CN113009524A - 长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法及系统。该方法首选获取中频输入信号及卫星信号多普勒频率估计值；然后根据多普勒频率估计值得到伪码相位估计值；再对中频输入信号通过时间窗滑动，依次得到各时间窗的相关性指标，并将相关性指标按序保存于数组中；在数组中通过搜索最小值判断是否存在导航电文比特跳变点，若存在则对跳变点进行标记；最后处理输入中频数据，剔除导航电文比特翻转现象。本发明可以在信号遮挡或具有干扰下保持正常接收GNSS信号，通过采用导航电文比特翻转估计与校正方法，可以延长GNSS信号捕获算法的预相干积分时间，提高信号捕获灵敏度，与未校正导航电文比特翻转时的情况相比，可提高捕获灵敏度6dB以上。

Description

长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法及系统
技术领域
本发明属于卫星信号处理领域，具体涉及一种长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法及系统。
背景技术
全球卫星导航定位系统(GNSS)是一种以卫星为基础的无线电导航系统，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[1,2]，已经应用于国民经济与日常生活的各个领域，如地面交通监管、飞机与船舶导航、精密受时、大地测量等[2]。目前，全球范围内已投入应用的全球卫星导航定位系统有GPS系统、GLONASS系统和我国自主研发的Compass(北斗)系统。
GPS信号(扩频信号)到达地面接收机时已相当微弱，大约为-130dBmW，比接收机内部热噪声低20～30dB。特别的，在室内、城市、森林等复杂环境(本文中统称为室内环境)中，GPS接收信噪比更低，而室内环境恰是人类活动的主要环境之一。
文献调研表明，长时间预相干积分是进一步提高捕获处理增益的首选方法。
当预相干积分累加时间超过20ms时，导航电文比特翻转将显著影响预相干积分的处理增益，降低了弱信号捕获能力。为此，本发明将估计并去除GNSS 信号中导航电文比特翻转的影响，提高长时间预相干积分捕获计算的信号处理增益。
提高GNSS信号捕获灵敏度是很有必要的。目前，虽然国内外已经有相关文献研究GNSS信号的高灵敏度捕获算法，在高灵敏度捕获建模方面已做了一定研究工作。经文献调研后认为，平方损耗和多普勒残差成为低信噪比环境下影响捕获性能的主要因素，而且，采用预相干积分累加可克服平方损耗的影响，是提高捕获灵敏度的首先方法。但由于导航电文比特翻转(或跳变)会降低信号处理增益，因此，相干累加时间受导航电文比特位长的限制。有文献研究了导航电文比特翻转的估计与补偿方法，但经项目组实验检测发现，其方法不仅计算复杂度较高，而且存在漏检、虚检等问题。为了实现快速高效的GNSS信号高灵敏度捕获，在民航、铁路交通等对可靠性要求较高领域中得到推广应用，亟待于研究辅助 GNSS信号高灵敏度快速捕获的导航电文比特翻转估计算法与理论，解决上述关键科学问题。
发明内容
为了克服现有GPS接收机灵敏度低而不能给出定位结果的不足，本发明提供一种辅助实现GNSS信号高灵敏度捕获的导航电文比特翻转估计方法及系统模块，使用该方法和系统的接收机可提高GNSS信号捕获灵敏度，提高GNSS 弱信号的检测和锁定能力。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下。
一方面，本发明提供了一种长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，其步骤如下：
S1：获取GNSS中频输入信号、信号数据时长TI以及卫星与接收机相对运动引起的多普勒频率估计值；
S2：根据所述每一颗卫星信号的多普勒频率估计值，基于伪码相位与多普勒频率之间的函数关系式，得到伪码相位估计值；
S3：针对总长为TI的GNSS中频输入信号，将一个时长为t的时间窗以1 个伪码周期为滑动步长从头到尾进行滑动，并对每个滑动位置的时间窗执行 S31～S34，从而得到每个时间窗对应的相关性指标，并将获得的相关性指标按序保存为数组aaa的一个元素；
S31：依据所述多普勒频率估计值，生成本地载波信号，然后与当前时间窗内的GNSS中频输入信号相乘，最后对相乘结果做傅里叶变换转换到频域，得到第一信号R1；
S32：根据所述伪码相位估计值，生成本地伪码信号，然后对本地伪码信号做共轭傅里叶变换转换到频域，得到第二信号S1；
S33：将所述第一信号R1和第二信号S1在频域上相乘，得到相乘结果R1*S1；
S34：针对相乘结果R1*S1，保留R1*S1的前m个点，后面所有点归零，然后进行逆傅里叶变换转换到时域上，再计算变换结果的最后n1个点的平均值，作为相关性指标保存在数组aaa内；
S4：基于搜索最小值点的方式，在数组aaa中通过搜索最小值判断是否存在导航电文比特跳变点，若存在则对跳变点进行标记；
S5：根据跳变点标记信息处理GNSS输入中频数据，剔除导航电文比特翻转现象，得到处理后GNSS中频信号并进行输出，用于后续的捕获处理。
作为优选，所述S2中，首先通过仿真获取捕获算法输出的多普勒频率捕获值和伪码相位捕获值的集合，然后采用多项式拟合法得到伪码相位与多普勒频率之间的函数关系式；根据该函数关系式，由输入的多普勒频率估计值fdop计算伪码相位估计值cPhase；所述的函数关系式形式优选为：
Figure BDA0002947470440000031
作为优选，所述S2中，根据所述函数关系式由输入的多普勒频率估计值fdop 计算伪码相位估计值cPhase后，需进一步对取值进行调整优化，优化方法为：
在cPhase前后按照预设长度选择一个伪码相位取值区间，然后在所述伪码相位取值区间中按照预设间隔进行采样；依据卫星编号，针对每个采样值生成对应的本地伪码信号；再计算不同采样值对应的本地伪码信号与GNSS中频输入信号之间的相关值，选择相关值最大时的采样值作为最终的伪码相位估计值 cPhase。
作为优选，所述伪码相位取值区间为cPhase前后10000内的区间，所述预设间隔为200，对应GNSS中频输入信号的采样频率为38.192MHz。
作为优选，所述S3中，最终得到的数组aaa的第i个元素记为aaa(i)：
aaa(i)＝mean(sigtco[j-n1:j])
式中：mean表示取所有点的平均值操作；sigtco[j-n1:j]表示sigtco的第j-n 到j个点；sigtco＝IFFT(sigfr*·prnfr[1:m])；IFFT表示逆傅里叶变换操作，sigfr为第i个时长为t的伪码周期对应的第一信号R1，prnfr表示第i个伪码周期对应的第二信号S1，sigfr*·prnfr[1:m]表示sigfr*·prnfr的前面m个点。
作为优选，所述S7的实现方法为：
针对数组aaa中记录的相关性指标，搜寻指标最小值并判断最小值是否小于设定阈值，如果不满足则结束当前卫星的信号搜索，如果满足则将最小值对应的点记录为跳变候选点，并判断后续若干个电文周期内同位置的相关性指标是否小于约束阈值，如果有满足的则与跳变候选点配对后标记，作为导航电文比特跳变点输出。
作为优选，所述S5中，剔除导航电文比特翻转现象的处理方法为：得到导航电文比特跳变点后，将每次跳转后的IGIFS数据乘以-1以消除导航电文比特翻转的影响，然后采用消除导航电文比特翻转影响后的数据作为捕获算法的输入数据，得到导航电文比特翻转校正后的捕获结果。
作为优选，预相干积分累加时间超过导航电文比特长度时，运行多普勒频率残差的估计和校正算法，算法如下：
将时长为TI毫秒经平方运算后的GNSS中频输入信号分成M个长度为N的子块，将多普勒频率补偿后的本地载波的二倍频信号也分成M个长度为N的子块；首先，利用FFT变换对输入信号的子块和本地载波二倍频信号的子块一一对应进行相关运算，得到M个相关结果，相关结果
Figure BDA0002947470440000041
中含有多普勒频率校正残差项
Figure BDA0002947470440000042
fd表示多普勒频移真实值，
Figure BDA0002947470440000043
表示多普勒频移估计值；然后，对M个相关结果
Figure BDA0002947470440000044
进行(M-1)次的差分累加，得到累加结果：
Figure BDA0002947470440000045
其中：
Figure BDA0002947470440000046
表示
Figure BDA0002947470440000047
共轭；
对累加结果进行处理和变换，得出多普勒频移误差的估计值
Figure BDA0002947470440000048
Figure BDA0002947470440000049
最后用估计值
Figure BDA00029474704400000410
对载波多普勒频率估计值
Figure BDA00029474704400000411
进行校正：
Figure BDA00029474704400000412
另一方面，本发明提供了一种长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计系统，其包括依次连接的伪码相位估计调整模块、伪码傅里叶变换模块、载波生成与傅里叶变换模块、相乘与逆傅里叶变换模块、均值检测量计算模块、比特跳变搜索检测模块和电文去除模块；
所述伪码相位估计调整模块的输入端接收多普勒频偏校正模块的多普勒频率估计值，得到伪码相位估计值，其输出与具有本地伪码生成与共轭傅里叶变换功能的伪码傅里叶变换模块的输入端相连；
所述载波生成与傅里叶变换模块的输入端接收多普勒频偏校正模块的多普勒频率估计值，生成本地载波信号，然后与GNSS中频输入信号相乘，最后对相乘结果做傅里叶变换转换到频域，得到第一信号R1；载波生成与傅里叶变换模块的输出端与频域共轭相乘模块的输入端相连接；
所述伪码傅里叶变换模块接收伪码相位估计值，生成本地伪码信号，然后对本地伪码信号做共轭傅里叶变换转换到频域，得到第二信号S1；伪码傅里叶变换模块的输出端与相乘与逆傅里叶变换模块的输入端相连接；
所述相乘与逆傅里叶变换模块模块的输入端接收载波生成与傅里叶变换模块输出的第一信号R1和伪码傅里叶变换模块的第二信号S1，实现第一信号R1 和第二信号S1频域上相乘，得到相乘结果R1*S1；然后，保留R1*S1的前m个点，后面所有点归零，然后进行逆傅里叶变换转换到时域上，即：IFFT(R1*S1)，得到本地信号与输入信号的相关运算输出，相乘与逆傅里叶变换模块的输出端与均值检测量模块的输入端相连接；
所述均值检测量模块的输入端接收相乘与逆傅里叶变换模块输出的相关运算结果IFFT(R1*S1)，计算IFFT(R1*S1)的最后n1个点的平均值，作为测量相关性的指标保存在数组aaa中；均值检测量模块的输出端连接比特跳变搜索检测模块的输入端；
所述跳变搜索检测模块的输入端接收均值检测量模块输出的数组aaa，并在数组aaa中通过搜索最小值判断是否存在导航电文比特跳变点，若存在则对跳变点进行标记；比特跳变搜索检测模块的输出端与存储模块相连，存储模块输出端与电文去除模块的输入端相连接；
所述电文去除模块的输入端接收比特跳变点标记信息，并根据跳变点标记信息处理GNSS输入中频数据，剔除导航电文比特翻转现象，得到处理后GNSS 中频信号并进行输出，用于后续的捕获处理。
作为优选，所述剔除导航电文比特翻转现象的方法为：将每次跳转后的 IGIFS数据乘以-1，消除导航电文比特翻转的影响。
相对于现有技术而言，本发明的有益效果是：本发明可以在信号受到遮挡或一定的环境干扰下保持正常接收GNSS信号，通过采用导航电文比特翻转估计与校正方法，提高GNSS信号捕获灵敏度6dB以上。
附图说明
图1是一种长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法流程图。
图2是实施例中长时间相干积分捕获算法的模块组成结构图，其中包含本发明的长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计系统。
图3是实施例中输入某多普勒频率估计值下的电文比特翻转估计的计算流程；
图4是某次导航电文比特翻转估计的仿真结果，其中横坐标轴为时长，单位是毫秒，纵坐标轴为导航电文比特翻转检测输出，代表输入信号与本地信号的相关值的大小；下冲尖脉冲表示检测到位置上存在电文比特翻转现象。
图5是对应信号解调出来的导航电文，其中横坐标轴为时间，单位是毫秒，纵坐标轴为解调输出的导航电文。
图6是低信噪比环境下导航电文比特翻转校正对捕获算法性能的影响的典型仿真结果。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
卫星定位系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统，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，应用最广的卫星定位系统是美国的GPS，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。
本发明涉及一种卫星接收装置的信号粗同步模块，卫星接收装置由GPS射频接收模块、GPS基带处理模块、电源模块构成，能够连续的给出定位结果，即使短时间信号被遮挡、即使工作在市区楼宇间，也可稳定的给出具有一定精度的定位结果。卫星接收装置的信号粗同步模块即捕获算法模块，本发明提出了一种辅助实现高灵敏度捕获的导航电文比特翻转估计算法。
如图1所示，作为本发明的一种实现形式，提出了一种长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，其具体步骤如下：
S1：获取GNSS中频输入信号、信号数据时长TI以及卫星与接收机相对运动引起的多普勒频率估计值。
S2：根据所述每一颗卫星信号的多普勒频率估计值，基于伪码相位与多普勒频率之间的函数关系式，得到伪码相位估计值。
S3：针对总长为TI的GNSS中频输入信号，将一个时长为t的时间窗以1 个伪码周期为滑动步长从头到尾进行滑动，并对每个滑动位置的时间窗执行 S31～S34，从而得到每个时间窗对应的相关性指标，并将获得的相关性指标按序保存为数组aaa的一个元素；
S31：依据所述多普勒频率估计值，生成本地载波信号，然后与当前时间窗内的GNSS中频输入信号相乘，最后对相乘结果做傅里叶变换转换到频域，得到第一信号R1。
S32：根据所述伪码相位估计值，生成本地伪码信号，然后对本地伪码信号做共轭傅里叶变换转换到频域，得到第二信号S1。
S33：将所述第一信号R1和第二信号S1在频域上相乘，得到相乘结果R1*S1；
S34：针对相乘结果R1*S1，保留R1*S1的前m个点，后面所有点归零，然后进行逆傅里叶变换转换到时域上，再计算变换结果的最后n1个点的平均值，作为相关性指标保存在数组aaa内。
S4：基于搜索最小值点的方式，在数组aaa中通过搜索最小值判断是否存在导航电文比特跳变点，若存在则对跳变点进行标记。
S5：根据跳变点标记信息处理GNSS输入中频数据，剔除导航电文比特翻转现象，得到处理后GNSS中频信号并进行输出，用于后续的捕获处理。
在上述步骤S2中，伪码相位估计值的具体计算方式可以采用以下方法：
首先，通过仿真获取捕获算法输出的多普勒频率捕获值和伪码相位捕获值的集合，然后采用多项式拟合法得到伪码相位与多普勒频率之间的函数关系式；根据该函数关系式，由输入的多普勒频率估计值fdop计算伪码相位估计值cPhase。伪码相位与多普勒频率之间的函数关系式需要根据两个参数的实际捕获值进行拟合，拟合公式可以是多项式，具体的系数会根据拟合样本的不同而变化。例如在后续实施例中，拟合得到的一种函数关系式形式如下：
Figure BDA0002947470440000081
另外上述步骤S2中，根据所述函数关系式由输入的多普勒频率估计值fdop 计算得到的伪码相位估计值cPhase仅仅为一个初估值。该初估值并不一定十分精确，可以进一步对其取值进行调整优化，优化方法为：
在cPhase前后按照预设长度选择一个伪码相位取值区间，然后在所述伪码相位取值区间中按照预设间隔进行采样；依据卫星编号，针对每个采样值生成对应的本地伪码信号；再计算不同采样值对应的本地伪码信号与GNSS中频输入信号之间的相关值，选择相关值最大时的采样值作为最终的伪码相位估计值 cPhase。
上述预设长度及预设间隔可根据实际进行调整，在本发明中伪码相位取值区间可选择为cPhase前后10000内的区间，而预设间隔可选择为200，即伪码相位在取值区间cPhase1∈[cPhase-10000:200:cPhase+10000]。需说明的是，此处的 10000和间隔200，与GNSS中频输入信号采样频率是相关的。采样频率不同，这两个值是不同的，一般通过仿真方式调整这两个值以便尽可能增大本地信号与输入信号的相关值。
另外，上述步骤S3中，数组aaa内的元素是随着时间窗的逐步移动逐个被填充的，时间窗每移动一个步长均重复依次S31～S34，循环计算间隔为1个伪码周期(一般可设置为1ms)、时长为t的1个相关值，由此总共得到(TI-t)个相关值。
上述计算相关值的过程，可以通过公式进行表述，将最终得到的数组aaa 的第i个元素记为aaa(i)，该公式表示为：
aaa(i)＝mean(sigtco[j-n1:j])
式中：mean表示取所有点的平均值操作；sigtco[j-n1:j]表示sigtco的第j-n 到j个点；sigtco＝IFFT(sigfr*·prnfr[1:m])；IFFT表示逆傅里叶变换操作，sigfr为第i个时长为t的伪码周期对应的第一信号R1，prnfr表示第i个伪码周期对应的第二信号S1，sigfr*·prnfr[1:m]表示sigfr*·prnfr的前面m个点。
上述m和n1的具体取值可以根据实际进行调整，本发明中优选m和n1的取值为各自所在数据序列总点数的1/10。
在上述步骤S5中，剔除导航电文比特翻转现象的处理方法为：得到导航电文比特跳变点后，将每次跳转后的IGIFS数据乘以-1以消除导航电文比特翻转的影响，然后采用消除导航电文比特翻转影响后的数据作为捕获算法的输入数据，得到导航电文比特翻转校正后的捕获结果。
另外，上述步骤S7中基于搜索最小值点的方式，在本发明中的具体实现方法如下：
针对数组aaa中记录的所有相关性指标，搜寻相关性指标的最小值并判断该最小值是否小于设定阈值，如果不满足则结束当前卫星的信号搜索，如果满足则将最小值对应的点记录为跳变候选点，并判断后续若干个电文周期内同位置的相关性指标是否小于约束阈值，如果有满足的则与跳变候选点配对后标记，作为导航电文比特跳变点输出。上述设定阈值和约束阈值可以根据需要进行调整。
基于上述长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，还可以进一步提供一种实现该方法的系统，即长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计系统，在该系统中包括依次连接的伪码相位估计调整模块、伪码傅里叶变换模块、载波生成与傅里叶变换模块、相乘与逆傅里叶变换模块、均值检测量计算模块、比特跳变搜索检测模块和电文去除模块。各模块中的具体执行流程如下：
伪码相位估计调整模块的输入端接收多普勒频偏校正模块的多普勒频率估计值，得到伪码相位估计值，其输出与具有本地伪码生成与共轭傅里叶变换功能的伪码傅里叶变换模块的输入端相连。
载波生成与傅里叶变换模块的输入端接收多普勒频偏校正模块的多普勒频率估计值，生成本地载波信号，然后与GNSS中频输入信号相乘，最后对相乘结果做傅里叶变换转换到频域，得到第一信号R1；载波生成与傅里叶变换模块的输出端与频域共轭相乘模块的输入端相连接。
伪码傅里叶变换模块接收伪码相位估计值，生成本地伪码信号，然后对本地伪码信号做共轭傅里叶变换转换到频域，得到第二信号S1；伪码傅里叶变换模块的输出端与相乘与逆傅里叶变换模块的输入端相连接。
相乘与逆傅里叶变换模块模块的输入端接收载波生成与傅里叶变换模块输出的第一信号R1和伪码傅里叶变换模块的第二信号S1，实现第一信号R1和第二信号S1频域上相乘，得到相乘结果R1*S1；然后，保留R1*S1的前m个点，后面所有点归零，然后进行逆傅里叶变换转换到时域上，即：IFFT(R1*S1)，得到本地信号与输入信号的相关运算输出，相乘与逆傅里叶变换模块的输出端与均值检测量模块的输入端相连接。
均值检测量模块的输入端接收相乘与逆傅里叶变换模块输出的相关运算结果IFFT(R1*S1)，计算IFFT(R1*S1)的最后n1个点的平均值，作为测量相关性的指标保存在数组aaa中；均值检测量模块的输出端连接比特跳变搜索检测模块的输入端。
跳变搜索检测模块的输入端接收均值检测量模块输出的数组aaa，并在数组 aaa中通过搜索最小值判断是否存在导航电文比特跳变点，若存在则对跳变点进行标记；比特跳变搜索检测模块的输出端与存储模块相连，存储模块输出端与电文去除模块的输入端相连接。
电文去除模块的输入端接收比特跳变点标记信息，并根据跳变点标记信息处理GNSS输入中频数据，剔除导航电文比特翻转现象，得到处理后GNSS中频信号并进行输出，用于后续的捕获处理。
在电文去除模块中，剔除导航电文比特翻转现象的方法可以为：将每次跳转后的IGIFS数据乘以-1，消除导航电文比特翻转的影响。例如，假设在IGIFS数据的第i、j和k毫秒处IGIFS[1,2,…i,…,j,…k,…]存在导航电文比特翻转点，则通过计算IGIFS[i,…]＝-1·IGIFS[i,…]、IGIFS[j,…]＝-1·IGIFS[j,…]和 IGIFS[k,…]＝-1·IGIFS[k,…]来消除导航电文比特翻转的影响。
基于上述估计方法和估计系统，如果预相干积分累加时间超过导航电文比特长度时，需要运行多普勒频率残差的估计和校正算法，算法如下：
将时长为TI毫秒经平方运算后的GNSS中频输入信号分成M个长度为N的子块，将多普勒频率补偿后的本地载波的二倍频信号也分成M个长度为N的子块；首先，利用FFT变换对输入信号的子块和本地载波二倍频信号的子块一一对应进行相关运算，得到M个相关结果，相关结果
Figure BDA0002947470440000111
中含有多普勒频率校正残差项
Figure BDA0002947470440000112
fd表示多普勒频移真实值，
Figure BDA0002947470440000113
表示多普勒频移估计值；然后，对M个相关结果
Figure BDA0002947470440000114
进行(M-1)次的差分累加，得到累加结果：
Figure BDA0002947470440000115
其中：
Figure BDA0002947470440000116
表示
Figure BDA0002947470440000117
共轭；
对累加结果进行处理和变换，得出多普勒频移误差的估计值
Figure BDA0002947470440000118
Figure BDA0002947470440000119
最后用估计值
Figure BDA00029474704400001110
对载波多普勒频率估计值
Figure BDA00029474704400001111
进行校正：
Figure BDA00029474704400001112
下面将上述方法应用于一个具体实施例中，并通过实施例来展示上述方法和系统的具体实现方式以及技术效果。
实施例
在本实施例中，基于导航电文比特翻转估计系统用于辅助GNSS(全球导航卫星系统)接收机长时间相干积分捕获算法，其整体方案如图2所示。捕获算法模块与GNSS接收机的射频前端电路连接，导航电文比特翻转估计系统位于捕获算法的前端，即载波频率搜索的前面，包括依次连接的伪码相位估计调整模块、伪码FFT模块、载波生成与FFT模块(与输入GNSS中频信号相乘并进行傅里叶变换)、相乘与IFFT(逆傅里叶变换)模块(前m个点的逆傅里叶变换)、均值检测量计算模块(取傅里叶逆变换结果的最后n1个点的平均值，保存在数组aaa 中)、比特跳变搜索检测模块(在数组aaa中搜寻)和电文去除模块。导航电文比特翻转估计系统的输入端与射频前端电路连接，也与多普勒频率估计与补偿模块相连以便获取多普勒频率估计值。
伪码相位估计调整模块的输入端接收多普勒频偏校正模块的多普勒频率估计值，得到伪码相位估计值，其输出与具有本地伪码生成与共轭傅里叶变换功能的伪码FFT模块的输入端相连；
载波生成与FFT模块的输入端接收多普勒频偏校正模块的多普勒频率估计值，生成本地载波信号，然后与GNSS中频输入信号相乘，最后对相乘结果做傅里叶变换转换到频域，得到第一信号R1；载波生成与FFT模块的输出端与频域共轭相乘模块的输入端相连接；
伪码FFT模块接收伪码相位估计值，生成本地伪码信号，然后对本地伪码信号做共轭傅里叶变换转换到频域，得到第二信号S1；伪码FFT模块的输出端与相乘与IFFT模块的输入端相连接；
相乘与IFFT模块模块的输入端接收载波生成与FFT模块输出的第一信号 R1和伪码FFT模块的第二信号S1，实现第一信号R1和第二信号S1频域上相乘，得到相乘结果R1*S1；然后，保留R1*S1的前m(保留前1/10个点)个点，后面所有点归零，然后进行逆傅里叶变换转换到时域上，即：IFFT(R1*S1)，得到本地信号与输入信号的相关运算输出，相乘与IFFT模块的输出端与均值检测量模块的输入端相连接。
均值检测量模块的输入端接收相乘与IFFT模块输出的相关运算结果 IFFT(R1*S1)，计算IFFT(R1*S1)的最后n1个点(计算前1/10个点)的平均值，作为测量相关性的指标保存在数组aaa中；均值检测量模块的输出端连接比特跳变搜索检测模块的输入端。
跳变搜索检测模块的输入端接收均值检测量模块输出的数组aaa，并在数组 aaa中通过搜索最小值判断是否存在导航电文比特跳变点，若存在则对跳变点进行标记：针对数组aaa中记录的相关性指标，搜寻最小值并判断是否小于特定阈值，如果满足则记录为跳变候选点，接着判断下几个导航电文比特周期内同位置的相关性指标是否小于约束阈值，如果有满足的则与跳变候选点配对，作为导航电文比特跳变点输出；比特跳变搜索检测模块的输出端与存储模块相连，存储模块输出端与电文去除模块的输入端相连接。
电文去除模块的输入端接收比特跳变点标记信息，并根据跳变点标记信息处理GNSS输入中频数据，剔除导航电文比特翻转现象，得到处理后GNSS中频信号并进行输出，用于后续的捕获处理。
由此可见，本发明针对GNSS导航用户端接收机系统，提供了一种导航电文比特翻转估计系统，实现导航电文比特翻转的估计与校正，进而辅助实现GNSS 信号的长时间相干累加捕获，提高捕获灵敏度。该系统可高精度的估计多普勒频率，以便提高接收机的灵敏度性能，同时兼顾捕获算法效率。
为了进一步阐述上述估计系统内具体的导航电文比特翻转估计算法，下面结合图3对其算法的具体实现方案和步骤详述如下。
导航电文比特翻转估计算法的输入为TI时长的GNSS中频输入数据、数据时长、多普勒频率估计值，输出为存在电文比特翻转的伪码周期序号和无导航电文的GNSS中频采样数据。针对输入的每个多普勒频偏估计值fdop，电文比特翻转估计的计算方法和具体思路如下1)～9)所述。
1)针对每颗卫星信号，做如下计算：
设循环变量i＝1，循环计算间隔为1个伪码周期、时长为t的相关计算。
2)对第[i:i+t-1]毫秒的数据块，做如下a)～c)计算：
a)由多普勒频率估计值fdop生成本地载波，与输入GNSS信号相乘，然后做傅里叶变换FFT得到sigfr；
b)如果i＝1，做如下计算：
⑴首先，由多普勒频率估计值fdop计算伪码相位的粗略估计值:
cPhase＝(17708.23+7.6×fdop+0.00417×fdop2-6.20657×10-7×fdop3-2.59781×10-10×fdop4)
通过仿真获取捕获算法输出的多普勒频率捕获值和伪码相位捕获值的集合，然后，采用多项式拟合法得到上式，即伪码相位与多普勒频率间的函数关系式。
⑵然后，假设每个伪码周期内的采样点数为38192点，并设 cPhase1＝(cPhase-10000)，进行如下计算：
①依据卫星编号和伪码相位估计值codePhase＝cPhase1modsamplesPerCode，生成本地伪码信号并对其作共轭傅里叶变换得到prnfr；
②做频域上的乘积运算sigfr*·prnfr，取其前面m个点作傅里叶逆变换得到：
③仅取上述计算结果sigtco中最后n1个点的数据，取其平均值后存入数组 aaa(:)，即：aaa(1)＝mean(sigtco[j-n1:j])，其中，j＝t·samplesPerCode， samplesPerCode为每个伪码周期内的采样点数。
如果aaa(1)＜3100且cPhase1＜cPhase+10000，则置 cPhase1＝cPhase1+200，转步骤①；否则做如下判决：如果aaa(i)＜3100，将伪码相位估计值codePhase赋值为aaa(:)取最大值时对应的伪码相位；否则，设置卫星信号检测标志ljb＝1。
c)如果i＞1且i＜TI-t+1，做如下计算：
⑴依据上述i＝1时得到的伪码相位估计值codePhase，生成本地伪码信号，作共轭傅里叶变换得到prnfr；
⑵然后做乘积运算sigfr*·prnfr，取其前面m个点作傅里叶逆变换得到：
sigtco＝IFFT(sigfr*·prnfr[1:m]) (1)
⑶仅取上述计算结果sigtco中最后1毫秒的后n1个点的数据，取其平均值后存入数组aaa(:)，即：aaa(i)＝mean(sigtco[j-n1:j])。
⑷设i＝i+1，如果i＜TI-K+1，返回第⑴步。
3)如果ljb＝1，保存数组aaa(:)为文件以便于分析。
上面步骤1)到步骤3)已经得到间隔为1个伪码周期、时长为t的(TI-t)个相关计算结果。由于比特翻转会导致相干累加结果显著减少。然后，基于搜索最小值点的方式，检测电文比特跳变，采用如下步骤搜索可能存在电文比特翻转的伪码周期序号。
4)为搜索寻找电文比特翻转位置做准备。数组aaa(:)中各元素取绝对值，并设meanaaa＝mean(aaa(:))为数组aaa(:)中元素的平均值，maxaaa＝max(aaa(:))为数组aaa(:)中元素的最大值，minaaa＝min(aaa(:))为数组aaa(:)中元素的最小值；设x1,x2均为小于1大于0的系数，且x1＜x2，j3＝0。
然后，设置循环次数变量ii＝1，串数kk＝0。最后，做如下搜索计算：
5)搜索寻找电文比特翻转位置。
a)首先，求数组aaa(:)的一个最小值minaaa及其下标j1(下标j1代表minaaa在数组aaa(:)中的位置索引)。
设aaa(:)最小值满足下述条件：
minaaa＝min(aaa(:))＜x1·meanaaa (2)
如果上述条件成立，则记录跳变点:j3＝j3+1,bb2(j3)＝aaa(j1),将数组aaa(:)对应位置上的元素置为maxaaa，即aaa(j1)＝maxaaa；并设置bb2(:)的配对标志数组 aal2(:):aa12(j3)＝1；且kk＝kk+1。
b)然后，确认跳变点并检测其他电文比特对应位置上是否也存在电文比特跳变，具体是搜索检查所有其他电文比特对应位置上的取值是否足够小，以便确认该最小值处是否存在电文比特跳变。即：对所有其他电文比特位置上对应位置上的取值逐一进行判决：
aaa(k+j-1)＜x2meanaaa||aaa(k+j)＜x2meanaaa||aaa(k+j+1)＜x2meanaaa (3)
设codePerBit为每个导航电文比特所含的伪码周期数，则j＝(j1)mod(codePerBit)为最小值所在导航电文比特内的伪码周期序号， k＝m×codePerBit,m∈{0,…,(TI-t-1)}，m≠j2表示电文比特序号，
Figure BDA0002947470440000151
为最小值所在的电文比特序号。
如果式(3)所述条件成立，则记录跳变点:j3＝j3+1,bb2(j3)＝aaa(k+j)，同时，aaa(k+j)＝maxaaa，并设置数组元素bb2(j3)的配对标志:aa12(j3)＝1，表示确认bb2(1),bb2(j3)指出aaa(:)对应位置上存在电文跳变。
6)如果式(3)均不成立，则删除数组bb2(:)中对应元素值。因为连续多个导航电文都不跳变的概率很小，因此，可以认为如果所有其他电文比特对应位置上的取值都不满足(3)式，则应该删除bb2(:)中对应元素值；即：设aa12(j3)＝0， bb2(j3)＝0，j3＝j3-1；且kk＝kk-1。
7)如果循环次数变量ii小于给定阈值，返回步骤a)。
8)如果存在多个串，即kk＞1，只保留kk＝1时对应的串。
9)如果已搜索完所有卫星信号，则结束该多普勒频率估值下的计算，否则，转步骤1)。
完成上述计算后，数组bb2(：)中各元素就是存在电文比特跳变的伪码周期序号。
上述方案采用电文比特翻转检测－剔除电文比特翻转－长时间相干累加捕获的方式下，剔除导航电文比特翻转的处理方法为：导航电文比特翻转估计出来后，将每次跳转后的IGIFS数据乘以-1，消除导航电文比特翻转的影响，然后，采用消除导航电文比特翻转影响后的数据作为捕获算法的输入数据，得到导航电文比特翻转校正后的捕获结果。例如，如果在IGIFS数据的第i、j和k毫秒处 IGIFS[1,2,…i,…,j,…k,…]有导航电文比特翻转点，我们通过计算 IGIFS[i,…]＝-1·IGIFS[i,…]、IGIFS[j,…]＝-1·IGIFS[j,…]和IGIFS[k,…]＝-1·IGIFS[k,…]来消除导航电文比特翻转的影响。在消除导航电文比特翻转影响之后，IGIFS数据输入到捕获算法中。
如图2所示，本发明的导航电文比特翻转估计方法是整个GNSS信号捕获算法中的一个辅助部分。除导航电文比特翻转估计与校正外，GNSS信号捕获的其余步骤与普通的GNSS信号码域并行捕获算法一样。整个GNSS信号捕获算法的处理流程为：以GNSS中频采样信号作为输入信号，利用导航电文比特翻转估计系统的检测结果消除GNSS中频采样信号中的导航电文比特翻转对数据的影响，生成不同相位的两路正交本地载波，与此输入GNSS中频采样信号相乘，产生I支路信号和与其正交的Q支路信号。然后I支路和Q支路合为一路复输入信号并进行傅立叶变换，与本地C/A码经过共轭傅立叶变换结果相乘，其结果通过反傅立叶变换转换到时域，再取绝对值，得到输入信号与本地信号间的相关值，最后通过搜索最大相关值判断是否捕获到信号。
进一步的，假如相干积分累加时超过导航电文比特长度(GPS为20毫秒) 时，微小的频率飘移引起的累加数据相位同步误差对累加增益的影响不能忽略，本发明将提出估计和校正载波多普勒频率残差的方案，提高相干累加增益和捕获灵敏度。
分组差分累加结果中必定含有相邻数据块的相位差分信息，本发明公布了将利用该信息估计多普勒频率估计残差的方案，方案思路如下：
将时长为TI毫秒经平方运算后的GNSS中频输入信号分成M个长度为N的子块，将多普勒频率补偿后的本地载波的二倍频信号也分成M个长度为N的子块；首先，利用FFT变换对输入信号的子块和本地载波二倍频信号的子块一一对应进行相关运算，得到M个相关结果，相关结果
Figure BDA0002947470440000171
中含有多普勒频率校正残差项
Figure BDA0002947470440000172
fd表示多普勒频移真实值，
Figure BDA0002947470440000173
表示多普勒频移估计值；然后，对M个相关结果
Figure BDA0002947470440000174
进行(M-1)次的差分累加，得到累加结果：
Figure BDA0002947470440000175
其中：
Figure BDA0002947470440000176
表示
Figure BDA0002947470440000177
共轭；
对累加结果进行处理和变换，得出多普勒频移误差的估计值
Figure BDA0002947470440000178
Figure BDA0002947470440000179
最后用估计值
Figure BDA00029474704400001710
对载波多普勒频率估计值
Figure BDA00029474704400001711
进行校正：
Figure BDA00029474704400001712
修正后的结果进减小了多普勒频率估计残差对捕获性能的影响，提高了多普勒频率估计的精度。
上述导航电文比特翻转估计与校正算法的方案中，为了提高电文比特翻转检测能力，利用GNSS接收机开机跟踪锁定信号后确定的多普勒频率和伪码相位的记录数据，不断校正多普勒频移与伪码相位的函数映射关系，提高由多普勒频率估计值预测伪码相位的精度。
为了证明本发明的技术效果，现给出部分具体数据。其中图4是某次导航电文比特翻转估计的仿真结果，图5是对应信号解调出来的导航电文，而表1也某次导航电文比特翻转估计的仿真结果。将图4、表1与图5进行比对可知，导航电文比特翻转检测算法模块基本可以正确的检测出电文比特跳变时刻。下冲尖脉冲表示检测到位置上存在电文比特翻转现象。
表1某次导航电文比特翻转估计的仿真结果
Figure BDA0002947470440000181
另外，将经过本发明校正导航电文比特翻转后的捕获结果(Acquired signals)和未经过本发明校正导航电文比特翻转后的捕获结果(Not acquired signals)进行对比，结果如图6所示。图中可见信噪比降低25dB后，未校正导航电文比特翻转的影响时，长时间预相干积分捕获算法和DBZP捕获算法均无法捕获到任何 GNSS卫星信号，然而，校正导航电文比特翻转后，长时间预相干积分捕获算法和DBZP捕获算法均可捕获到5颗GNSS卫星的信号，因此，校正导航电文比特翻转的影响可明显提高捕获灵敏度。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，其特征在于，步骤如下：
S1：获取GNSS中频输入信号、信号数据时长TI以及卫星与接收机相对运动引起的多普勒频率估计值；
S2：根据所述每一颗卫星信号的多普勒频率估计值，基于伪码相位与多普勒频率之间的函数关系式，得到伪码相位估计值；
S3：针对总长为TI的GNSS中频输入信号，将一个时长为t的时间窗以1个伪码周期为滑动步长从头到尾进行滑动，并对每个滑动位置的时间窗执行S31～S34，从而得到每个时间窗对应的相关性指标，并将获得的相关性指标按序保存为数组aaa的一个元素；
S31：依据所述多普勒频率估计值，生成本地载波信号，然后与当前时间窗内的GNSS中频输入信号相乘，最后对相乘结果做傅里叶变换转换到频域，得到第一信号R1；
S32：根据所述伪码相位估计值，生成本地伪码信号，然后对本地伪码信号做共轭傅里叶变换转换到频域，得到第二信号S1；
S33：将所述第一信号R1和第二信号S1在频域上相乘，得到相乘结果R1*S1；
S34：针对相乘结果R1*S1，保留R1*S1的前m个点，后面所有点归零，然后进行逆傅里叶变换转换到时域上，再计算变换结果的最后n1个点的平均值，作为相关性指标保存在数组aaa内；
S4：基于搜索最小值点的方式，在数组aaa中通过搜索最小值判断是否存在导航电文比特跳变点，若存在则对跳变点进行标记；
S5：根据跳变点标记信息处理GNSS输入中频数据，剔除导航电文比特翻转现象，得到处理后GNSS中频信号并进行输出，用于后续的捕获处理。
2.如权利要求1所述的长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，其特征在于，所述S2中，首先通过仿真获取捕获算法输出的多普勒频率捕获值和伪码相位捕获值的集合，然后采用多项式拟合法得到伪码相位与多普勒频率之间的函数关系式；根据该函数关系式，由输入的多普勒频率估计值fdop计算伪码相位估计值cPhase；所述的函数关系式形式优选为：
Figure FDA0002947470430000021
3.如权利要求1所述的长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，其特征在于，所述S2中，根据所述函数关系式由输入的多普勒频率估计值fdop计算伪码相位估计值cPhase后，需进一步对取值进行调整优化，优化方法为：
在cPhase前后按照预设长度选择一个伪码相位取值区间，然后在所述伪码相位取值区间中按照预设间隔进行采样；依据卫星编号，针对每个采样值生成对应的本地伪码信号；再计算不同采样值对应的本地伪码信号与GNSS中频输入信号之间的相关值，选择相关值最大时的采样值作为最终的伪码相位估计值cPhase。
4.如权利要求3所述的长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，其特征在于，所述伪码相位取值区间为cPhase前后10000内的区间，所述预设间隔为200，对应的GNSS中频输入信号采样频率为38.192MHz。
5.如权利要求1所述的长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，其特征在于，所述S3中，最终得到的数组aaa的第i个元素记为aaa(i)：
aaa(i)＝mean(sigtco[j-n1:j])
式中：mean表示取所有点的平均值操作；sigtco[j-n1:j]表示sigtco的第j-n到j个点；sigtco＝IFFT(sigfr*·prnfr[1:m])；IFFT表示逆傅里叶变换操作，sigfr为第i个时长为t的伪码周期对应的第一信号R1，prnfr表示第i个伪码周期对应的第二信号S1，sigfr*·prnfr[1:m]表示sigfr*·prnfr的前面m个点。
6.如权利要求1所述的长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，其特征在于，所述S4的实现方法为：
针对数组aaa中记录的相关性指标，搜寻指标最小值并判断最小值是否小于设定阈值，如果不满足则结束当前卫星的信号搜索，如果满足则将最小值对应的点记录为跳变候选点，并判断后续若干个电文周期内同位置的相关性指标是否小于约束阈值，如果有满足的则与跳变候选点配对后标记，作为导航电文比特跳变点输出。
7.如权利要求1所述的长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，其特征在于，所述S5中，剔除导航电文比特翻转现象的处理方法为：得到导航电文比特跳变点后，将每次跳转后的IGIFS数据乘以-1以消除导航电文比特翻转的影响，然后采用消除导航电文比特翻转影响后的数据作为捕获算法的输入数据，得到导航电文比特翻转校正后的捕获结果。
8.如权利要求1所述的长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计方法，其特征在于，预相干积分累加时间超过导航电文比特长度时，运行多普勒频率残差的估计和校正算法，算法如下：
将时长为TI毫秒经平方运算后的GNSS中频输入信号分成M个长度为N的子块，将多普勒频率补偿后的本地载波的二倍频信号也分成M个长度为N的子块；首先，利用FFT变换对输入信号的子块和本地载波二倍频信号的子块一一对应进行相关运算，得到M个相关结果，相关结果
Figure FDA0002947470430000031
中含有多普勒频率校正残差项
Figure FDA0002947470430000032
fd表示多普勒频移真实值，
Figure FDA0002947470430000033
表示多普勒频移估计值；然后，对M个相关结果
Figure FDA0002947470430000034
进行(M-1)次的差分累加，得到累加结果：
Figure FDA0002947470430000035
其中：
Figure FDA0002947470430000036
表示
Figure FDA0002947470430000037
共轭；
对累加结果进行处理和变换，得出多普勒频移误差的估计值
Figure FDA0002947470430000038
Figure FDA0002947470430000039
最后用估计值
Figure FDA00029474704300000310
对载波多普勒频率估计值
Figure FDA00029474704300000311
进行校正：
Figure FDA00029474704300000312
9.一种长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计系统，其特征在于，包括依次连接的伪码相位估计调整模块、伪码傅里叶变换模块、载波生成与傅里叶变换模块、相乘与逆傅里叶变换模块、均值检测量计算模块、比特跳变搜索检测模块和电文去除模块；
所述伪码相位估计调整模块的输入端接收多普勒频偏校正模块的多普勒频率估计值，得到伪码相位估计值，其输出与具有本地伪码生成与共轭傅里叶变换功能的伪码傅里叶变换模块的输入端相连；
所述载波生成与傅里叶变换模块的输入端接收多普勒频偏校正模块的多普勒频率估计值，生成本地载波信号，然后与GNSS中频输入信号相乘，最后对相乘结果做傅里叶变换转换到频域，得到第一信号R1；载波生成与傅里叶变换模块的输出端与频域共轭相乘模块的输入端相连接；
所述伪码傅里叶变换模块接收伪码相位估计值，生成本地伪码信号，然后对本地伪码信号做共轭傅里叶变换转换到频域，得到第二信号S1；伪码傅里叶变换模块的输出端与相乘与逆傅里叶变换模块的输入端相连接；
所述相乘与逆傅里叶变换模块模块的输入端接收载波生成与傅里叶变换模块输出的第一信号R1和伪码傅里叶变换模块的第二信号S1，实现第一信号R1和第二信号S1频域上相乘，得到相乘结果R1*S1；然后，保留R1*S1的前m个点，后面所有点归零，然后进行逆傅里叶变换转换到时域上，即：IFFT(R1*S1)，得到本地信号与输入信号的相关运算输出，相乘与逆傅里叶变换模块的输出端与均值检测量模块的输入端相连接；
所述均值检测量模块的输入端接收相乘与逆傅里叶变换模块输出的相关运算结果IFFT(R1*S1)，计算IFFT(R1*S1)的最后n1个点的平均值，作为测量相关性的指标保存在数组aaa中；均值检测量模块的输出端连接比特跳变搜索检测模块的输入端；
所述跳变搜索检测模块的输入端接收均值检测量模块输出的数组aaa，并在数组aaa中通过搜索最小值判断是否存在导航电文比特跳变点，若存在则对跳变点进行标记；比特跳变搜索检测模块的输出端与存储模块相连，存储模块输出端与电文去除模块的输入端相连接；
所述电文去除模块的输入端接收比特跳变点标记信息，并根据跳变点标记信息处理GNSS输入中频数据，剔除导航电文比特翻转现象，得到处理后GNSS中频信号并进行输出，用于后续的捕获处理。
10.如权利要求9所述的长时间相干积分捕获的导航电文比特翻转估计系统，其特征在于，所述剔除导航电文比特翻转现象的方法为：将每次跳转后的IGIFS数据乘以-1，消除导航电文比特翻转的影响。
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