专利名称：高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明适用于弱导航卫星信号捕获领域，具体涉及ー种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法及装置。
背景技术：
近年来,全球定位系统(Global Positioning System, GPS)已经得到越来越广泛的应用。随着这项定位技术发展的不断深入，用户对其使用要求也越来越高，无盲区、高灵敏度、实时定位与导航成为该技术发展的方向。然而，绝大多数使用手持定位设备的用户分布在高楼密集的城市地区，且大部分时间处于室内。由于受到的遮挡、多径和干扰等现象较严重，与普通环境相比，GPS信号在室内环境中，能量有更多的削弱和衰落，到达时间有更大的延迟，接收信噪比有更大程度的恶化，所以，其可用性和定位精度都会大大下降，GPS的总体性能严重恶化。在室内等低信噪比环境下，对GPS接收机最先启动的工作部分，即捕获 功能�？榈男阅苤副晏岢隽烁叩囊螅匦肽芄豢焖俑吡槊舳炔痘竦托旁氡然肪诚碌男藕�。但是，目前的GPS捕获技术几乎很难满足这ー要求，现有的GPS接收机在室内等环境下很难工作。常见的相干积分、非相干积分、差分相干积分等捕获方法能在一定程度上提高灵敏度，但均要求积累时间较长，无法满足室内弱信号高灵敏度及实时捕获的要求。如果GPS信号不能被快速高灵敏度捕获到，那么后续的所有功能都将受影响，比如跟踪、导航电文提取、位置解算等。2011年04月《系统工程与电子技木》第33卷第4期中提出了一种“基于随机共振的高灵敏度GPS信号捕获算法”，该算法首先用部分匹配滤波器对GPS信号进行分段相关预处理，然后利用随机共振提高预处理后信号的信噪比，实现在相对较短的相关累积时间内获得较高的捕获灵敏度。然而该算法在GPS信号多普勒频移较大且积累时间较长时，将造成码片速率发生较大变化，从而对码周期产生较大影响，当对数字中频信号与本地信号做相关时，会造成相关峰值衰减较大，从而影响捕获灵敏度；并且，上述算法中的部分匹配滤波是一小段一小段做相关，造成预处理过程耗时较大，难以达到快速高灵敏度GPS信号捕获的要求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法及装置，该方法与装置能够有效减小大多普勒频率造成相关过程中相关功率的损失；利用非线性系统-双稳随机共振系统的特性，即在一定条件下，噪声能量会向信号能量转移的特性，最大限度地提高GPS信号捕获灵敏度；并且可以极大限度地减小捕获时间，为弱GPS信号的实时高灵敏度捕获提供技术支持。为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的本发明ー种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，包括如下步骤步骤ー对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样，并设定合适的多普勒频移变量初值及最大值，即设定多普勒频移捜索范围，同时设定多普勒频移捜索间隔、MTM (最大相关值与相关均值的比值)的检测阈值、双稳随机共振系统參数、卫星号变量初值及卫星号最大值；步骤ニ 根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号；步骤三分别对采样后的卫星信号和本地伪码卫星信号进行双块零拓展；步骤四对经双块零拓展后的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算；步骤五对相关结果进行处理，并保存相关结果 的实部信号；步骤六对相关结果的实部信号进行二次采样随机共振；步骤七对步骤六中输出的信号做傅里叶变换并取模；步骤八对每ー颗卫星，在频率方向和码延时方向上寻找步骤七中取�：蟮淖畲笾担患炊悦咯`颗卫星，首先寻找初始频率对应的步骤七中取�：蟮淖畲笾挡⒈４妫蝗缓笾馗床街瑗苏页鱿乱欢嗥绽掌德识杂Φ牟街杵咧腥∧：蟮淖畲笾挡⒈４妫钡奖４娓每盼佬堑乃衅德识杂Φ牟街杵咧腥∧：蟮淖畲笾担蛔詈笤俅由鲜鏊衅德识杂Φ娜∧：蟮淖畲笾抵姓页雯`个最大值作为该颗卫星取模后的最大值；之后，将该颗卫星取模后的最大值同步骤一中设定的检测阈值进行比较，如果该最大值大于步骤一中设定的检测阈值，则该最大值所对应的频率和码延时即为要捕获的多普勒频率和码延吋；如果该最大值未超过步骤一中设定的检测阈值，则重复步骤ニ捜索下ー颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，此时表示捕获不成功。上述步骤六所述二次采样随机共振步骤包括二次采样和随机共振步骤，即首先对保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使采样后信号的频率符合小參数随机共振的要求；然后让采样后的信号进入双稳随机共振系统，并进行共振输出。上述多普勒频移搜索范围最好为-IOKHz IOKHz。上述多普勒频移捜索间隔最好为5000Hz，这样只需搜索4次即可搜完I颗GPS卫星的-IOKHz IOKHz多普勒频移范围，从而大大缩短了搜索时间，提高了捕获效率。上述检测阈值最好介于3 7之间。上述双稳随机共振系统參数为a = I, b = I。上述卫星号变量的初值为I，最大值为30。本发明ー种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，包括如下�？楸淦挡裳？槎缘己轿佬欠⑸涞奈佬悄Ｄ庑藕沤邢卤淦导安裳槐镜匚甭肷善鞲荽阉鞯牡己轿佬呛偶岸嗥绽掌德势撇镜匚甭胛佬切藕�;双块零拓展�？榉直鸲员淦挡裳？椴裳蟮奈佬切藕藕捅镜匚甭肷善鞑谋镜匚甭胛佬切藕沤兴榱阃卣梗豢焖俑道镆侗浠谎肪砘喙啬？槎跃榱阃卣鼓？槭涑龅奈佬切藕藕捅镜匚甭胛佬切藕爬每焖俑道镆侗浠谎肪砘邢喙卦怂悖蝗∈挡磕？槎韵喙亟峁写恚⒈４嫦喙亟峁氖挡啃藕牛欢尾裳婊舱衲？槎匀∈挡磕？楸４娴南喙亟峁氖挡啃藕沤卸尾裳蛊渫ü人婊舱裣低常⒔泄舱袷涑觯�
傅里叶变换及取模�？槎远尾裳婊舱衲？槭涑龅男藕抛龈道镆侗浠徊⑷∶籑TM (最大相关值与相关均值的比值)阈值检测�？槎悦靠盼佬牵谄德史较蚝吐胙邮狈较蛏涎罢腋道镆侗浠患叭∧Ｄ？槭涑龅淖畲笾担炊悦咯`颗卫星，首先寻找初始频率对应的取�：蟮淖畲笾挡⒈４妫蝗缓笾馗捶祷乇镜匚甭肷善髡页鱿乱欢嗥绽掌德识杂Φ娜∧：蟮淖畲笾挡⒈４妫钡奖４娓每盼佬堑乃衅德识杂Φ娜∧：蟮淖畲笾担蛔詈笤俅由鲜鏊衅德识杂Φ娜∧：蟮淖畲笾抵姓页雯`个最大值作为该颗卫星取�：蟮淖畲笾担蝗绻每盼佬侨∧：蟮淖畲笾荡笥谠は壬瓒ǖ募觳忏兄担蚋米畲笾邓杂Φ钠德屎吐胙邮奔次痘竦亩嗥绽掌德屎吐胙邮保蝗绻米畲笾滴闯は壬瓒ǖ募觳忏兄担蚍祷乇镜匚甭肷善鲯人飨漏`颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，此时，表示捕获不成功。上述二次采样随机共振模块最好包括二次采样单元和随机共振単元，其中，二次 采样单元对取实部�？楸４娴南喙亟峁氖挡啃藕沤卸尾裳苟尾裳笮藕诺钠德史纤人婊舱竦男⑹藕乓螅凰婊舱竦ピ远尾裳蟮男藕沤泄舱袷涑�。与现有技术相比，本发明在尽量短的时间内，最大限度地提高了 GPS信号捕获灵敏度。该发明采用DBZP技术来减小相关功率损失；用FFT技术减少了做相关所需时间；利用非线性双稳随机共振系统的特性——强噪声干扰下的信号作用于双稳随机共振非线性系统时，信号和噪声在非线性系统的协同作用下，会发生噪声能量向信号能量的转移，产生类似于力学中的共振输出，从而极大地提高系统输出信噪比；捕获过程中引入了 MTM (最大相关值与相关均值比值)阈值检测方法，提高了正确检测率。
图I为ー种高灵敏度导航卫星信号捕获系统原理图。
具体实施例方式一种高灵敏度导航卫星信号捕获方法，如图I所示，包括如下步骤步骤ー对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样，并设定合适的多普勒频移变量初值及最大值，即设定多普勒频移捜索范围，同时设定多普勒频移捜索间隔、MTM (最大相关值与相关均值的比值)的检测阈值、双稳随机共振系统參数、卫星号变量初值及卫星号最大值。在本发明中，所述多普勒频移搜索范围为-IOKHz IOKHz。所述多普勒频移的搜索间隔为5000Hz。所述检测阈值是指MTM的检测阈值，其中MTM表示最大相关值与相关均值的比值，若计算所得MTM值超过检测阈值Βτ，即认为信号被准确捕获，在本发明中，所述检测阈值Bt设定为3 7之间。所述双稳随机共振系统參数a = l，b = I。根据目前GPS卫星的数目，在本发明中，所述卫星号变量的初值设定为1，最大值设定为30。从卫星发射的LI频段GPS模拟信号下变频和采样后的数字中频信号为
权利要求
1.高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是包括如下步骤 步骤一对导航卫星发射的卫星模拟信号进行下变频及采样，并设定合适的多普勒频移变量初值及最大值，即设定多普勒频移搜索范围，同时设定多普勒频移搜索间隔、最大相关值与相关均值的比值的检测阈值、双稳随机共振系统参数、卫星号变量初值及卫星号最大值； 步骤二 根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号； 步骤三分别对采样后的卫星信号和本地伪码卫星信号进行双块零拓展； 步骤四对经双块零拓展后的卫星信号和本地伪码卫星信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算； 步骤五对相关结果进行处理，并保留相关结果的实部信号； 步骤六对保存的相关结果的实部信号进行二次采样随机共振； 步骤七对步骤六中输出的信号做傅里叶变换并取模； 步骤八对每一颗卫星，在频率方向和码延时方向上寻找步骤七中取�：蟮淖畲笾担患炊悦恳豢盼佬牵紫妊罢页跏计德识杂Φ牟街杵咧腥∧：蟮淖畲笾挡⒈４妫蝗缓笾馗床街瓒页鱿乱欢嗥绽掌德识杂Φ牟街杵咧腥∧：蟮淖畲笾挡⒈４妫钡奖４娓每盼佬堑乃衅德识杂Φ牟街杵咧腥∧：蟮淖畲笾担蛔詈笤俅由鲜鏊衅德识杂Φ娜∧：蟮淖畲笾抵姓页鲆桓鲎畲笾底魑每盼佬侨∧：蟮淖畲笾担� 之后，将该颗卫星取�：蟮淖畲笾低街枰恢猩瓒ǖ募觳忏兄到斜冉希绻米畲笾荡笥诓街枰恢猩瓒ǖ募觳忏兄担蚋米畲笾邓杂Φ钠德屎吐胙邮奔次痘竦亩嗥绽掌德屎吐胙邮保蝗绻米畲笾滴闯街枰恢猩瓒ǖ募觳忏兄担蛑馗床街瓒阉飨乱豢盼佬牵钡剿阉魍晁械奈佬牵蛲顺霾痘瘢耸北硎静痘癫怀晒�。
2.根据权利要求I所述的高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是 步骤六所述二次采样随机共振步骤包括二次采样步骤和随机共振步骤，即首先，对保存的相关结果的实部信号进行二次采样，使采样后的信号频率符合小参数随机共振的要求，然后，让采样后的信号进入双稳随机共振系统，并进行随机共振。
3.根据权利要求I或2所述高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是所述多普勒频移搜索范围为-IOKHz IOKHz。
4.根据权利要求3所述高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是所述多普勒频移搜索间隔为5000Hz。
5.根据权利要求I或2所述高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是，所述检测阈值介于3 7之间。
6.根据权利要求I或2所述高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是双稳随机共振系统参数初值为a = l,b= I。
7.根据权利要求I或2所述高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法，其特征是卫星号变量的初值为I，最大值为30。
8.高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，其特征是包括如下�？� 变频采样�？槎缘己轿佬欠⑸涞奈佬悄Ｄ庑藕沤邢卤淦导安裳� 本地伪码生成器根据待搜索的导航卫星号及多普勒频率偏移产生本地伪码卫星信号;双块零拓展�？榉直鸲员淦挡裳？椴裳蟮奈佬切藕藕捅镜匚甭肷善鞑谋镜匚甭胛佬切藕沤兴榱阃卣梗� 快速傅里叶变换循环卷积相关�？槎跃榱阃卣鼓？槭涑龅奈佬切藕藕捅镜匚甭胛佬切藕爬每焖俑道镆侗浠谎肪砘邢喙卦怂悖� 取实部�？槎韵喙亟峁写恚⒈Ａ粝喙亟峁氖挡啃藕牛� 二次采样随机共振�？槎匀∈挡磕？楸４娴南喙亟峁氖挡啃藕沤卸尾裳蛊渫ü人婊舱裣低�,并进行共振输出； 傅里叶变换及取模�？槎远尾裳婊舱衲？槭涑龅男藕抛龈道镆侗浠徊⑷∧＃蛔畲笙喙刂涤胂喙鼐档谋戎点兄导觳饽？槎悦靠盼佬牵谄德史较蚝吐胙邮狈较蛏涎罢腋道镆侗浠患叭∧Ｄ？槭涑龅淖畲笾担蝗绻每盼佬侨∧：蟮淖畲笾荡笥谠は壬瓒ǖ募觳忏兄担蚋米畲笾邓杂Φ钠德屎吐胙邮奔次痘竦亩嗥绽掌德屎吐胙邮保蝗绻米畲笾滴闯は壬瓒ǖ募觳忏兄担蚍祷乇镜匚甭肷善魉阉飨乱豢盼佬牵钡剿阉魍晁械奈佬牵蛲顺霾痘瘢耸保硎静痘癫怀晒�。
9.根据权利要求8所述的高灵敏度导航卫星信号非线性捕获装置，其特征是所述二次随机共振�？榘ǘ尾裳ピ退婊舱竦ピ渲� 二次采样单元，对取实部�？楸４娴南喙亟峁氖挡啃藕沤卸尾裳共裳笮藕牌德史纤人婊舱裥〔问藕诺囊螅� 随机共振单元，对二次采样后的信号进行共振输出。
全文摘要
本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度导航卫星信号非线性捕获方法及装置，该方法与装置采用DBZP技术来减小相关功率损失；用FFT技术减少了做相关所需时间；利用非线性双稳随机共振系统的特性来提高系统输出信噪比；捕获过程中引入了MTM(最大相关值与相关均值比值)阈值检测方法，提高了正确检测率。本发明能够最大限度地提高GPS信号捕获灵敏度；并且可以极大限度地减小捕获时间，为弱GPS信号的实时高灵敏度捕获提供技术支持。
文档编号G01S19/30GK102680988SQ20121016239
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者张彤, 张顺岚, 欧阳宁, 莫建文, 袁华, 陈利霞, 首照宇 申请人:桂林电子科技大学
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