法与传统捕获方法的信噪比曲线性能对比分析。
图7为本发明实施例的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除装置的功能框图。
图8为本发明实施例的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除装置的码延迟模块的功能框图。
图9为本发明实施例的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除装置的多普勒频移模块的功能框图。
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1所示，GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法，包括以下步骤：
步骤1：根据GNSS接收机工作环境的接收信号载噪比，调节选取最优捕获参数实现特定信号环境下GNSS信号捕获，所述捕获参数包括相干积分周期数N、非相干积分周期数K。
步骤2：第一步信号捕获过程中估计码相位延迟以使卫星导航接收机本地伪随机噪声码序列与GNSS接收信号中导航数据符号翻转相对齐；
步骤2,1：第一步信号捕获中进行相干积分后CAF的包络为：
其中，表示相干积分过程中第n个贡献值，y(k)为GNSS接收信号，j表示虚根单位，fIF表示接收机的中频，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，c[k]＝c(kTs)为GNSS接收机本地伪码，Ts表示采样时间，sb[k]＝sb(kTs)为二进制偏置载波BOC(1,1)子载波，/>表示对/>进行快速傅立叶变换(FFT)，FFT[c(k)sb(k)]表示对c(k)sb(k)进行快速傅里叶变换，IFFT表示FFT的逆变换，(·)*表示复数取共轭；
公式(1)中，表示对/>从n＝1到n＝N1进行累加求和，/>是GNSS接收机本地伪随机噪声码延迟，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N1是第一步信号捕获中应用于相干积分过程的积分周期数；
步骤2.2：在相干积分操作之后执行非相干积分，非相干积分CAF包络为：
公式(2)中，是对/>从k＝1到k＝K1进行累加求和，/>是非相干积分过程中第k个相干积分CAF包络，K1是计算/>的非相干积分周期数；
步骤2.3：对GNSS接收机本地伪码的码相位和本地载波的多普勒频移进行估计，获得估计量则有：
公式(3)中，是第一步信号捕获中的估计对，ML表示最大似然估计，是第一步信号捕获中码相位的估计量，/>表示第一步信号捕获中多普勒频移的估计量，argmax(f(x))表示使得f(x)取最大值的x值；
步骤2.4：在第一步信号捕获中，码相位延迟的估计值被保留为有效，而由于CAF主瓣分裂效应影响，多普勒频移的估计值/>通常被舍弃；
步骤3：利用第一步GNSS信号捕获中获取的码相位延迟估计值提取新的输入信号向量以使GNSS接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置相对齐。
步骤4：在第二步信号捕获中获得多普勒频移估计值
步骤4.1：第二步信号捕获中相干积分CAF包络写为：
公式(4)中，是对/>从n＝1到n＝N2进行累加求和，/>是GNSS接收机本地码相位延迟，/>是GNSS接收机本地载波多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N2是第二步信号捕获中相干积分的积分周期数；
步骤4.2：将非相干积分CAF包络写为：
公式(5)中，是对/>从k＝1到k＝K2进行非相干累加求和，是非相干积分过程中第k个相干积分CAF包络，K2是计算/>的非相干积分周期数；
步骤4.3：在第二步信号捕获中，获得估计对则：
公式(6)中，是第二步信号捕获的估计对，/>是第二步信号捕获中码相位估计量，/>是第二步信号捕获中多普勒频移估计量，/>是使取得最大值所对应的码相位和多普勒频移；
步骤4.4：在第二步信号捕获中保留多普勒频移估计值由于执行新的信号对齐，码相位延迟的估计值/>应为空值，可将其舍弃，或将其与第一步信号捕获中码延迟估计值/>相结合进而对码相位进行精确估计。
步骤5：通常，选取第一步信号捕获中码相位估计值和第二步信号捕获中多普勒频移估计值/>另外，根据GNSS信号中数据符号翻转位置对齐精度的情况，还可将第二步信号捕获中码相位估计值/>与第一步信号捕获中码延迟估计值/>进行综合处理以优化码相位估计结果。
如图2所示，在信号捕获第一步中，只有码相位的估计值被有效保留，而多普勒频移估计值/>则被舍弃，因为多普勒频移估计值/>受到CAF主峰分裂效应的影响而不准确；将第一步信号捕获中所估计的码相位延迟/>用于提取与卫星导航接收机本地伪码相对齐的新的GNSS输入信号向量，这样使得导航数据符号翻转几乎消失；在第二步信号捕获中估计多普勒频移，并再次采用相干积分和非相干积分。
如图3所示使用GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法在搜索空间中对CAF包络(对于一个伪码周期)进行评估：
对于伽利略E1民用BOC(1,1)信号，在存在导航数据符号翻转、载噪比C/N0＝45dB-Hz的情况下，采用GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法来对CAF包络进行评估。图3中分别在码相位轴向的开始和结束位置出现两个CAF峰值，这是由于导航数据符号翻转位置已对齐，GNSS信号第二步捕获中码相位变为零。
图4表示在存在导航数据符号翻转情况下，采用发明的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法来对GNSS接收信号的伪码相位和载波多普勒频移进行估计。图4上图显示在第二步信号捕获中CAF主瓣处于多普勒频移的正确位置(fd＝3500Hz)处，图4下图显示GNSS信号第一步捕获所提供的高精度码相位估计值能够使得卫星导航接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置完好对齐，并且在第二步信号捕获中码相位估计值/>为零。
图5采用接收机工作特征(ReceiverOperative Characteristic，ROC)曲线对比分析不同情况下GNSS信号捕获性能：不存在导航数据符号翻转的传统快速捕获、存在导航数据符号翻转的传统快速捕获以及所发明的存在导航数据符号翻转的双步捕获数据符号翻转消除方法，其中，载噪比C/N0分别为32dB-Hz和34dB-Hz时，相干积分周期N＝2、非相干积分周期K＝6。图5表明，当GNSS接收信号存在导航数据符号翻转时，在载噪比C/N0分别为32dB-Hz和34dB-Hz两种情况下，从检测概概率角度，所发明的双步捕获数据符号翻转消除方法均比传统的快速捕获方法提供更好的捕获性能。
图6还采用信噪比(Signal-to-Noise Ratio，SNR)曲线表征GNSS信号捕获的检测概率与GNSS接收信号载噪比C/N0的变化关系。在图6中，给定虚警概率Pfa＝10-3，发明的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法能够有效解决GNSS信号捕获中导航数据符号翻转造成的CAF主瓣分裂问题，在GNSS信号存在导航数据符号翻转情况下其捕获性能明显优于传统的捕获技术，进一步证实所发明方法的合理性和有效性。
本发明利用在存在数据符号翻转的情况下，CAF主峰分裂只发生在多普勒频移域而在码延迟域中CAF主峰位置几乎保持不变的特点，构建GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法以便从CAF包络提取码相位和多普勒频移的有效信息，其中，在第一步信号捕获中实现对GNSS接收信号码相位的有效恢复从而得到其估计值，这样GNSS接收机本地伪码能够与GNSS接收信号中数据符号翻转位置对齐，以粗略地消除GNSS接收信号中导航数据符号翻转，从而能够在第二步信号捕获中有效恢复多普勒频移信息，并综合利用双步信号捕获的估计信息对捕获结果进行优化。
本发明提供的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法的主要思想是利用基于FFT的时域快速捕获其CAF在搜索空间中多普勒频移维度信息遭受导航数据符号翻转引起CAF主瓣分裂效应的破坏而其码相位维度信息依然可以有效恢复的特点，采用双步捕获方法先恢复码相位信息继而通过码相位信息辅助来恢复多普勒频移信息。该方法在第一步信号捕获中恢复码延迟以粗略消除GNSS接收信号中导航数据符号翻转，从而在第二步信号捕获中能够恢复多谱勒频移。为了提高GNSS信号捕获的运行效率，在GNSS信号双步捕获步骤中，通常采用基于FFT的时域快速捕获技术。
本发明所提出的双步捕获策略在GNSS信号存在导航数据符号翻转情况下能够提供比传统快速捕获更好的捕获性能，其满足了新一代GNSS信号体制设计和调制方式的要求。本发明一种GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法有效解决了交叉模糊函数(CAF)在搜索空间沿多普勒频移轴的主峰分裂问题，并在存在导航数据符号翻转情况下提供可靠的捕获性能，显著提升了GNSS信号捕获灵敏度，有效适应于新一代GNSS信号。
如图7所示，GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除装置，包括：
调节模块100：用于调节捕获参数从而满足特定信号环境下GNSS信号捕获要求，调节参数包括相干积分周期数N、非相干积分周期数K；
码延迟模块200：用于第一步信号捕获过程中估计码相位延迟
数据符号翻转对齐模块300：用于将GNSS接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置相对齐；
多普勒频移模块400：用于在第二步信号捕获中估计多普勒频移
优化模块500：用于综合利用第一步信号捕获和第二步信号捕获所获取的估计信息对GNSS信号捕获结果进行优化。
如图8所示，码延迟模块200包括：
第一相干积分单元210：相干积分CAF包络为：
其中，表示相干积分过程中第n个贡献值，y(k)为GNSS接收信号，j表示虚根单位，fIF表示接收机的中频，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，c[k]＝c(kTs)为GNSS接收机本地伪码，Ts表示采样时间，sb[k]＝sb(kTs)为二进制偏置载波BOC(1,1)子载波，/>表示对/>进行快速傅立叶变换(FFT)，FFT[c(k)sb(k)]表示对c(k)sb(k)进行快速傅里叶变换，IFFT表示FFT的逆变换，(·)*表示复数取共轭；
公式(1)中，，表示对/>从n＝1到n＝N1进行累加求和，/>是GNSS接收机本地伪随机噪声码延迟，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N1是第一步信号捕获中应用于相干积分过程的积分周期数；
第一非相干积分单元220：在相干积分操作之后执行非相干积分，非相干积分CAF包络为：
公式(2)中，是对/>从k＝1到k＝K1进行累加求和，/>是非相干积分过程中第k个相干积分CAF包络，K1是计算/>的非相干积分周期数；
第一估计单元230：对GNSS接收机本地伪码的码相位和本地载波的多普勒频移进行估计，获得估计对则有：
公式(3)中，是第一步信号捕获中估计对，ML表示最大似然估计，/>是第一步信号捕获中码相位的估计量，/>表示第一步信号捕获中多普勒频移的估计量，argmax(f(x))表示使f(x)取最大值的x值；
第一区分单元240：用于将码相位延迟的估计值保留，而多普勒频移的估计值/>被舍弃。
如图9所示，多普勒频移模块400包括：
第二相干积分单元410：用于将相干积分CAF包络写为：
公式(4)中，表示第二步信号捕获中相干积分CAF包络，/>是对从n＝1到n＝N2进行相干累加求和，/>是GNSS接收机本地码相位延迟，/>是GNSS接收机本地载波多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N2是第二步信号捕获中相干积分的积分周期数；
第二非相干积分单元420：用于将非相干积分CAF包络写为：/>
公式(5)中，是对/>从k＝1到k＝K2进行非相干累加求和，是非相干积分过程中第k个相干积分CAF包络，K2是计算/>的非相干积分周期数；
第二估计单元430：用于根据非相干积分CAF包络，获得估计对则：
公式(3)中，是第二步信号捕获的估计对，/>是第二步信号捕获中码相位估计量，/>是第二步信号捕获中多普勒频移估计量，/>是使/>取得最大值所对应的码相位和多普勒频移；
第二区分单元440：用于将多普勒频移估计值保留，码相位延迟的估计值/>应为空值，可舍弃，或将其与第一步信号捕获中码延迟估计值/>相结合进而对码相位进行精确估计。
综上，在步骤1中，根据卫星导航接收机工作环境接收信号载噪比，调节信号捕获中相干积分周期数和非相干积分周期数，以满足特定信号环境下GNSS信号捕获性能要求。在步骤2中，只有码延迟估计值被有效保留，而多普勒频移估计值/>被舍弃，因为多普勒频移估计/>受到CAF峰分裂效应的影响。在步骤3中利用第一步信号捕获中获得的码相位延迟估计值/>提取新的GNSS信号输入向量使得GNSS接收机本地伪码序列与GNSS接收信号中数据符号翻转位置相对齐，这样，GNSS接收信号中数据符号翻转效应几乎消失。在步骤4中利用第一步信号捕获所获得的码相位估计信息进行辅助，在第二步GNSS信号捕获中估计多普勒频移/>在步骤5中综合利用双步信号捕获的估计量对GNSS信号捕获结果进一步优化。通过与传统的卫星导航快速捕获方法进行比较，分析结果表明所发明的双步信号捕获数据符号翻转消除方法能够有效解决GNSS信号中数据符号翻转造成的CAF主峰分裂效应，有效提升GNSS信号捕获性能。
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 (8)

1.GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：调节选取最优捕获参数；
步骤2：第一步GNSS信号捕获中估计码相位延迟
所述步骤2中第一步GNSS信号捕获中估计码相位延迟的具体过程如下：
步骤2.1：第一步信号捕获中进行相干积分后CAF的包络为：
其中，表示相干积分过程中第n个贡献值，y[k]为GNSS接收信号，j表示虚根单位，fIF表示接收机的中频，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，c[k]＝c(kTs)为GNSS接收机本地伪码，Ts表示采样时间，sb[k]＝sb(kTs)为二进制偏置载波BOC(1,1)子载波，/>表示对/>进行快速傅立叶变换(FFT)，FFT[c(k)sb(k)]表示对c(k)sb(k)进行快速傅里叶变换，IFFT表示FFT的逆变换，(·)*表示复数取共轭；
公式(1)中，表示对/>从n＝1到n＝N1进行累加求和，/>是GNSS接收机本地伪随机噪声码延迟，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N1是第一步信号捕获中应用于相干积分过程的积分周期数；
步骤2.2：在相干积分操作之后执行非相干积分，非相干积分CAF包络为：
公式(2)中，是对/>从k＝1到k＝K1进行累加求和，/>是非相干积分过程中第k个相干积分CAF包络，K1是计算/>的非相干积分周期数；
步骤2.3：对GNSS接收机本地伪码的码相位和本地载波的多普勒频移进行估计，获得估计量则有：
公式(3)中，是第一步信号捕获中的估计对，ML表示最大似然估计，/>是第一步信号捕获中码相位的估计量，/>表示第一步信号捕获中多普勒频移的估计量，argmax(f(x))表示使得f(x)取最大值的x值；
步骤2.4：在第一步信号捕获中，码相位延迟的估计值被保留为有效，而多普勒频移的估计值/>被舍弃，这是由于多普勒频移的估计值/>通常遭受CAF主瓣分裂效应的影响而不准确；
步骤3：提取第一步GNSS信号捕获中估计码相位延迟以使GNSS接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置相对齐；
步骤4：在第二步GNSS信号捕获中估计多普勒频移
步骤5：GNSS信号捕获结果综合优化。
2.根据权利要求1所述的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法，其特征在于，所述步骤1中调节选取最优捕获参数包括：
在GNSS信号捕获中，根据GNSS接收机工作环境的接收信号载噪比，调节选取最优捕获参数实现特定信号环境下GNSS信号捕获，所述步骤1中所述捕获参数包括相干积分周期数N、非相干积分周期数K。
3.根据权利要求1所述的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法，其特征在于，所述步骤3中GNSS信号中数据符号翻转位置对齐的具体过程如下：
利用第一步GNSS信号捕获中获取的码相位延迟估计值提取新的输入信号向量以使GNSS接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置相对齐。
4.根据权利要求1所述的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法，其特征在于，所述步骤4中第二步信号捕获中估计多普勒频移的具体过程如下：
步骤4.1：第二步信号捕获中相干积分CAF包络写为：
公式(4)中，是对/>从n＝1到n＝N2进行累加求和，/>是GNSS接收机本地码相位延迟，/>是GNSS接收机本地载波多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N2是第二步信号捕获中相干积分的积分周期数；
步骤4.2：非相干积分CAF包络写为：
公式(5)中，是对/>从k＝1到k＝K2进行累加求和，/>是非相干积分过程中第k个相干积分CAF包络，K2是计算/>的非相干积分周期数；
步骤4.3：在第二步信号捕获中，可获得估计量则：
公式(6)中，是第二步信号捕获的估计对，/>是第二步信号捕获中码相位的估计量，/>是第二步信号捕获中多普勒频移的估计量，/>是使/>取得最大值所对应的码相位和多普勒频移；
步骤4.4：在第二步信号捕获中保留多普勒频移估计值由于执行新的信号对齐，码相位延迟的估计值/>理论上为空值，可将其舍弃，也可将其与第一步信号捕获中码延迟估计值/>相结合进而对码相位进行精确估计。
5.根据权利要求1所述的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除方法，其特征在于，所述步骤5中GNSS信号捕获结果综合优化的具体过程为：
通常，选取第一步信号捕获中码相位估计值和第二步信号捕获中多普勒频移估计值另外，根据GNSS信号中数据符号翻转位置对齐精度的情况，还可将第二步信号捕获中码相位估计值/>与第一步信号捕获中码延迟估计值/>进行综合处理以优化码相位估计结果。
6.GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除装置，其特征在于，包括：
调节模块：用于调节捕获参数，满足信号捕获要求；
码延迟模块：用于在第一步GNSS信号捕获中估计码相位延迟
所述码延迟模块包括：
第一相干积分单元：第一步信号捕获中完成相干积分后CAF的包络为：
其中，表示相干积分过程中第n个贡献值，y[k]为GNSS接收信号，j表示虚根单位，fIF表示接收机的中频，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，c[k]＝c(kTs)为GNSS接收机本地伪码序列，Ts表示采样时间，sb[k]＝sb(kTs)为二进制偏置载波BOC(1,1)子载波，/>表示对/>进行快速傅立叶变换(FFT)，FFT[c(k)sb(k)]表示对c(k)sb(k)进行快速傅里叶变换，IFFT表示FFT的逆变换，(·)*表示复数取共轭；
公式(7)中，表示对/>从n＝1到n＝N1进行累加求和，/>是GNSS接收机本地伪随机噪声码的码相位延迟，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N1是第一步信号捕获中应用于相干积分过程的积分周期数；
第一非相干积分单元：在相干积分操作之后执行非相干积分，完成非相干积分后CAF包络为：
公式(8)中，是对/>从k＝1到k＝K1进行累加求和，/>是非相干积分中第k个相干积分CAF包络，/>是对/>进行平方，K1是计算/>的非相干积分周期数；
第一估计单元：对GNSS接收机本地伪码的码相位和本地载波的多普勒频移进行估计，获得估计对则：
公式(9)中，是第一步信号捕获中的估计对，ML表示最大似然估计，/>是第一步信号捕获中码相位的估计量，/>表示第一步信号捕获中多普勒频移的估计量，argmax(f(x))表示使得f(x)取最大值的x值；
第一区分单元：在第一步信号捕获中，码相位延迟的估计值被保留为有效，而多普勒频移的估计值/>被舍弃；
数据符号翻转对齐模块：用于利用第一步GNSS信号捕获中估计码相位延迟提取新的GNSS输入信号向量，以使GNSS接收机本地伪码与GNSS接收信号中导航数据符号翻转位置相对齐；
多普勒频移模块：用于在第二步GNSS信号捕获中估计多普勒频移
优化模块：用于综合利用第一步信号捕获和第二步信号捕获所获取的估计信息对信号捕获结果进行优化。
7.根据权利要求6所述的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除装置，其特征在于，所述调节模块根据GNSS接收机工作环境的接收信号载噪比，调节选取最优捕获参数实现特定信号环境下GNSS信号捕获，所述调节模块中所述参数包括相干积分周期数N、非相干积分周期数K。
8.根据权利要求6所述的GNSS信号双步捕获数据符号翻转消除装置，其特征在于，所述多普勒频移模块包括：
第二相干积分单元：用于第二步信号捕获中相干积分CAF包络写为：
公式(10)中，是对/>从n＝1到n＝N2进行累加求和，/>是GNSS接收机本地伪码的码相位延迟，/>是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，/>是相干积分过程中第n个相关输出值，N2是第二步信号捕获中相干积分的积分周期数；
第二非相干积分单元：用于将非相干积分CAF包络写为：
公式(11)中，是对/>从k＝1到k＝K2进行累加求和，/>是非相干积分过程中第k个相干积分CAF包络，K2是计算/>的非相干积分周期数；
第二估计单元：在第二步信号捕获中，获得估计对则：
公式(12)中，是第二步信号捕获的估计对，/>是第二步信号捕获中码相位估计量，/>是第二步信号捕获中多普勒频移估计量，/>是使/>取得最大值所对应的码相位和多普勒频移；
第二区分单元：用于将多普勒频移估计保留。
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