一种惯导系统辅助的高动态微弱信号GPS捕获方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN105425258A(43)申请公布日2016.03.23(21)申请号201510735848.3(22)申请日2015.11.02(71)申请人北京航空航天大学地址100191北京市海淀区学院路37号(72)发明人王新龙孙兆妍车欢(74)专利代理机构北京慧泉知识产权代理有限公司11232代理人王顺荣唐爱华(51)Int.Cl.G01S19/29(2010.01)G01S19/30(2010.01)权利要求书6页说明书14页附图2页(54)发明名称一种惯导系统辅助的高动态微弱信号GPS捕获方法(57)摘要一种惯导系统辅助的高动态微弱信号GPS捕获方法，它有五大步骤：一、对比相干、非相干以及差分相干累积捕获性能，选取累积方式进行组合，加强信号能量累积；二、对输入中频信号进行相干累积，并利用惯导系统和卫星星历对接收信号的多普勒参数及码相位进行估算，以压缩频率及相位搜索空间；三、对多普勒参数及码相位估算值进行卡尔曼滤波平滑，并利用平滑结果计算本地信号与接收信号的动态频率/相位偏移量；四、采用循环平移算法补偿相干累积输出矩阵的动态偏移量；五、对补偿后的输出矩阵进行非相干累积，将输出结果与门限比较，完成捕获判决。本发明改善了GPS信号捕获的动态容忍性能，实现了高动态环境中GPS信号的高灵敏度捕获。CN105425258ACN105425258A权利要求书1/6页1.一种惯导系统辅助的高动态微弱信号GPS捕获方法，其特征在于：它具体包括以下步骤：步骤一：对比相干、非相干以及差分相干累积捕获性能，选取累积方式进行组合，加强信号能量累积；a.相干累积捕获性能L1波段接收信号经过射频前端下变频及模数转换后得到数字中频信号，以采样频率fs＝1/Ts进行采样，得到nTs时刻采样信号以及本地相关信号模型分别为式中，下标n表示当前采样点；上标r表示采样信号，上标l表示本地信号；C(·)为粗捕获码序列；D(·)为导航数据；fIF为载波中频频率；τ和分别为采样信号的真实码相位传播延迟以及本地信号的码相位估计值；fd和分别为采样信号的真实多普勒频移和本地信号多普勒频移估计值；φ0和分别为采样信号初始载波相位和本地信号初始载波相位估计值；多普勒频移fd同时使C/A码速率产生偏移，偏移因子Wn为高斯白噪声；假设由载体与GPS卫星相对加速度引起的多普勒频移率为则真实多普勒频移与多普勒频移估算值之间的关系为式中，Δf0为初始多普勒频移估计偏移量；将采样信号与本地信号进行相关运算，则有进一步，假设相干累积时间为Tcoh，对式(4)中的相关结果号进行相干累积，则其输出检测量为式中，N＝Tcoh/Ts，表示相干累积的采样点数；由式(5)知，当不存在多普勒频移率，即时，相干累积输出量简化为此时，信号检测量的幅值仅由载波频率误差Δf0和码相位误差Δτ两个变量决定，当2CN105425258A权利要求书2/6页Δf0和Δτ均为零时，表示本地信号与接收信号的频率和相位均已对齐，此时输出检测量ZCOH即为捕获的相关峰；而当多普勒频移率时，根据式(5)知，的累积结果表示为sinc函数，即ZCOH将沿着sinc函数主峰的下降梯度衰减；为了定量说明对检测量ZCOH幅值的损耗程度，将其定义为多普勒频移率损耗因子其中T为信号累积时间；对比式(5)和式(6)知，相干累积算法的多普勒频移率损耗因子为由于表现为sinc函数，因此多普勒频移率越大，幅度越小；同时随着累积时间Tcoh的延长，幅度将进一步减小，导致信号累积能量的加速衰减，因此，为了在高动态环境中实现高灵敏度捕获，必须限制相干累积时间并进行多普勒频移率的补偿；b.非相干、差分相干捕获性能根据式(5)，得相干累积后的同相、正交支路信号Ik和Qk分别为Ik＝ARn(Δτ)sinc(πΔf0Tcoh)·cos(πΔf0(N-1)Ts+Δφn)(8)Qk＝ARn(Δτ)sinc(πΔf0Tcoh)·sin(πΔf0(N-1)Ts+Δφn)(9)而非相干和差分相干累积后得到的检测量分别表示为式中，ZNCH，ZDFC分别为非相干、差分相干输出矩阵；TNCH和TDFC分别为非相干和差分相干的累积周期；将式(8)和式(9)分别代入式(10)和式(11)，得到非相干和差分相干的多普勒频移率衰减因子分别为在低动态环境中，非相干和差分相干的累积增益包括相干增益及非相干或差分相干损耗；但是在高动态环境中，由于多普勒频移率的存在，本地信号与接收信号的频率/相位偏移量随着累积时间的延长不断增大，导致相应累积增益的衰落；因此，高动态累积增益的计算模型需引入多普勒频移率损耗因子则非相干和差分相干累积增益模型分别为3CN105425258A权利要求书3/6页式中，GCOH(·)为相干累积增益；