多普勒频率残差校正的长时间相干积分捕获算法模块

本发明涉及一种卫星接收装置的信号粗同步模块，即带多普勒频率残差校正的长时间相干积分捕获算法模块。

背景技术：

全球导航卫星定位系统(gnss)是一种以卫星为基础的无线电导航系统，能提供全天候的实时导航定位服务，已经应用于国民经济的各个领域。目前，全球范围内研发应用最早的全球卫星定位系统gps系统在我国已应用广泛，我国自主研发全球卫星定位系统北斗系统已于2020年6月建成并提供全球导航定位服务。

gnss卫星发射信号到达地面gnss接收机时已相当微弱，如gps信号大约为-130dbmw，比接收机内部热噪声低20～30db。特别的，在室内、城市、森林等复杂环境中，gnss接收信噪比更低，而这些恰是人类活动的主要环境。

gnss接收机本地解码需要一个与接收信号同频同相的本地载波信号和伪随机扩频码(简称伪码)信号。由于多普勒效应等因素的影响，实际接收gnss信号的频率及其伪码相位具有不确定性。因此，需要通过捕获和跟踪等同步过程使本地信号与接收信号同步。gnss信号捕获是伪码相位空间和载波频率空间的二维搜索过。相干累加时间越长，多普勒频率搜索步长越小。通常要求频率搜索步长满足伪码相位的搜索步长小于1/2码片，其中，tcoh为捕获算法的预相干积分累加时长。

当捕获算法的预相干积分累加时间超过20ms时，载波频率搜索步长不能大于50hz，对于卫星信号中约±10khz的多普勒频率变化范围来说，较小的搜索步长意味着搜索次数增加，搜索算法耗时显著增大。

文献调研结果表明：估计并去除比特翻转、压缩多普勒频率变化范围是实现长时间预相干积分捕获的关键，精确校正本地载波频率误差等因素导致的载波相位漂移是提高长时间预相干积分捕获灵敏度的关键。

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。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、快速捕获算法建模等方面已做了一定研究工作，如有文献提出了二倍分组块补零(dbzp)算法、多级相干累加捕获算法，将累加时间充分的延长，但因算法耗时巨大难以推广应用，平方损耗和多普勒频率残差仍然是极低信噪比环境下影响捕获性能的主要因素，而且很难同时兼顾捕获灵敏度和捕获效率这两方面的性能。

技术实现要素：

本发明的目的是克服上述背景技术的不足，提供一种多普勒频率残差校正和载波相位对齐的长时间预相干积分捕获算法，提高接收机弱信号环境下的可用性。

本发明提供的技术方案是：

一种多普勒频率残差校正的长时间相干积分捕获算法模块，包括依次连接的多普勒频偏校正模块(包括依次连接的块叠加与相位补偿模块、谱峰检测模块、以及存储与查表模块)、残差校正模块、比特翻转估计模块、存储模块、查表模块、电文去除模块；同时，残差校正模块连接本地载波生成调整模块后，与电文去除模块并联接入乘法器模块处理后进入fft模块；

本地伪码生成模块依次连接共轭fft模块后与fft模块的输出并联接入乘法器模块处理；处理结果输出后依次进入ifft模块、门限判决模块后输出捕获到的信号，并接入本地载波生成调整模块。

所述多普勒频偏校正模块组输出端还与比特翻转估计模块的输入端相连，用多普勒频率估计值辅预测伪码相位；在此基础上，比特翻转估计模块估计并消除导航电文比特翻转的影响，最后，通过长时间相干累加获取信号处理增益的方式提高捕获灵敏度。

所述多普勒频偏校正模块组以及比特翻转估计模块，在gnss接收机捕获过程中只运行一次。

在gnss信号非常弱且预相干积分时间大于20毫秒时，残差校正模块运行多普勒频率残差校正算法，进一步提高多普勒频率估计精度，提高预相干积分的处理增益，最终提高捕获灵敏度。

所述多普勒频率残差校正算法是：

将时长为t毫秒的gnss中频输入信号平方后分成m个长度为n的子块，对考虑多普勒频率后的本地载波平方信号也分成m个长度为n的子块。然后，利用快速傅里叶变换对平方后的输入信号和本地信号进行相关运算，设相关结果为yk，对m个相关结果yk进行差分累加并搜索下述计算的最大值：

||表示取模运算，针对最大值，如下计算多普勒频率误差：

用上述结果对载波多普勒频率估计值进行校正：

在gnss信号非常弱且预相干积分时间大于20毫秒运行时，运行载波相位对齐算法，以提高预相干积分的处理增益。

所述载波相位对齐算法是：

采用多普勒频率估计误差信号计算多普勒频移在长时间相干积分累加时间内引起的载波相位飘移：

i)实验与仿真分析：首先，将gnss接收机跟踪环路估计的多普勒频率ftra做为信号中真实的多普勒频率，由此可计算得到输入gnss中频采样信号igifs的真实频率figifs，figifs＝fif+ftra+nerr1，由本发明所述算法估计的多普勒频率计算得到本地信号的载波频率然后，计算输入信号与本地载波信号的频率误差，并由下式计算出载波相位误差phadif；

ii)载波相位误差分析建模；上述载波相位误差的变化有明显的趋势，通过多项式拟合建模方法得到本地载波相位误差随着多普勒频率估计误差和时长而变化的函数关系曲线；

iii)将多普勒频率的残差校正算法得到的载波多普勒频率估计误差做为输入，估计并校正载波相位误差，通过插入/剔除本地信号采样点的方式将输入信号与本地信号对齐，此功能由本地载波生成调整模块实现。

本发明针对gnss导航用户端接收机系统，通过多普勒频率估计与校正的算法(由多普勒频偏校正模块组实现)提高捕获算法效率、通过导航电文比特翻转估计与校正的算法突破相干积分时间的限制、通过多普勒频率残差校正和载波相位对齐的算法提高捕获算法的信号处理增益，最终设计长时间相干积分捕获算法模块。本发明可依据信号环境自适应地调整相干积分时间，提高接收机的灵敏度性能，同时兼顾捕获算法效率。当信号受到遮挡、环境噪声较大且接收机处于运动状态时，使用本发明的gnss接收机也可稳定的给出定位结果。

本发明克服了长时间相干积分累加中多普勒频率和伪码相位飘移及运动导致伪码相关峰包络展宽并降低等弊端，采用本发明可使gnss接收机自动估计多普勒频率并校正其残差，估计并校正导航电文比特翻转的影响，纠正载波相位飘移，提高接收机弱信号下的可用性。无论在低信噪比还是在动态应用下，本方案接收机的性能较普通高灵敏度gnss接收机有明显提升。

本发明的有益效果是，本发明提供的多普勒频率残差校正的长时间相干积分捕获算法模块，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，通过多普勒频率估计与校正、多普勒频率估计残差校正、载波相位对齐等算法，提高gnss信号高灵敏度gnss信号捕获的效率与灵敏度；通过设计导航电文比特翻转估计与校正算法(由比特翻转估计模块、存储、查找、电文去除等模块联合实现)，增大预相干积分时长，进一步提高gnss弱信号捕获灵敏度，本方案gnss接收机的性能较普通高灵敏度gnss接收机有明显提升，可在低信噪比且动态的应用环境下保持正常工作。

附图说明

图1是本发明的组成结构图。

图2是本发明中相位补偿调整频率方案示意图。

图3是本发明中多普勒频率估计误差引起的载波相位偏差示意图。

图4a1、图4a2是采用本发明的预相干积分输出及捕获检测量示意图。

图4b1、图4b2是未采用本发明的预相干积分输出及捕获检测量示意图。

图5是gnss接收机结构图。

图6是捕获一颗卫星信号的具体算法流程图。

具体实施方式

以下结合附图所示实施例进一步说明。

本发明实现了一种可估计导航电文比特翻转的、仅采用相干累加法实现长时间累加的捕获算法；首先设计载波多普勒频偏估计与校正算法，压缩载波多普勒频偏的搜索范围，从而降低捕获算法的复杂度。然后，利用分组相干计算的方法实现对导航电文比特翻转的估计，取消导航电文比特翻转对信号累加增益的影响。其次，由于相干积分累加时超过导航电文比特长度时，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；本发明依据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，公开了利用该信息估计多普勒频率估计残差的方案，提高了gnss信号相干累加增益和捕获灵敏度，降低相干损耗，提高相干积分累加的信号处理增益。最后，设计长时间相干累加算法，完成信号的捕获。本发明的功能结构图由图1所示。

采用多普勒频率估计－压缩载波频率搜索空间－快速捕获算法的方式下，多普勒频偏校正模块组辅助gnss信号捕获的计算流程为：以gnss中频采样信号作为输入信号，根据时域展宽对应频域压缩的时频变换关系，对输入数据进行分块叠加(块叠加与相位补偿模块)，压缩多普勒频率fd搜索范围，估计多普勒频率并将结果存储在查找表acqb中；捕获卫星信号时，从表acqb中取出一条记录，由该记录得到多普勒频率(或igifs的频率)估计值，生成不同相位的两路正交本地载波，与输入信号相乘(乘法模块图中用圆圈中加×表示)，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(fft模块)，与本地c/a码经过共轭傅立叶变换(共轭fft模块)结果相乘，其结果通过反傅立叶变换(ifft模块)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。除频率不确定度范围由±10khz降低到20hz、以及导航电文比特跳变外，其余步骤与普通的gnss信号码域并行捕获算法一样。如图1所述流程完成gnss信号捕获计算。

多普勒频偏校正模块组估计多普勒频率、压缩频率搜索空间的方案。首先，进行分块叠加操作，一方面可以提高信号的信噪比，另一方面，基于时域扩展对应频域压缩的信号处理相关理论，对输入数据进行分块叠加，此操作展宽了时域，频域则被压缩了，因而多普勒频率fd被缩小，压缩了捕获算法频率搜索的范围。然后，选取一组调整频率δf，得到一组相位补偿序列其中，ts为采样周期，n为整数，输入的gnss中频采样数据r(·)与序列β(n)相乘，结果用r％(·)表示。通过相位补偿的方法将频率搜索空间进行等间隔划分，进一步压缩频率搜索空间。如选20个等间隔的调整频率，对应不同的结果r％(·)，取最大响应者对应的频率即为估计出的多普勒频偏，频率不确定范围进一步减少，如图2所示。

导航电文比特翻转估计的基本方案。选取数据长度为ti的数据，从第一个伪码周期信号开始，计算间隔为1个伪码周期、时长为t的(ti-1)个相关计算。然后，对计算结果进行处理和分析，基于搜索最小值点的方式，得到存在电文比特跳变的时刻。当比特翻转发生在参与相干累加计算数据的中间位置时，相干累加结果的数值最小(显著小于平均值)，据此找到存在比特翻转的数据块，对其后的数据块根据翻转情况做相应处理，消除导航电文比特翻转的影响。

为了通过增加预相干积分时间cit的方法提高gnss信号捕获灵敏度，本发明公开了多普勒频率残差校正算法和载波相位对齐算法。

多普勒频率残差校正算法是：

长时间相干累加时，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。基于分组差分累加结果中含有相邻数据块的相位差分信息的推断，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，以便提高相干累加增益和捕获灵敏度，方案思路如下：

将时长为t毫秒的gnss中频输入信号平方后分成m个长度为n的子块，对考虑多普勒频率后的本地载波平方信号也分成m个长度为n的子块。然后，利用快速傅里叶变换对平方后的输入信号和本地信号进行相关运算，设相关结果为yk，对m个相关结果yk进行差分累加并搜索下述计算的最大值：

||表示取模运算，针对最大值，如下计算多普勒频率误差：

用上述结果对载波多普勒频率估计值进行校正：

修正后的结果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。

参见图3；采用多普勒频率估计误差信号计算多普勒频移在长时间相干积分累加时间内引起的载波相位飘移，通过建模校正的方法(运行载波相位对齐算法)降低这部分误差。

载波相位对齐算法为：

仿真分析：设跟踪环路估计的多普勒频率ftra为信号中真实的多普勒频率，由此可计算得到信号的真实频率figifs，figifs＝fif+ftra+nerr1，由本发明所述算法估计的多普勒频率计算得到本地信号的频率然后，计算输入信号与本地载波信号的频率误差，由下式计算出载波相位误差phadif。

依据上式所述方法进行仿真，本地载波的相位误差曲线参见图3所述。

图3中，横坐标为相干积分累加时间cit，纵坐标为载波相位偏差。可见，载波相位误差的变化有明显的趋势。通过多项式拟合建模方法可得到本地载波相位误差随着多普勒频率估计误差和时长而变化的函数关系曲线，即可由上面估计的多普勒频移残差做为输入，估计并校正载波相位误差，通过插入/剔除本地信号采样点的方式将输入(gnss中频)信号与本地信号对齐，提高相干积分累加增益。

多普勒频率估计精度对相干积分累加时长和捕获灵敏度的影响，仿真分析结果参见图4a1、图4a2、图4b1、图4b2。

图中显示了多普勒频率估计精度与相干积分累加时长对预相干积分累加的影响的仿真分析结果。横坐标为相干积分累加时间cit，纵坐标为载波相位偏差(其中图4a2中的纵坐标为捕获检测量adv：定义为相关输出结果的最大值与次大值的比值)；每条曲线对应不同prn编码卫星信号的仿真结果。

图4a1、图4a2的两幅图对应捕获算法采用了频域搜索，多普勒频率估计精度较高，输入信号igifs与本地信号的频率误差小于1.8hz，如捕获prn＝18的卫星信号时，频率误差小于0.5hz(与跟踪到的载波频率相比较)。频率误差越小，相位误差随时间增长的速率就会越低，预相干积分累加输出(coherentintegrationoutput)就可以在越长的时间内保持上升，进而可以通过增加预相干积分时间cit的方法尽可能的提高gnss信号捕获灵敏度。由这两幅图可见，prn＝18,22的卫星信号相干积分累加输出信号(coherentintegrationoutput)和捕获判决量adv当cit小于250毫秒时一直保持上升趋势。

图4b1、图4b2两幅图对应捕获算法未采用频域搜索方法，即直接用估计的载波多普勒频率值去生成本地载波信号，对应载波多普勒频率校正精度较低，igifs与本地信号的频率误差许多情况下大于2hz。当cit>120ms时，随着cit的上升，相干积分累加输出可能会下降，意味着增大cit不能继续提高捕获灵敏度。

本发明的gnss信号捕获算法模块在gnss接收机(现有技术，结构参见图5)中的位置参见图5；gnss接收机由射频前端、基带信号处理模块、导航定位解算模块构成。其中，基带信号处理模块包括信号捕获、跟踪、译码与导航电文提取等子模块组成。gnss信号捕获粗略估计伪码相位和载波多普勒频率，信号跟踪模块实现对伪码相位和载波多普勒频率的精确估计，以便实现gnss信号的解扩和解调。译码与电文提取模块通过维特比译码获取导航电文，获取当前时刻下的卫星星历信息和伪距测量信息，导航定位解算模块用星历信息和测得的伪距和伪距率信息，实现导航定位解算。

参见图6，捕获一颗gnss卫星信号的计算流程为：多普勒频率估计与残差补偿后，生成本地载波信号，与去掉导航电文的输入信号相乘后进行傅里叶变换fft，结果记为pa；用多普勒频率估计值调整伪码速率，生成本地c/a码并进行共轭傅立叶变换，结果记为pb；pa与pb相乘的结果通过逆傅立叶变换转ifft换到时域，得到输入信号与本地信号间的相关b值。通过搜索最大相关值判决是否捕获到信号。

除了残差校正模块、本地载波生成调整模块外，本发明中采用的其他所有模块(如块叠加与相位补偿模块、谱峰检测模块、存储模块、查表模块、存储与查表模块、比特翻转估计模块、电文去除模块等)均为现有技术。其中，本地载波生成调整模块中，在载波生成等现有技术的基础上，增加了载波相位对齐算法。