CN113093232B - 基于相关域的gnss多频联合捕获方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于相关域的GNSS多频联合捕获方法，通过接收所有可见GNSS卫星的信号并经射频前端处理得到GNSS多频数字中频信号，经与本地复制信号相关处理实现捕获，再将载波频率维度上的相关结果和码相位维度上的相关结果在二维相关域内映射到统一的载波和码相位尺度，基于统一后的相关结果得到反映信号质量的参数，当各个频段的相关结果均在二维相关域中映射到统一尺度之后，通过相干组合、非相干组合和/或差分组合的方式，对各个频点的相关结果进行组合，得到二维相关域内的多频联合相关结果，通过多频三维搜索获取所有可见卫星信号的载波频率和码相位的估计值。本发明通过未受到影响的正常频段信号对受到影响频段的信号进行补偿，从而提升GNSS接收机信号捕获的鲁棒性和抗干扰能力。

Description

基于相关域的GNSS多频联合捕获方法
技术领域
本发明涉及的是一种卫星导航领域的技术，具体涉及一种基于相关域的全球卫星导航系统(GNSS)多频联合捕获方法。
背景技术
由于全球卫星导航系统(GNSS)信号从卫星发射端到用户接收端是一种开放传输信道，很容易受到各种各样的干扰，信号质量极易恶化，这给GNSS接收机的设计带来很多困难。信号捕获作为GNSS接收机的重要环节，为完成初始定位提供了不可或缺的信息，同样面临在挑战环境，比如建筑物、树木等对GNSS信号造成遮挡；GNSS信号在建筑物墙面等区域反射产生的非直射信号造成的多径效应；电离层闪烁造成的GNSS信号幅度、相位和到达角等参数的随机起伏；广播无线电信号等人为因素对GNSS信号造成的射频干扰等。
发明内容
本发明针对现有单频GNSS接收机面临的由电离层闪烁、多径效应或射频干扰等不利影响造成的GNSS信号质量严重下降引起的部分频段信号无法捕获或者多普勒频移和码相位参数估计错误的问题，提出一种基于相关域的GNSS多频联合捕获方法，结合现有GNSS可以在同一导航卫星播发多种不同载波频率信号的特点，依据挑战环境下信号的不利影响不会同时发生在多个载波频段的事实基础，利用同一颗卫星播发的不同载波频段信号之间的相互联系，通过未受到影响的正常频段信号对受到影响频段的信号进行补偿，从而提升GNSS接收机信号捕获的鲁棒性和抗干扰能力，基于相关域的GNSS多频联合捕获方法具有巨大的潜在价值。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明涉及一种基于相关域的GNSS多频联合捕获方法，通过接收所有可见GNSS卫星的信号并经射频前端处理得到GNSS多频数字中频信号，经与本地复制信号相关处理实现捕获，再将载波频率维度上的相关结果和码相位维度上的相关结果在二维相关域内映射到统一的载波和码相位尺度，基于统一后的相关结果得到反映信号质量的参数，当各个频段的相关结果均在二维相关域中映射到统一尺度之后，通过相干组合、非相干组合和/或差分组合的方式，对各个频点的相关结果进行组合，得到二维相关域内的多频联合相关结果，通过多频三维搜索获取所有可见卫星信号的载波频率和码相位的估计值。
所述的多频是指：GNSS卫星所发射的信号中载波频率为两种或以上频段种类。以北斗三号导航系统为例，其提供B1I、B1C、B2a、B2b和B3I五个公开服务信号，其中：B1I频段的中心频率为1561.098MHz，B1C频段的中心频率为1575.420MHz，B2a频段的中心频率为1176.450MHz，B2b频段的中心频率为1207.14MHz，B3I频段的中心频率为1268.520MHz。
所述的射频前端处理是指：通过GNSS接收机的天线接收所有可见GNSS卫星的信号，经前置滤波和前置放大后，再与本地振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频信号，最后将中频信号模数转换为离散时间的GNSS多频数字中频信号。
所述的与本地复制信号相关处理是指：从GNSS多频数字中频信号经过参考信号发生器处理复制出与接收到的卫星信号相一致的本地载波和本地伪码信号，从而实现对GNSS信号的捕获与跟踪，并从中获得GNSS伪距和载波相位等测量值以及调节出导航电文。
所述的捕获，具体为：将GNSS多频数字中频信号与本地复制信号进行相关处理，在相关域内估计出载波多普勒频移参数和码相位参数用于初始化跟踪环路，以辅助GNSS接收机对信号展开跟踪。
所述的估计具体为：在相关域中选取相关值最大的点所对应的载波多普勒频率和码相位，以此作为多普勒频移和码相位参数的估计值。
所述的二维相关域是指：在本地载波参考发生器中复制一组频率不同的载波，并在测距码发生器中生成一组相位不同的测距码，复制结果与GNSS多频数字中频信号经过混频和相关与可以形成以载波频率和码相位各自作为一个维度的二维相关域，即二维搜索域，二维相关域中的每一个区间的值代表载波和测距码的不同取值下相关值的大小。
所述的本地载波参考发生器包括压控振荡器，其基于相关域载波频率维度的划分产生一组频率一定的周期振荡信号，并将产生结果输入混频器，将数字中频信号与本地复制的载波频率做相关，输出载波频率维度上的相关结果。
所述的测距码发生器，基于相关域的码相位维度的划分复制一组延迟线性增加的码延迟，并将产生结果输入相关器，将数字中频信号与本地复制载波混频后，再将混频结果与本地复制的测距码相关，以此输出码相位维度上的相关结果。
所述的在二维相关域内映射到统一的载波和码相位尺度是指：不同频段的载波多普勒频移映射到基频尺度，不同频段的码相位搜索域映射到统一搜索步长。以北斗三号导航系统为例，基频大小为10.23MHz，对应于各个频点的倍频系数分别为：B1频段的倍频系数为152.6，B1C频段的倍频系数为154，B2a频段的倍频系数为115，B2b频段的倍频系数为118，B3I频段的倍频系数为124。
优选地，不同频段之间的码相位延迟差异小于采样间隔，可以忽略不计，因此码相位不需要映射，在保证搜索步长统一后可以直接组合。
所述的反映信号质量的参数包括载噪比等，各个频段的信号质量决定了其相关结果对于最后多频联合相关结果的贡献，即各个频点相关结果的系数配比由各自的信号质量决定。
所述的多频三维搜索是指：在二维相关域的基础上加入卫星编号(PRN)维度，利用在相关域内的多频联合相关结果，搜索其中相关结果的最大值所在区间，经门限判别检测到有效信号。
技术效果
本发明整体解决了现有现有单频GNSS接收机面临的由电离层闪烁、多径效应或射频干扰等不利影响造成的GNSS信号质量严重下降引起的部分频段信号无法捕获或者多普勒频移和码相位参数估计错误的不足。
与现有技术相比，本发明可以在GNSS接收机面临由电离层闪烁、多径效应或射频干扰等不利影响造成的GNSS信号质量严重下降时，通过强弱信号相关域组合，可以将弱信号的捕获灵敏度提高20dB-Hz左右，接收机操作性能比传统单频捕获或者多频捕获性能高出至少20％，保证了弱信号的跟踪初始化。
附图说明
图1为本发明基于相关域的GNSS多频联合捕获系统示意图；
图2为GNSS接收机基于相关域的多频联合捕获方法示意图；
图3为GNSS接收机基于相关域的多频联合捕获方法流程图；
图4为GNSS接收机基于相关域的多频联合捕获方法与传统方法的性能对比图。
具体实施方式
如图1所示，本发明涉及的一种基于相关域的GNSS多频联合捕获系统100，该系统接收包括GPS L1、L2和L5频段信号，BDS B1、B2和B5信号的数字中频信号101。
所述的GNSS多频联合捕获系统100包括：至少一个混频器111、至少一个相关器121、至少一个参数映射器131以及联合估计器141，其中：混频器111将本地复制的载波与接收到的数字中频信号101进行混频，从而实现载波剥离；相关器121根据剥离载波后的信号112与本地复制的测距码进行相关并得到相关域结果122；参数映射器131根据不同频段的相关结果122，将待估参数多普勒频移和码相位延迟映射到统一尺度下得到各个相同尺度下各个频段的相关结果132；联合估计器141根据相关结果132估计出多普勒频移和码相位延迟，并作为后续GNSS接收机跟踪阶段的初始化参数。
所述的参数映射器131以及联合估计器141用各个频段相关结果在相关域进行联合捕获，可以借助相同卫星发射并由相同接收机接收的多频信号频率相关性以及码相位相关性，将各个频段的相关结果在相关域中映射到统一尺度，采用正常信号观测量辅助受干扰的信号参数估计，从而补偿干扰带来的信号质量下降。通过利用各个频段相关结果之间的关系决定系数配比，可以使得在频段间信号质量发生变化时自适应得对组合系数调整，使得联合捕获性能维持在较高水平。
如图2所示，本实施例中GNSS多频联合捕获系统具体包括：三个并联的捕获单元200、220和240、联合估计器141以及捕获门限判别器263，其中：联合估计器141接收三个并联的捕获单元输出的相关域结果和三个频段的组合系数，输出检验统计量262至捕获门限判别器263，门限判别器263分别输出判别结果264、265至联合估计器和三个并联的捕获单元。
所述的三个并联的捕获单元结构相同，均包括：混频器202、222或242、参数映射器208、228或248、参考信号发生器210、230或250、信号质量估计器206、226或246以及相关器204、224或244，其中：参考信号发生器根据捕获门限判别器输出的判别结果以及参数映射器输出多普勒频移和码相位搜索步长生成参考信号并分别输出至混频器和相关器，相关器根据混频结果和参考信号，分别输出相关结果至信号质量估计器和联合估计器，信号质量估计器输出各自频段的组合系数至联合估计器。
如图3所示，为本实施例涉及上述系统以北斗三代导航系统B1、B2和B3频段的基于相关域的GNSS多频联合捕获方法，具体步骤包括：
步骤一：数字中频信号201、221和241输入第一至第三混频器202、222和242，第一至第三参数映射器208、228和248分别通过B1、B2和B3倍频系数213、233和253将多普勒频移和码相位搜索步长209、229和249统一到同一尺度下，并分别通过第一至第三本地参考信号发生器210、230和250产生的各自频段的复制载波211、231和251和复制测距码212、232和252，将201、221和241分别在混频器202、222和242中进行混频，然后将混频结果203、223和243与复制测距码212、232和252进行相关，将各个频段的相关结果205、225和245输入第一至第三信号质量估计器206、226和246中，信号估计器分别输出三个频段的组合系数207、227和247，并将其输入至联合估计器261中，为三个频段相关结果的联合提供参考。
步骤二：第一至第三相关器204、224和244输出三个频段的相关结果214、234和254至联合估计器261，联合估计器261通过包括相干组合，非相干组合和差分组合等组合形式，对各个频点的相关结果进行组合，得到相关域内的多频联合相关结果所对应的检验统计量262，并将检验统计量262输入至捕获门限判别器263与用户预设的捕获门限对比。
以相干组合为例，具体实现方式为：第一至第三相关器输出的三个频段的相关结果214、234和254，以多普勒频移和码相位两个维度储存相关结果，每组多普勒频移和码相位对应一个相关结果，相干组合的方式为，将每组多普勒频移和码相位对应的相关结果直接叠加，可以有效提高可用信号的能量水平，从而提高捕获灵敏度及检测概率。
所述的门限对比具体包括：
①当检验统计量262高于门限值，则将判别结果265重新输入联合估计器261中，输出此时三个频点对应的多普勒频移和码相位参数266至跟踪环路中，为跟踪环路提供初始化参数。当跟踪环路发生失锁，则将失锁时对应的多普勒频移和码相位参数重新输入第一至第三参考信号发生器210、230和250，重新开始200、220和240所示的捕获过程。
②当检验统计量262低于门限值，则将判别结果264转换为下一步搜索区间所对应的多普勒频移和码相位参数133，并将多普勒频移和码相位参数133输入第一至第三参考信号发生器210、230和250，按照更新后的参数进行下一区间的搜索。
如图3所示，所述的捕获，具体包括：
301、将射频信号转为数字中频信号；
303、通过混频器进行载波剥离；
305、通过相关器进行测距码相关；
307、将相关结果映射到统一尺度下；
308、通过信号质量估计器选取组合系数；
310、利用相关结果估计出多普勒频移和码相位参数，并将相关峰的高度作为检验统计量；
312、将检验统计量与门限判别器做对比；
具体操作步骤如下：在301功能模块中在射频前端后将射频信号转化为数字中频信号302，将302输入第一至第三混频器202、222和242后完成303中的载波剥离操作。将载波剥离后的数字中频信号304输入第一至第三相关器205、225和245后完成测距码相关，从而可以得到三个频点各自的相关结果306。各自的相关结果306一方面需要通过相关域内的操作在307中映射为统一尺度，另一方面需要输入第一至第三信号质量估计器206、226和246输出组合系数，将两方面的结果309输入310中可以将各个频段的相关结果组合并输出观测量和检验统计量311，将311在312中与用户预先设置的门限做对比，当高于门限，则说明有效信号存在，将多普勒和码相位参数估计值313输入跟踪环路中，为跟踪环路提供开始跟踪的初始参数，当低于门限值，则重新产生下一搜索区间的复制信号314并将其重新输入到301中进行下一次搜索。
在信号受到电离层闪烁、多径效应或射频干扰等影响时，通过基于相关域的多频联合捕获，可以使得正常信号辅助受到影响的信号进行捕获，从而将原本无法估计多普勒频移和码相位的频段成功估计并将估计参数输入至跟踪环路。因此，该方法较现有方法可以提高GNSS接收机的鲁棒性和抗干扰能力，从而提高GNSS接收机的定位可靠性、精度和连续性，具有巨大的潜在价值。
经过具体实际实验，以GPS L1 L2和L5为例，在三个频段的载噪比分别为40dB-Hz，40dB-Hz，20dB-Hz的具体环境设置下，能够得到如图4所示实验数据。与现有技术相比，本发明利用各个频段相关结果在相关域进行联合捕获，可以借助相同卫星发射并由相同接收机接收的多频信号频率相关性以及码相位相关性，将各个频段的相关结果在相关域中映射到统一尺度，采用正常信号观测量辅助受干扰的信号参数估计，从而补偿干扰带来的信号质量下降。通过利用各个频段相关结果之间的关系决定系数配比，可以使得在频段间信号质量发生变化时自适应得对组合系数调整，使得联合捕获性能维持在较高水平。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (3)

1.一种基于相关域的GNSS多频联合捕获方法的实现系统，其特征在于，包括：至少一个混频器、至少一个相关器、至少一个参数映射器以及联合估计器，其中：混频器将本地复制的载波与接收到的数字中频信号进行混频，从而实现载波剥离；相关器根据剥离载波后的信号与本地复制的测距码进行相关并得到相关域结果；参数映射器根据不同频段的相关结果，将待估参数多普勒频移和码相位延迟映射到统一尺度下得到各个相同尺度下各个频段的相关结果；联合估计器根据相关结果估计出多普勒频移和码相位延迟，并作为后续GNSS接收机跟踪阶段的初始化参数；
所述的GNSS多频联合捕获方法是指：通过接收所有可见GNSS卫星的信号并经射频前端处理得到GNSS多频数字中频信号，经与本地复制信号相关处理实现捕获，再将载波频率维度上的相关结果和码相位维度上的相关结果在二维相关域内映射到统一的载波和码相位尺度，基于统一后的相关结果得到反映信号质量的参数，当各个频段的相关结果均在二维相关域中映射到统一尺度之后，通过相干组合、非相干组合和/或差分组合的方式，对各个频点的相关结果进行组合，得到二维相关域内的多频联合相关结果，通过多频三维搜索获取所有可见卫星信号的载波频率和码相位的估计值；
所述的射频前端处理是指：通过GNSS接收机的天线接收所有可见GNSS卫星的信号，经前置滤波和前置放大后，再与本地振荡器产生的正弦波本振信号进行混频而下变频成中频信号，最后将中频信号模数转换为离散时间的GNSS多频数字中频信号；
所述的与本地复制信号相关处理是指：从GNSS多频数字中频信号经过参考信号发生器处理复制出与接收到的卫星信号相一致的本地载波和本地伪码信号，从而实现对GNSS信号的捕获与跟踪，并从中获得GNSS伪距和载波相位测量值以及调节出导航电文；
所述的捕获，具体为：将GNSS多频数字中频信号与本地复制信号进行相关处理，在相关域内估计出载波多普勒频移参数和码相位参数用于初始化跟踪环路，以辅助GNSS接收机对信号展开跟踪，其中的估计具体步骤为：在相关域中选取相关值最大的点所对应的载波多普勒频率和码相位，以此作为多普勒频移和码相位参数的估计值；
所述的在二维相关域内映射到统一的载波和码相位尺度是指：不同频段的载波多普勒频移映射到基频尺度，不同频段的码相位搜索域映射到统一搜索步长；
所述的不同频段是指：北斗三号导航系统的基频大小为10.23MHz，对应于各个频点的倍频系数分别为：B1频段的倍频系数为152.6，B1C频段的倍频系数为154，B2a频段的倍频系数为115，B2b频段的倍频系数为118，B3I频段的倍频系数为124；
所述的多频三维搜索是指：在二维相关域的基础上加入卫星编号维度，利用在相关域内的多频联合相关结果，搜索其中相关结果的最大值所在区间，经门限判别检测到有效信号。
2.根据权利要求1所述的实现系统，其特征是，包括：三个并联的捕获单元、联合估计器以及捕获门限判别器，其中：联合估计器接收三个并联的捕获单元输出的相关域结果和三个频段的组合系数，输出检验统计量至捕获门限判别器，门限判别器分别输出判别结果至联合估计器和三个并联的捕获单元。
3.根据权利要求2所述的实现系统，其特征是，所述的三个并联的捕获单元结构相同，均包括：混频器、参数映射器、参考信号发生器、信号质量估计器以及相关器，其中：参考信号发生器根据捕获门限判别器输出的判别结果以及参数映射器输出多普勒频移和码相位搜索步长生成参考信号并分别输出至混频器和相关器，相关器根据混频结果和参考信号，分别输出相关结果至信号质量估计器和联合估计器，信号质量估计器输出各自频段的组合系数至联合估计器。
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