一种增加导频信号实现弱信号捕获的方法与流程

本发明属于卫星导航领域，是一种实现弱信号捕获的方法。

背景技术：

全球卫星定位系统能全天候地、实时地为人们提供位置、测速和授时服务。但是，在城市街道、森林和室内环境等受到阻挡的环境下，GPS信号功率受到极大的损耗。在实际的应用环境中，卫星信号到达地面时功率大约为-130dBm，此时信噪比(SNR)大约为-20dB，然而在城市街道、森林和室内等环境下，GPS信号由于受到障碍物阻隔、多径效应等一些因素的影响，会受到严重衰减，信号强度非常微弱，有时甚至只有-160dBm，比正常情况下低30dB左右，普通的GPS接收机是很难捕获跟踪到这样低功率的卫星信号，难以实现导航跟定位功能。在这种情况下，就需要能够捕获到微弱信号的高灵敏度GPS接收机。

通用的GPS弱信号的捕获方法是通过增加相干积分时间来提高信噪比增益。相干积分时间越长，得到的信噪比增益就越高(相关峰峰值越显著)，相应地就能检测到更微弱的卫星信号。但相干积分时间不能无限增加，因为GPS信号中的导航数据位存在翻转，卫星信号中的导航数据速率为50bps，也就是说每个导航比特的时间长度为20ms，如果选用的捕获数据中存在导航数据位翻转，即使本地复现信号的码相位和载波频率与接收信号完全匹配，但是数据翻转之后的数据段也会使复现信号与接收信号的相关值衰减非常严重，从而使相关峰急剧变小甚至不会出现显著的相关峰，因此一般情况下，相干积分时间最长20ms。

一般对于弱信号捕获采用的相干积分时间为10ms。虽然可以通过非相干积分进行长时间的捕获，但非相干积分同时又会引起平方损耗。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决GPS弱信号捕获中相干积分不能超过20ms的问题，而提出的一种增加导频信号实现弱信号捕获的方法，该方法在卫星或是伪卫星上增加一个导频信号，该导频信号不包含数据码，直接将卫星的C/A码调制到载波上，与含有数据码的载波信号同时发送，接收机在接收时可以通过延长相干积分时间来进行弱信号的捕获，捕获时间可以不受数据比特跳变的影响，进行大于20ms的相干积分。能够实现在城市街道、森林和室内环境等受到阻挡的环境下卫星信号的捕获。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种增加导频信号实现弱信号捕获的方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：增加一个无数据的导频信号通过卫星或是伪卫星进行发送。该导频信号只包括C/A码，不包含导航数据，不存在比特跳变，可以用来长时间的相干积分来对弱信号进行捕获；

步骤2：导频信号和GPS信号通过同一天线进入采集器，经过放大、滤波和下变频处理，并通过A/D进行模数转换，转换为8bit的中频数字信号，采样频率为f，采样频率f至少要5MHz-20MHz；所述采集器射频芯片设置为模拟输出模式，利用外部的A/D芯片进行模数转换，实现射频芯片的高采样率；

步骤3：中频数字信号经过FPGA放到大容量RAM缓存中保存，当计算机端发起接收数据的请求时，数据由大容量RAM缓存取出，通过USB控制器，传输到计算机上；所述USB控制器使用USB 3.0的方式进行数据传输。

步骤4：计算机通过USB接口读取中频采样数据，将中频数据以毫秒作为单位，与用查找表的方式得到的本地载波和C/A码进行相关累积运算，使用相关累积运算的结果进行捕获处理；

卫星信号的捕获有很多捕获的算法，本发明采用的是并行码相位的方法进行捕获处理，采用延长相干积分时间进行弱信号捕获，相干积分就是连续地将若干个C/A码周期长度的输入数据与本地复现信号进行相关，然后将相关值矩阵对应相同码相位的相关值累加取模，以提高相关峰幅度，同时减弱噪声，从而提高信噪比。捕获处理的具体实现如下：

ⅰ)按每8bit作为1个字节，读取一段Lms的卫星中频数据y_I(n)，可以大于20ms，读取本地载波查找表文件和C/A码查找表文件；其中，n取值为1，2……f*L；

ii)将卫星中频数据y_I(n)进行快速傅里叶变换，使输入转换到频域；值为Y_I(k)；其中，k取值为1，2……f*L；

iii)本地载波查找表产生41个步长为500Hz的本地复现信号x_li(k)，本地C/A码查找表产生Lms的本地C/A码，本地码为本地C/A码和Lms本地复现信号x_li(k)的乘积，每个本地码包含f*L个数据点；对本地码进行快速傅里叶变换FFT，将其变换到频域，并取其复共轭，值为X_li(k)；其中，k取值为1，2……f*L；

iv)对X_li(k)和Y_I(k)点对点相乘，并对结果进行反傅里叶变换，得到相关值R_li(k)；其中，k取值为1,2……f*L；

ⅴ)相干积分，即相关值分块累加，将R_li(k)分成L个1ms的相关值数据块，并将各数据块对应位置的相关值进行累加，得到相关积分值R_l(k)；

vi)对相关积分值R_l(k)进行判断，若值大于预设的阈值，则实现了对信号的捕获，如果小于阈值，则调整频率重新进行捕获，直到捕获到信号。

本发明的创新点在于：

(1)引入导频信号与GPS信号同时发送，并用采集器同时采集导频信号和GPS信号，传送到计算机端，进行软件接收处理和信号捕获。

(2)射频芯片MAX2769外接A/D转换器，从而实现MAX2769的高采样率。因为采样时钟是由参考时钟倍频得到，采样率主要取决于FPGA和AD芯片，而不取决于MAX2769。

(3)采用“射频前端+FPGA+USB”的系统构架，软件接收机采用并行码相位的方法进行信号捕获，大大减少了运算量，提高了捕获的速度。

本发明的有益效果：

(1)在城市街道、森林和室内环境等受到阻挡的环境下能够实现弱信号的捕获。

(2)由于采用了并行码相位的方法进行捕获，并且本地载波和C/A码都事先产生并存储在载波查找表和CA码查找表文件中，不需要实时产生，大大减少了软件的运算量，提高了处理速度和效率。

附图说明

图1为卫星信号组成图；

图2为采集器系统结构框图；

图3为弱信号捕获原理图。

具体实施方式

本发明描述的方法是一种GPS弱信号捕获的方法，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

卫星信号的组成如图1所示，一路信号是卫星数据通过调制C/A码实现扩频，并调制到载波上，即原有的信号。另一路信号由C/A码直接调制到载波上，即需要在卫星或是伪卫星上增加的没有数据的导频信号。该导频信号只包括C/A码，不包含导航数据，不存在比特跳变，使GPS接收机可以用来进行长时间的相干积分，从而捕获的微弱的信号。

采集器系统结构框图如图2所示，导频信号和GPS信号通过同一天线进入采集器，经过放大、滤波和下变频处理，并通过A/D进行模数转换，转换为8bit的中频数字信号，采样频率采用20MHz。采集器将MAX2769射频芯片设置成模拟输出模式，利用外部的A/D芯片进行模数转换，这种方式可以实现MAX2769的高采样率，因为采样时钟是由参考时钟倍频得到，采样率主要取决于FPGA和AD芯片，而不取决于MAX2769。数据由A/D芯片输出后，经过FPGA放到大容量RAM缓存中保存，当PC端发起接收数据的请求时，数据由大容量RAM缓存取出，传输到USB3014芯片中，具体的USB3.0数据传输就由USB3014负责解决。

信号的捕获过程如图3所示，实现步骤如下：

ⅰ)按每8bit作为1个字节，读取一段Lms的卫星中频数据y_I(n)，可以大于20ms，读取本地载波查找表文件和C/A码查找表文件；其中，n取值为1,2……20000L；

ii)将卫星中频数据y_I(n)进行快速傅里叶变换，使输入转换到频域；值为Y_I(k)；其中，k取值为1,2……20000L；

iii)本地载波查找表产生41个步长为500Hz的本地复现信号x_li(k),本地C/A码查找表产生Lms的本地C/A码，本地码为本地C/A码和Lms本地复现信号x_li(k)的乘积，每个本地码包含20000L个数据点。对本地码进行快速傅里叶变换FFT，将其变换到频域，并取其复共轭，值为X_li(k)；其中，k取值为1,2……20000L；

iv)对X_li(k)和Y_I(k)点对点相乘，并对结果进行反傅里叶变换，得到相关值R_li(k)；其中，k取值为1，2……20000L；

ⅴ)相干积分，即相关值分块累加，将R_li(k)分成L个1ms的相关值数据块，并将各数据块对应位置的相关值进行累加，得到20000点的相关积分值R_l(k)。

vi)对相关积分值R_l(k)进行判断，若值大于预设的阈值，则实现了对信号的捕获，如果小于阈值，则调整频率重新进行捕获，直到捕获到信号。