一种针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种针对二次编码调制的全球卫星定位系统(后简称GNSS)信号的捕获引擎。该捕获引擎通过将原有卫星信号中的短周期伪随机码和二次编码结合成一个长周期的伪随机码，本地产生该长周期伪随机码的不同伪码相位的拷贝，通过短时相干积分和非相干累加方法，实现弱信号条件下的二次编码卫星信号的捕获。
【专利说明】—种针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎
【技术领域】
[0001]本发明涉及电子行业数字信号处理领域，尤其涉及一种针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎。
【背景技术】
[0002]目前，全球导航卫星系统(GlobalNavigation Satellite System,简称 GNSS)信号大多米用码分多址(Code Division Multiple Access)体制，该信号体制有三方面的作用，一方面因为是通过码分多址所以为多颗卫星提供了频率复用，第二扩频码码相位为测距提供了测距观测量，第三方面扩频码的频谱扩展和解扩处理提供了较高的处理增益，使得微弱信号检测和处理成为可能。卫星接收机为了实现定位和导航，必须实现信号捕获、信号跟踪、载波和伪码同步、导航电文解调、定位解算等一系列信号处理流程，其中第一步也是最关键的一步是实现信号捕获，因为只有实现了信号捕获，才能进行后续的信号处理流程。
[0003]就CDMA系统来说，不同信号源发射的信号通过不同的伪随机码区分开。一般说来，CDMA系统可以共享相同的载波频率和时间。所有的CDMA系统都存在信号捕获问题。这个问题的提出有以下几个原因:
[0004]原因1，由于CDMA系统所有信源共用相同的载波频率和信道时间，所以来自于所有可能的信号源的信号无可避免地在接收机的天线处混合在一起，接收机在上电伊始对当前天线接收到的信号来自哪些信号源一无所知。这个问题在卫星导航系统尤其重要，由于卫星导航信号一般都调制在L波段上，因此接收机只能接收处于天线视距可见(Line-of-Sight)的天空的卫星信号，当卫星运行到地球背面的时候接收机不可能接收到其发射的信号；
[0005]原因2，伪随机码的引入使信号频谱展宽，相应地信号的功率就可以降到很低的水平。在卫星导航信号的情况下，由于长距离信号传输带来的距离衰减，接收到的信号电平往往要比背景噪声电平还要低很多，通俗的说，就是信号被噪声“淹没”，在这种情况下，就必须通过信号捕获将微弱信号从噪声中提取出来；
[0006]原因3，根据CDMA信号的特点，必须利用伪随机码的强自相关性才能实现信号的跟踪和数据的解调，但问题是必须先找到了正确的伪随机码相位才能利用其强自相关函数，而接收机上电时刻的随机性决定了其接收到的信号的相位随机性。所以必须由信号捕获告知某信号的伪随机码相位。
[0007]卫星在空间处于高速飞行状态，以GPS卫星为例，其飞行速度高达3.87km / S，由于卫星的高速运动使得传输到地球的信号载波产生多普勒频移，理论计算表明地球表面的接收机和卫星之间相对运动的最大径向速度分量约是929m / s，随之导致的多普勒频移是4.9KHz。同时接收机自身的RF时钟晶振的偏差也会使接收到的信号载频偏移理论值。理论计算表明，在LI的载频上Ippm的晶振偏差能使接收到的GPS信号产生1.57KHz的载频偏差。这两者因素都会使得接受到的卫星导航信号在载波频率方向上有很大的不确定度，因此也必须要经过信号捕获才能得到正确的载波频率估计值。
[0008]综合考虑这些因素，可以认为接收机天线最终接收到的卫星导航信号不仅在伪码相位上存在模糊，而且在载波频率上也具有一定量的模糊度，为了实现对信号稳定的跟踪就必须同时解决伪码相位模糊和载波频率模糊的问题。所以信号捕获可以认为是一个二维的搜索，第一维是从伪码相位的方向，第二维是从多普勒频移的方向。
[0009]从伪码相位方向的搜索，首先需要产生本地伪码，通过设置不同的本地伪码相位，将本地伪码和输入信号做相关。利用伪码的强自相关性，只有在本地码和信号的伪码相位对齐的情况下才能产生很强的相关值，一旦某一个伪码相位对应的相关值超过了预定的门限值，就可以认为找到了正确的本地伪码相位。相关理论分析和仿真表明，自相关尖峰的位置对相位很敏感，相位差超过一个码片就会很快失去这个尖峰，所以一旦出现很高的相关尖峰就可以认为输入信号的伪码相位和本地伪码相位之差已经在一个码片以内。
[0010]从多普勒频移的方向的搜索，是通过产生本地载波，并调节本地载波的值和输入信号相乘，如果本地载波和输入信号的载波很接近的话，输入信号中的高频载波分量就会被去除。由于事先对输入信号的可能的载波频率值无法知道，所以是通过设置不同的本地载波的值来尝试。频率步长的选取是基于搜索灵敏度和搜索效率的折衷:对于一定的频率模糊区间，小的频率步长增加待搜索的频率井(Frequency Bin)的数目，从而直接增大覆盖全部频率模糊区间所需的工作量，结果就是增加了搜索的时间，但其好处就是使得搜索的灵敏度提闻。
[0011]在信号捕获过程中，积分器的相干积分时间是一个很重要的参数，较长的积分时间能带来较大的处理增益，使得弱信号的捕获成为可能，当同时也使得频率分辨度变小，所以为了覆盖所有的多普勒频率范围必须有较多的频率井，这样使得待搜索的工作量变大；较短的积分时间只能带来较小的处理增益，所以无法捕获弱信号，但使得频率分辨度变大，所以为了覆盖所有的多普勒频率范围只需要较少的频率井，这样使得待搜索的工作量变小。
[0012]以目前世界上最为成熟的GNSS系统，即美国的GPS为例，其民用码信号的伪随机码周期为I毫秒，伪随机码码片时间长度为I / 1023毫秒，所以在一个伪随机码周期内的相干积分能提供
[0013]G=IOlog ~?30.1dB
& 1/1023
/ L.[0014]的处理增益，上式结果的单位为分贝，即dB。
[0015]而对于较长积分时间，比如T毫秒，则其处理增益(以分贝表示)变为
[0016]Gr=IOlog I二2; ?(30.1+IOlog
[0017]在实际工程实践中，一般用输入信号的载噪比(CNO)作为信号强弱的指标，该指标表现了信号功率和噪声功率密度的比值，考虑到GPS信号的信号带宽B，则其射频信号信噪比可以表示为
[0018]SNrf = CM)-101og(5)
[0019]对于GPS 信号来说，B = 2.046MHz O[0020]在经过了相干积分之后，得到的基带信号信噪比可以表示为[0021 ] SNeasebanl =SNrf+Gt =(C7V0-101og(5)+30.1+101og7) dB
[0022]下表给出了几种不同输入信号强度情况下的T = I毫秒和T = 20毫秒的基带信噪比的情况。
[0023]表1:对不同CNO信号进行I毫秒和20毫秒积分后的基带信噪比
[0024]
【权利要求】
1.一种针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎，该捕获引擎包括长周期伪随机码发生器，本地载波发生器，乘法器，短时积分器，非相干累加模块，累加存储器，门限判决器。
2.根据权利要求1所述的长周期伪随机码发生器，其特征在于由短伪随机码发生器，二次编码发生器，模二加法器组成，其功能为产生二次编码和短伪随机码组合的长周期伪随机码。
3.根据权利要求1所述的本地载波发生器，其特征为可以接受外界控制信号，产生一定载波频率的正交和同相载波信号，这里fy i = 1...K覆盖载波多普勒频移范围。
4.根据权利要求1所述的乘法器，其特征在于完成输入信号、本地载波信号和长周期伪随机码的相乘运算。
5.根据权利要求1所述的短时积分器，其特征在于，对乘法器输出的结果进行积分，积分长度为长周期伪随机码周期的N分频，N为一个整数，即一个长周期伪随机码周期内完成N次相干积分，每次本地伪随机码滑动半个伪随机码片相位则每个积分器输出一个积分结果O
6.根据权利要求1所述的非相干累加模块，其特征在于以N个短时积分器的输出作为输入，本地伪随机码每滑动半个码片将N个短时积分器输出的I，Q路输出的信号功率累加在一起，当本地伪随机码滑动完全部M个码片，则总共有2M个非相干累加结果。
7.根据权利要求1所述的累加存储器，其特征在于用来存储所有载波频率下的非相干累加结果，对于输入的载波频率fi，i = 1...K，每一个载波频率对应2M个非相干累加结果，总共有KX2M个非相干累加结果，这也决定了累加存储器的大小。
8.根据权利要求1所述的门限判决器，其特征在于对于累加存储器中的非相干累加结果，每个结果对应于一个载波频率和伪码相位，对于所有结果和预先设定的门限进行比较，如果超过门限则意味着一个可能存在的信号。
9.根据权利要求1所述的针对二次编码调制的卫星导航信号的捕获引擎，适用于但不限于以下卫星导航信号:美国GPS的L5信号，欧盟Gelileo系统的E5a、E5b、El信号，中国北斗系统的BI / B2 / B3信号。
【文档编号】G01S19/24GK103698780SQ201310398439
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年9月5日 优先权日:2013年9月5日
【发明者】何炎 申请人:北京捷星广达科技有限责任公司