一种gnss弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星导航信号处理技术领域，具体涉及一种GNSS弱信号跟踪的低复 杂度鉴频器设计方法，用于在微弱卫星导航信号跟踪处理中减少延长相干累加时间所需的 计算量。
【背景技术】
[0002] 随着卫星导航应用的进一步深入，接收机面临着越来越严苛的应用环境。全球导 航卫星系统（GlobalNavigationSatelliteSystem，简称GNSS)信号在城市峡谷等遮挡环 境下比在开阔地域弱十几甚至几十分贝，而提高跟踪灵敏度可以提高接收机在弱信号条件 下的定位成功率和增强鲁棒性。鉴频器是维持信号载波频率跟踪的关键环节，其性能对提 高跟踪灵敏度具有重要影响。鉴频器用于从相关器输出的准时相关值序列中估计出信号的 载波频率减去本地载波频率后残余的跟踪频偏。作为一个频率估计器，为获得高的频率估 计精度，应延长鉴频器单次频率估计所使用数据段的长度。在不能获得电文辅助的情况下， 鉴频器需要通过估计电文来实现相干累加。虽然现代化GNSS信号中引入了不调制电文的 导频分量，可以单独使用导频数据估计频偏，但联合使用导频和数据分量可获得更好的鉴 频性能。因此在给定跟踪频偏的前提下，根据对应于相邻N个电文的相关值（N为整数），先 估计出的电文比特，然后用估计得到的电文与相关值相乘以剥离掉其中的电文调制，然后 对剥离了电文之后的N个相关值进行累加，可有效提高频率鉴别操作中所需的信噪比。由 于电文估计可能存在误码，这种累加只是一种近似的相干累加，为简化描述下文中全部简 称为相干累加。实现近似的相干累加是提高GNSS接收机弱信号跟踪灵敏度的重要途径。
[0003] 传统弱信号跟踪的电文估计算法直接在电文组合的取值域搜索，其计算量与2N成 线性关系，但由于其大都针对电文速率为50bps的GPS信号设计，N的取值较小。对于电文 速率为50bps的GPS信号，N取5?8即可获得足够高的相干累加后信噪比，此时待搜索的 电文组合个数较少。我国的北斗二号卫星导航系统（简称：BDS)的地球同步轨道卫星（简 称：GE0)所播发信号的电文速率为500bps，相比于50bps信号，达到相同的相干积分时间， 待搜索电文比特数增加10倍。例如：实现〇. 12s的相干积分，采用传统电文估计算法，对 GPS信号只需搜索25= 32个电文组合，而对于BDS的GE0信号需要搜索2 59个电文组合，即 计算量增加254倍，即计算量以指数规律增加，导致算法难以实时实现。因此对于具有较高 电文速率的GNSS信号，传统电文估计算法难以实时实现较长时间的相干累加，这就需要一 种降低了计算复杂度的电文估计方法。
【发明内容】
[0004] 针对电文速率的较高的GNSS信号用传统的电文估计方法延长相干累加时间时， 计算量以指数规律增长的问题。本发明提供了一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设 计方法，该方法以快速实现一个基于最大似然估计的高性能鉴频器中的电文剥离和相关累 加为目标，由于直接获取了相干累加值，因此不输出对电文比特的估计值，具体技术方案步 骤如下：
[0005] (S1)初始化鉴频器，设计频偏和电文的最大似然联合估计器如下：
【主权项】
1. 一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法，其特征在于，包括以下步骤： (51) 初始化鉴频器，设计频偏和电文的最大似然联合估计器如下：
在给定跟踪频偏f后，仅搜索电文组合所获得的最大相干累加能量值为Ea。。(f)，即：
其中，k=l，2，···，10=[(11，(12，"*，(1」，(115￡{+1，-1}为依次由各比特待估计的电 文构成的向量，D表示N个电文比特的组合情况，以下简称为电文组合；f为跟踪频偏； 为跟踪频偏的估计结果，Dml为电文组合的估计结果； (52) 设定跟踪频偏f的取值范围[_fmax，fmax]，并在其中以相等的间隔Af取L个采样 点：f\< f2<?< fH< f\，L 为整数； (53) 将平面IR2:按照方位角进行量化处理，量化为M条均匀分布的射线，M为整数；以 Δ#.为间隔，在连续区间[0,2π]上取M个离散采样点< #2 < ··· < ΡΛ?，对于任 意待量化向量{Sx，Sy}，设其极坐标表示为：
从科，r = 1，2，…，M，中找到与方位角φ:最接近的相位私例，作为量化后的方位角， 即量化后的累加向量{瓦:，艮}为： (54) 对每一个跟踪频偏取值的采样点ft，t = 1，2，
…，!^，计算得到Et= Ea。。(ft)并从 中找出最大者En= max {E J，并以对应的频率4作为初始的跟踪频偏估计值，η为整数； (55) 用三点插值法进一步修正跟踪频偏估计值：若E1或h为最大时，不进行 插值处理，直接将频偏估计值限幅为^或￡^，否则，先计算表征峰值偏移量的系数
，再将鉴频器的输出修正为：1
2. 如权利要求1所述的一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法，其特征在 于，所述步骤（S4)中根据跟踪频偏的采样值f t，t = 1，2,…，L，求解Et的具体过程为： (S41)根据跟踪频偏的采样值ft，对相关器输出的原始相关值x[k]进行相位旋转得到 X1^[k]，计算公式如下：
上式中IPJk]与QPJk]分别为xjk]的实部与虚部；将式（6)代入式⑶可得到：
将x,[k]看成二维向量，则dk取-1时可看成是将x,[k]旋转180度，4取1则对应不 旋转； (542) 定义平面I21中的子集Am及其递推关系：将屯固定为1，记前m个翻转向量之和 为货厂，巧}，即：
所有'{5]'?吁可能的取值构成的集合为易知，A1中仅有一个元素\[1]，且递 推关系如下：
(543) 递推计算Am中在各个量化方向上具有最大相干累加能量值元素所构成的子集 Cm:初始化Cl =島；则m+1 = 2, 3，…，N的步骤为： 1) 设置Cw+1为空集； 2) 遍历(Cm中的每个元素 y，按照式（9)的递推关系计算出累加一个相关值向量后新 产生的两个iim+1中的元素，其中： y+对应于dm+1= 1的情况，即y+ = y+x Jm+1]; y-对应于 dm+1= -1 的情况，即 y- = y-x Jm+1]; 3) 依次判断y+或者y_以何种方式添加到中，具体以y+为例说明判断方法，设 y+按照式（4)、式（5)量化后的方位角为若Cm+1中无量化后方位角为Wr^+) 的元素，则将y+添加到C m+i中；反之设C.m+1中已有一个元素 z量化后方位角也为 ^(y+)，则比较y+与Z的模值大小，若|y+| > |z|，则将Cm+]_中的z用y+替换，反之保 持Cm+1不变； 按照步骤1)、2)、3)方法，迭代N-I次后得到(CjV·， (544) 找出CiV1中具有最大模值的元素7">，然后计算Et，即取E t= |ym|2。
3.如权利要求1所述的一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法，其特征在 于，M取值为21°。
【专利摘要】本发明属于卫星导航信号处理技术领域，具体涉及一种低复杂度鉴频器设计方法，用于在微弱卫星导航信号跟踪处理中减少延长相干累加时间所需的计算量。具体步骤为，初始化鉴频器，设计频偏和电文的最大似然联合估计器；设定跟踪频偏可能的取值范围，并在其中取均匀分布的采样点；设定在极坐标系下对二维平面上向量的方位角进行量化处理的函数；ft，t＝1，2，…，L，计算得到Et＝Eacc(ft)，据此得到跟踪频偏的初始估计值；用三点插值法进一步修正跟踪频偏估计值。本发明方法以部分相关累加结果表示电文组合分支，通过在极坐标系下对相关值的量化处理，通过预测估计，排除相干累加能量值较小的电文组合分支，使计算量随待估计电文比特数以线性关系增长。
【IPC分类】G01S19-37
【公开号】CN104536022
【申请号】CN201510003887
【发明人】吴舜晓, 黄仰博, 倪少杰, 唐小妹, 朱祥维, 欧钢, 陈华明, 刘文祥, 李井源
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月6日