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GNSS系统弱信号捕获方法研究与应用

韩帅  
【摘要】:定位和导航在商业和战争中的重要性不言而喻,人类一直穷其才智去追求卓越的定位导航技术。在过去的数十年中,全球导航卫星系统(GNSS)的出现与发展,使导航技术与需求都发生了天翻地覆的变化。目前全球导航卫星的应用已经远远超过最初的预期,因此对全球导航卫星提出了前所未有的要求和挑战。 从信号处理的角度看,信号功率的大幅衰减、射频干扰和多径衰落是难题的根源。对于GNSS民用卫星信号来说,尤其是信号功率的大幅衰落,使接收机无法检测信号完成定位。于是,本文针对弱信号检测问题,研究高灵敏度GNSS信号捕获技术,使接收机在信号功率大幅衰减时仍能捕获GNSS信号,提高检测灵敏度。 本文从经典信号检测理论出发,根据广义似然比检测准则,针对GNSS信号检测的特点,建立一套完整GNSS信号检测理论体系。将匹配滤波、后相关非相干检测、后相关差分检测经过合理的假设与近似,归纳统一到广义似然比检测中。从理论和仿真测试两个方面,讨论了每种算法的检测性能,包括虚警概率,检测概率和检测指数等指标,并进一步指出它们的局限性,为提出新的算法奠定基础。 针对后相关非相干检测算法存在平方损失,同时后相关差分检测算法随着差分延迟增大受导航数据和多普勒频差的影响就越大的问题,本文利用PRN码的周期性提出一种新的广义似然比检测实现结构,称为协作后相关差分检测,将后相关非相干检测和后相关差分检测巧妙地结合起来。在协作后相关差分检测中,载波多普勒频差体现在差分支路间的复相位旋转上,因此通过FFT操作可同时完成了相干累积和频率精估计,与传统的后相关非相干和后相关差分检测相比,不但能够利用将差分支路联合有效地抑制噪声,同时还能够进行频率的精估计。 前相关差分检测是在码片级延迟进行差分相关检测,差分延迟选取为码片周期的整数倍,保证伪码序列的相关性,进而利用Gold序列的移位相乘特性。另外导航数据和载波多普勒频差在码片级延迟内几乎是不变的,所以其受影响极小。但是,由于前相关差分检测前没有经过匹配滤波所以信噪比损失相当大。针对这个问题本文提出了一种广义前相关检测,称为多重前相关差分检测,在增加前相关算法灵敏度的同时,又能保留其抗多普勒频差的能力。多普勒频差体现为差分支路之间的复相位旋转,因此可以通过FFT在完成相干累积的同时完成了频率精估计。同时引入前置滤波器,将其级联多重前相关差分检测不但可以提供足够的增益来捕获弱信号,同时保留了很强的多普勒频差抑制能力。为了减少计算复杂度,利用C/A码移位相乘仅得到(Nc?1)/2个变更C/A码的关系,降低了运算量。 然后提出双差全比特检测方法,与典型的半比特方法只利用了一半的信号能量不同,充分利用了观测时间内的信号能量,提高有效累积时间,并且减少了平方损失。并且引入了前置滤波器,大大降低运算复杂度。使用峰均比作为判决变量,通过软件源仿真,得到判决变量的概率密度分布函数,及工作特性曲线等性能。进一步将其移植,应用到FPGA原型接收机中,与半比特法相比提高了信号检测灵敏度,抑制了噪声,减小了导航数据和多普勒频率的影响。 最后对现代化GNSS信号,分析现代化信号的时频特性,针对其特有的信号导频结构将协作后相关差分检测方法扩展为适应GPSL2C的形式,捕获CM码和CL码;将多重前相关差分检测扩展为适应L5信号,非常适合NH码信号的检测。两种方法与传统的后相关非相干检测检测相比都提高了捕获灵敏度,同时还可进行频率的精估计。 本文在进行算法的比较与分析时,为了便于核心算法的理论推导与仿真验证,将信号检测理论中的检测指数作为评价灵敏度的主要指标,并验证了在导航数据和多普勒频率的影响下检测指数性能。本文在软件接收机测试平台上对各种算法进行了大量的仿真和测试,同时部分算法完成了FPGA的代码移植,已应用在接收机中。


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