CN109490919B - 一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法及装置 - Google Patents

一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法及装置 Download PDF

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CN109490919B CN201811627812.3A CN201811627812A CN109490919B CN 109490919 B CN109490919 B CN 109490919B CN 201811627812 A CN201811627812 A CN 201811627812A CN 109490919 B CN109490919 B CN 109490919B
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Abstract

本发明公开了一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法及装置，涉及信号处理领域，包括：将复合GNSS信号与GNSS接收机本地载波相乘，再分别与GNSS接收机本地伪码的数据分量、导频分量相乘继而进行积分操作；数据信道的同相支路、正交支路相关输出相结合形成数据信道的复相关输出量，导频信道的同相支路、正交支路相关输出相结合形成导频信道的复相关输出；本发明从虚警概率、检测概率等性能指标能够显著提升GNSS接收机的捕获灵敏度。本发明优点在于：联合数据信道和导频信道差分组合策略相比于传统单信道捕获技术能够带来捕获性能改善，本发明方法显著提升GNSS接收机在弱信号环境下的捕获灵敏度。

Description

一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法及装置
技术领域
本发明涉及信号处理技术领域，具体涉及一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法及装置。
背景技术
新的复合GNSS信号包含数据信道和导频信道，在捕获新的复合GNSS信号中，为了避免数据符号翻转的问题，现有的常规方法是采用单信道捕获技术，如图1所示，即单独使用导频信道。新的GNSS信号数据信道和导频信道分量经历相同的传输环境，因此它们受到相同码相位延迟和多普勒频移的影响，而且载波相位差严格保持180°。如果仅使用单一导频信道，其缺点是导航卫星所发射功率就会损失一半；当捕获GNSS弱信号时，如果忽略数据信道，只利用导频信道的信号功率，GNSS接收机捕获性能较差，特别是在弱信号环境中，这种功率损失会导致GNSS接收机无法正常工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于忽略数据信道分量，只处理导频信道分量，仅利用了一半有用信号，这样GNSS接收机无法有效捕获GNSS信号。
本发明的目的是提供一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，采用复合GNSS信号多信道差分相干组合策略，以解决现有技术无法解决的信道功率损失问题，以及所带来的GNSS接收机在弱信号环境下无法正常工作的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，具体技术方案如下：
一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，包括以下步骤：
步骤1：卫星导航接收机输入复合GNSS信号为y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道，将输入的复合GNSS信号y[n]在
Figure GDA0004202327360000021
与接收机本地载波(含正弦、余弦)相乘，使得数据信道和导频信道形成相应的同相(In-phase，I)支路和正交(Quadrature，Q)支路，其中，fIF为GNSS接收机中频，/>
Figure GDA0004202327360000022
是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，fs是GNSS接收机的采样率；
步骤2：将数据信道和导频信道在同相(I)、正交(Q)支路上乘以相应的接收机本地伪码后再进行相干积分，分别产生同相(I)分量
Figure GDA0004202327360000023
和正交(Q)分量/>
Figure GDA0004202327360000024
其中，X代表信道，X＝D或P；
步骤3：将数据信道的同相(I)分量
Figure GDA0004202327360000025
和正交(Q)分量/>
Figure GDA0004202327360000026
相加可得：
Figure GDA0004202327360000027
将导频信道的同相(I)分量
Figure GDA0004202327360000028
和正交(Q)分量/>
Figure GDA0004202327360000029
相加可得：/>
Figure GDA00042023273600000210
公式(1)、(2)中，
Figure GDA00042023273600000211
分别对应于数据信道的同相和正交相关器输出；/>
Figure GDA00042023273600000212
和/>
Figure GDA00042023273600000213
分别对应于导频信道的同相和正交相关器输出；/>
Figure GDA00042023273600000214
其中，fIF为GNSS接收机的中频，/>
Figure GDA00042023273600000215
是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，fS是GNSS接收机的采样率；/>
Figure GDA00042023273600000216
表示GNSS接收机本地伪码的码相位；j代表虚根单位。
步骤4：将数据信道的复相关输出与导频信道的复相关输出进行差分相干组合即可获得差分乘积项，取该差分乘积项的实部的绝对值即可获得单一积分周期的检测变量
Figure GDA00042023273600000217
即有下式：
Figure GDA00042023273600000218
式中，Re(·)表示复数取实部，
Figure GDA0004202327360000031
是/>
Figure GDA0004202327360000032
的共轭,差分乘积项
Figure GDA0004202327360000033
引入绝对值运算符号主要考虑到数据信道和导频信道的载波信号之间存在180°相位差，由此消除/>
Figure GDA0004202327360000034
对导航电文和次级码符号的依赖。
步骤5：如果不存在可用的GNSS信号，或者GNSS接收信号不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H0条件下，那么当检测变量
Figure GDA0004202327360000035
超过检测阈值β时，导致虚警事件；另一方面，如果GNSS有用信号存在并且它与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐，即在备择假设H1下，那么当检测变量/>
Figure GDA0004202327360000036
超过检测阈值β时，表示检测事件发生。；由此，虚警和检测概率分别定义如下：
Figure GDA0004202327360000037
Figure GDA0004202327360000038
式中，
Figure GDA0004202327360000039
是在H0假设下检测变量/>
Figure GDA00042023273600000310
的条件概率密度函数；
Figure GDA00042023273600000311
是在H1假设下检测变量/>
Figure GDA00042023273600000316
的条件概率密度函数。
所述步骤4中检测变量
Figure GDA00042023273600000312
中的/>
Figure GDA00042023273600000313
还可改写成：/>
Figure GDA00042023273600000314
在零假设H0条件下，公式(6)中每个元素
Figure GDA00042023273600000315
都服从高斯分布/>
Figure GDA0004202327360000041
其中，/>
Figure GDA0004202327360000042
为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出的方差，/>
Figure GDA0004202327360000043
和/>
Figure GDA0004202327360000044
都服从中心χ2分布，因此，/>
Figure GDA0004202327360000045
等价于两个独立的中心χ2分布之差。
所述步骤5中所述卫星导航接收机未接收到GNSS有用信号，或者检测变量
Figure GDA0004202327360000046
未与卫星导航接收机本地伪码正确对齐，包括：
在零假设H0条件下，由于伪码的正交特性，检测变量
Figure GDA0004202327360000047
是中心χ2分布，具有两个自由度，利用中心χ2分布性质能够求得差分相干信道组合的虚警概率。其中，所述通过使用中心χ2分布能够获得差分相干信道组合的虚警概率的具体过程为：
用
Figure GDA0004202327360000048
来表示/>
Figure GDA0004202327360000049
在零假设H0情况下的条件概率密度函数：
Figure GDA00042023273600000410
检测变量
Figure GDA00042023273600000411
在零假设H0的情况下条件概率密度为/>
Figure GDA00042023273600000412
可知检测变量
Figure GDA00042023273600000413
在零假设H0的情况下呈指数分布，/>
Figure GDA00042023273600000414
这是Gamma分布的特例，即
Figure GDA00042023273600000415
则在单一积分周期内，差分相干信道组合的虚警概率/>
Figure GDA00042023273600000416
为：
Figure GDA00042023273600000417
/>
所述步骤5中所述卫星导航有用信号存在并且与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐情况下，包括：
在备择假设H1下，决策变量
Figure GDA0004202327360000051
服从非中心χ2分布，具有两个自由度和非中心参数λ，则非中心性参数λ为：
Figure GDA0004202327360000052
式中，R(·)是本地伪码和经过滤波的GNSS接收信号伪码之间的互相关函数；
Figure GDA0004202327360000053
是接收机本地载波多普勒频移与GNSS接收信号载波多普勒频移之差；
Figure GDA0004202327360000054
是接收机本地码相位和GNSS接收信号码相位之间的差异，由采样间隔TS进行归一化；C是GNSS接收机天线端的接收信号功率；N表示可见导航卫星颗数。通过非中心χ2分布特性可以获得差分相干信道组合的检测概率。
所述通过非中心χ2分布计算差分相干信道组合的检测概率的具体过程为：
若用
Figure GDA0004202327360000055
来表示/>
Figure GDA0004202327360000056
在H1假设下的条件概率密度函数：
Figure GDA0004202327360000057
则检测变量
Figure GDA0004202327360000058
在备择假设H1的情况下的条件概率密度函数为：
Figure GDA0004202327360000059
在单一积分周期上，即当K＝1时，差分相干信道组合的检测概率
Figure GDA0004202327360000061
为：
Figure GDA0004202327360000062
式中，
Figure GDA0004202327360000063
为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出量的方差，Q1(a,b)是广义的一阶Marcum Q函数，β为检测阈值，λ是非中心性参数。
一种卫星导航接收机高灵敏度捕获装置，包括：
分离模块：用于输入复合GNSS信号y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道分量，将输入的复合信号y[n]在接收机中频
Figure GDA0004202327360000064
乘以卫星导航接收机的本地正弦、余弦载波，使得数据信道和导频信道都获得相应的同相(I)、正交(Q)两个输出，其中，fIF为中频，/>
Figure GDA0004202327360000065
是多普勒频移，fs是接收机的采样率；
乘法模块：用于将数据信道和导频信道乘以GNSS接收机的相应的本地伪码和本地载波，然后进行相干积分，数据信道和导频信道都产生同相(I)分量和正交(Q)分量；
加法模块：用于将数据信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加，则：
Figure GDA0004202327360000066
将导频信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加，则：
Figure GDA0004202327360000067
公式(1)、(2)中，
Figure GDA0004202327360000068
和/>
Figure GDA0004202327360000069
分别对应于数据信道的同相和正交支路上相关器输出；/>
Figure GDA00042023273600000610
和/>
Figure GDA00042023273600000611
分别对应于导频信道的同相和正交支路上相关器输出；/>
Figure GDA00042023273600000612
其中，fIF为GNSS接收机的中频，/>
Figure GDA00042023273600000613
是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，fS是GNSS接收机的采样率；/>
Figure GDA00042023273600000614
表示GNSS接收机本地伪码的码相位延迟；j代表虚根单位。
组合模块：用于将数据信道中相关器输出与来自导频信道的相关器输出通过差分相干方式进行组合，构建决策变量
Figure GDA0004202327360000071
可得下式：
Figure GDA0004202327360000072
式中，
Figure GDA0004202327360000073
是/>
Figure GDA0004202327360000074
的共轭复数；
判断模块：用于当决策变量
Figure GDA0004202327360000075
超过预设的检测阈值β时，表示检测到信号。如果所接收到信号中没有GNSS有用信号出现，或者决策变量/>
Figure GDA0004202327360000076
不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H0下，决策变量/>
Figure GDA0004202327360000077
超过检测阈值即表示发生虚警事件；如果所接收到信号中存在GNSS有用信号并且与GNSS接收机本地伪码和本地载波正确对准，即在备择假设H1情况下，表示发生检测事件。因此，虚警概率和检测概率分别定义为：
Figure GDA0004202327360000078
Figure GDA0004202327360000079
其中，
Figure GDA00042023273600000710
是在零假设H0条件下检测变量/>
Figure GDA00042023273600000711
的条件概率密度函数；/>
Figure GDA00042023273600000712
是在备择假设H1条件下决策变量/>
Figure GDA00042023273600000713
的条件概率密度函数。/>
本发明相比现有技术具有以下优点：
本发明将将复合GNSS信号与GNSS接收机本地载波相乘，再分别与GNSS接收机本地伪码的数据分量、导频分量相乘继而进行积分操作；数据信道的同相支路、正交支路相关输出相结合形成数据信道的复相关输出量，导频信道的同相支路、正交支路相关输出相结合形成导频信道的复相关输出；采用差分相干信道组合模式，将数据信道的复相关输出与导频信道的复相关输出的共轭进行相乘得到差分复乘积，然后对该差分乘积项的实部引入绝对值运算获得单一积分周期的检测量，最后通过对K个积分周期的检测量进行非相干累加建立捕获决策变量，从而有效提升GNSS接收机的捕获灵敏度。本发明中采用差分相干信道组合技术，充分利用数据/导频结构来提高卫星导航接收机的捕获灵敏度，有效提升了弱信号环境下卫星导航接收机的捕获灵敏度；联合数据/导频信道差分相干组合策略相比于传统的单信道捕获技术具有显著的捕获性能改善。
附图说明
图1为现有技术的常规的GNSS信号捕获过程。
图2为本发明一种卫星导航接收机高灵敏度捕获的原理图。
图3为本发明实施例的卫星导航接收机高灵敏度捕获方法针对Galileo E1OS信号在载噪比C/N0＝30dB-Hz、相干积分时间等于4ms的情况下运用ROC曲线与现有不同捕获方法进行性能比较。
图4为本发明实施例的卫星导航接收机高灵敏度捕获方法针对Galileo E1OS信号在载噪比C/N0＝32dB-Hz、相干积分时间等于4ms的情况下运用ROC曲线与现有不同捕获方法进行性能比较。
图5为本发明实施例的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获装置的功能框图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图2所示，一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，包括以下步骤：
步骤1：卫星导航接收机输入复合GNSS信号为y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道，将输入的复合GNSS信号y[n]在
Figure GDA0004202327360000081
与GNSS接收机本地载波(含正弦、余弦)相乘，使得数据信道和导频信道形成相应的同相(In-phase，I)支路和正交(Quadrature，Q)支路，其中，fIF为GNSS接收机中频，/>
Figure GDA0004202327360000091
是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，fs是GNSS接收机的采样率；
步骤2：将数据信道和导频信道在同相(I)、正交(Q)支路上乘以相应的接收机本地伪码后再进行相干积分，分别产生同相(I)分量
Figure GDA0004202327360000092
和正交(Q)分量/>
Figure GDA0004202327360000093
其中，X代表信道，X＝D或P；
步骤3：将数据信道的同相(I)分量
Figure GDA0004202327360000094
和正交(Q)分量/>
Figure GDA0004202327360000095
相加可得：
Figure GDA0004202327360000096
将导频信道的同相(I)分量
Figure GDA0004202327360000097
和正交(Q)分量/>
Figure GDA00042023273600000919
相加可得：
Figure GDA0004202327360000098
公式(1)、(2)中，
Figure GDA0004202327360000099
分别对应于数据信道的同相和正交相关器输出；/>
Figure GDA00042023273600000910
和/>
Figure GDA00042023273600000911
分别对应于导频信道的同相和正交相关器输出；
Figure GDA00042023273600000912
其中，fIF为GNSS接收机的中频，/>
Figure GDA00042023273600000913
是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，fS是GNSS接收机的采样率；/>
Figure GDA00042023273600000914
表示GNSS接收机本地伪码的码相位；j代表虚根单位。
步骤4：将数据信道的复相关输出与导频信道的复相关输出进行差分相干组合即可获得差分乘积项，取该差分乘积项的实部的绝对值即可获得单一积分周期的检测变量
Figure GDA00042023273600000915
即有下式：
Figure GDA00042023273600000916
式中，Re(·)表示复数取实部，
Figure GDA00042023273600000917
是/>
Figure GDA00042023273600000918
的共轭,差分乘积项
Figure GDA0004202327360000101
引入绝对值运算符号主要考虑到数据信道和导频信道的载波信号之间存在180°相位差，由此消除/>
Figure GDA0004202327360000102
对导航电文和次级码符号的依赖。
检测变量
Figure GDA0004202327360000103
中的/>
Figure GDA0004202327360000104
还可改写成：
Figure GDA0004202327360000105
在零假设H0条件下，公式(4)中每个元素
Figure GDA0004202327360000106
都服从高斯分布/>
Figure GDA0004202327360000107
其中，/>
Figure GDA0004202327360000108
为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出的方差，/>
Figure GDA0004202327360000109
和/>
Figure GDA00042023273600001015
都服从中心χ2分布，因此，/>
Figure GDA00042023273600001010
等价于两个独立的中心χ2分布之差。/>
步骤5：如果不存在可用的GNSS信号，或者GNSS接收信号不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H0条件下，那么当检测变量
Figure GDA00042023273600001011
超过检测阈值β时，导致虚警事件；另一方面，如果GNSS有用信号存在并且它与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐，即在备择假设H1下，那么当检测变量/>
Figure GDA00042023273600001012
超过检测阈值β时，表示检测事件发生。因此，虚警和检测概率分别定义如下：
Figure GDA00042023273600001013
Figure GDA00042023273600001014
式中，
Figure GDA0004202327360000111
是在H0假设下检测变量/>
Figure GDA0004202327360000112
的条件概率密度函数；
Figure GDA0004202327360000113
是在H1假设下检测变量/>
Figure GDA0004202327360000114
的条件概率密度函数。
卫星导航接收机未接收到GNSS有用信号，或者检测变量
Figure GDA0004202327360000115
不与卫星导航接收机本地伪码正确对齐，即在零假设H0条件下，由于伪码的正交特性，检测变量/>
Figure GDA0004202327360000116
是中心χ2分布，具有两个自由度，利用中心χ2分布性质能够求得差分相干信道组合的虚警概率。
通过使用中心χ2分布计算差分相干信道组合的虚警概率的具体过程为：
用
Figure GDA0004202327360000117
来表示/>
Figure GDA0004202327360000118
在零假设H0情况下的条件概率密度函数：
Figure GDA0004202327360000119
检测变量
Figure GDA00042023273600001110
在零假设H0的情况下条件概率密度为/>
Figure GDA00042023273600001111
可知检测变量
Figure GDA00042023273600001112
在零假设H0的情况下呈指数分布，/>
Figure GDA00042023273600001113
这是Gamma分布的特例，即
Figure GDA00042023273600001114
则在单一积分周期内，差分相干信道组合的虚警概率/>
Figure GDA00042023273600001115
为：
Figure GDA00042023273600001116
卫星导航有用信号存在并且与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐情况下，即在备择假设H1下，决策变量
Figure GDA00042023273600001117
服从非中心χ2分布，具有两个自由度和非中心参数λ，则非中心性参数λ为：
Figure GDA0004202327360000121
式中，R(·)是本地伪码和经过滤波的GNSS接收信号伪码之间的互相关函数；
Figure GDA0004202327360000122
是接收机本地载波多普勒频移与GNSS接收信号载波多普勒频移之差；
Figure GDA0004202327360000123
是接收机本地码相位和GNSS接收信号码相位之间的差异，由采样间隔TS进行归一化；C是GNSS接收机天线端的接收信号功率；N表示可见导航卫星颗数。通过非中心χ2分布特性可以获得差分相干信道组合的检测概率。
通过非中心χ2分布计算差分相干信道组合的检测概率的具体过程为：
若用
Figure GDA0004202327360000124
来表示/>
Figure GDA0004202327360000125
在H1假设下的条件概率密度函数：
Figure GDA0004202327360000126
则检测量
Figure GDA0004202327360000127
在备择假设H1的情况下的条件概率密度函数为：
Figure GDA0004202327360000128
在单一积分周期上，即当K＝1时，差分相干信道组合的检测概率
Figure GDA0004202327360000129
为：
Figure GDA00042023273600001210
式中，
Figure GDA00042023273600001211
为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出量的方差，Q1(a,b)是广义的一阶Marcum Q函数，β为检测阈值，λ是非中心性参数。
如图3、图4所示，针对伽利略E1 OS信号，在信噪比C/N0分别为30dB-Hz、32dB-Hz、相干积分时间均为4ms的情况下，将所发明的高灵敏度捕获方法通过运用接收机操作特性曲线(Receiver Operating Characteristic curve，ROC)与单信道非相干积分、单信道差分相干、双信道差分比较组合方法对捕获性能进行比较分析。分析结果表明本发明的卫星导航接收机高灵敏度捕获方法能够提供的捕获性能明显优于其它捕获方法，有效证明了本发明方法能够有效提高GNSS接收机的捕获灵敏度。
如图5所示，一种卫星导航接收机高灵敏度捕获装置，包括：
分离模块100：用于输入复合GNSS信号y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道分量，将输入的复合信号y[n]在
Figure GDA0004202327360000131
乘以卫星导航接收机的本地正弦、余弦载波，使得数据信道和导频信道都获得相应的同相(I)、正交(Q)两个输出，其中，fIF为中频，/>
Figure GDA0004202327360000132
是多普勒频移，fs是接收机的采样率；
乘法模块200：用于将数据信道和导频信道乘以GNSS接收机的相应的本地伪码和本地载波，然后进行相干积分，数据信道和导频信道都产生同相(I)分量和正交(Q)分量；
加法模块300：用于将数据信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加，则：
Figure GDA0004202327360000133
将导频信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加，则：
Figure GDA0004202327360000134
公式(1)、(2)中，
Figure GDA0004202327360000135
和/>
Figure GDA0004202327360000136
分别对应于数据信道的同相和正交支路上相关器输出；/>
Figure GDA0004202327360000137
和/>
Figure GDA0004202327360000138
分别对应于导频信道的同相和正交支路上相关器输出；/>
Figure GDA0004202327360000141
其中，fIF为GNSS接收机的中频，fd是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，fS是GNSS接收机的采样率；/>
Figure GDA0004202327360000142
表示GNSS接收机本地伪码的码相位延迟；j代表虚根单位。
组合模块400：用于将数据信道中相关器输出与来自导频信道的相关器输出通过差分相干方式进行组合，构建决策变量
Figure GDA0004202327360000143
可得下式：
Figure GDA0004202327360000144
式中，
Figure GDA0004202327360000145
是/>
Figure GDA0004202327360000146
的共轭复数；
判断模块500：用于当决策变量
Figure GDA0004202327360000147
超过预设的检测阈值β时，表示检测到信号。如果所接收到信号中没有GNSS有用信号出现，或者决策变量/>
Figure GDA0004202327360000148
不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H0下，决策变量/>
Figure GDA0004202327360000149
超过检测阈值即表示发生虚警事件；如果所接收到信号中存在GNSS有用信号并且与GNSS接收机本地伪码和本地载波正确对准，即在备择假设H1情况下，表示发生检测事件。因此，虚警概率和检测概率分别定义为：
Figure GDA00042023273600001410
/>
Figure GDA00042023273600001411
其中，
Figure GDA00042023273600001412
是在零假设H0条件下决策量/>
Figure GDA00042023273600001413
的条件概率密度函数；/>
Figure GDA00042023273600001414
是在备择假设H1条件下决策量/>
Figure GDA00042023273600001415
的条件概率密度函数。
综上，本发明提供一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，采用联合信道差分相干组合策略，充分利用数据/导频结构来提高卫星导航接收机的捕获灵敏度，有效提升了弱信号环境下卫星导航接收机的捕获灵敏度，发明的卫星导航接收机高灵敏度捕获方法联合数据/导频信道进行差分相干组合相比于传统的单信道捕获技术而言能够显著提升GNSS接收机的捕获性能。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：卫星导航接收机输入复合GNSS信号为y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道，将输入的复合GNSS信号y[n]在数字中频
Figure FDA0004190333220000011
与GNSS接收机本地载波相乘，本地载波包括正弦和余弦，使得数据信道和导频信道形成相应的同相(I)支路和正交(Q)支路，其中，fIF为GNSS接收机中频，/>
Figure FDA0004190333220000012
是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，fs是GNSS接收机的采样率；
步骤2：将数据信道和导频信道在同相(I)、正交(Q)支路上乘以相应的接收机本地伪码后再进行相干积分，分别产生同相(I)分量
Figure FDA0004190333220000013
和正交(Q)分量/>
Figure FDA0004190333220000014
其中，X代表信道，X＝D或P；
步骤3：将数据信道的同相(I)分量
Figure FDA0004190333220000015
和正交(Q)分量/>
Figure FDA0004190333220000016
相加可得：
Figure FDA0004190333220000017
将导频信道的同相(I)分量
Figure FDA0004190333220000018
和正交(Q)分量/>
Figure FDA0004190333220000019
相加可得：
Figure FDA00041903332200000110
公式(1)、(2)中，
Figure FDA00041903332200000111
分别对应于数据信道的同相和正交相关器输出；/>
Figure FDA00041903332200000112
和/>
Figure FDA00041903332200000113
分别对应于导频信道的同相和正交相关器输出；/>
Figure FDA00041903332200000114
其中，fIF为GNSS接收机的中频，/>
Figure FDA00041903332200000115
是GNSS接收机本地载波的多普勒频移，fS是GNSS接收机的采样率；/>
Figure FDA00041903332200000116
表示GNSS接收机本地伪码的码相位；j代表虚根单位；
步骤4：将数据信道的复相关输出与导频信道的复相关输出进行差分相干组合即可获得差分乘积项，选取该差分乘积项的实部的绝对值即可获得单一积分周期的检测量
Figure FDA00041903332200000117
即有下式：
Figure FDA0004190333220000021
式中，Re表示复数取实部，
Figure FDA0004190333220000022
是/>
Figure FDA0004190333220000023
的共轭,差分乘积项/>
Figure FDA0004190333220000024
引入绝对值运算符号主要考虑到数据信道和导频信道的载波信号之间存在180°相位差，由此消除/>
Figure FDA0004190333220000025
对导航电文和次级码符号的依赖；
步骤5：如果不存在可用的GNSS信号，或者GNSS接收信号不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H0条件下，那么当检测变量
Figure FDA0004190333220000026
超过检测阈值β时，导致虚警事件；另一方面，如果GNSS有用信号存在并且它与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐，即在备择假设H1下，那么当检测变量/>
Figure FDA0004190333220000027
超过检测阈值β时，表示检测事件发生；由此，虚警概率和检测概率分别定义如下：/>
Figure FDA0004190333220000028
Figure FDA0004190333220000029
式中，
Figure FDA00041903332200000210
是在H0假设下检测量/>
Figure FDA00041903332200000211
的条件概率密度函数；/>
Figure FDA00041903332200000212
是在H1假设下检测量/>
Figure FDA00041903332200000213
的条件概率密度函数。
2.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，上述步骤4中检测量
Figure FDA00041903332200000214
中的/>
Figure FDA00041903332200000215
还可改写成：
Figure FDA0004190333220000031
在零假设H0条件下，公式(6)中每个元素
Figure FDA0004190333220000032
都服从高斯分布/>
Figure FDA0004190333220000033
其中，/>
Figure FDA0004190333220000034
为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出的方差，/>
Figure FDA0004190333220000035
和/>
Figure FDA0004190333220000036
都服从中心χ2分布，因此，/>
Figure FDA0004190333220000037
等价于两个独立的中心χ2分布之差。
3.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，所述步骤5中所述卫星导航接收机未接收到GNSS有用信号，或者检测变量
Figure FDA0004190333220000038
不与卫星导航接收机本地伪码正确对齐，包括：
在零假设H0条件下，由于伪码的正交特性，检测量
Figure FDA0004190333220000039
是中心χ2分布，具有两个自由度，利用中心χ2分布性质能够求得差分相干信道组合的虚警概率。
4.根据权利要求3所述的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，所述利用中心χ2分布性质能够求得差分相干信道组合的虚警概率的具体过程为：
用
Figure FDA00041903332200000311
来表示/>
Figure FDA00041903332200000310
在零假设H0条件下的条件概率密度函数：/>
Figure FDA0004190333220000041
检测量
Figure FDA0004190333220000042
在零假设H0情况下的条件概率密度为
Figure FDA0004190333220000043
可知检测量/>
Figure FDA0004190333220000044
在零假设H0情况下呈指数分布，/>
Figure FDA0004190333220000045
这是Gamma分布的特例，即/>
Figure FDA0004190333220000046
则在单一积分周期内，差分相干信道组合的虚警概率/>
Figure FDA0004190333220000047
为：
Figure FDA0004190333220000048
5.根据权利要求1所述的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，所述步骤5中所述卫星导航有用信号存在并且与卫星导航接收机本地伪码和本地载波正确对齐情况下，包括：
在备择假设H1条件下，检测量
Figure FDA0004190333220000049
服从非中心χ2分布，具有两个自由度和非中心性参数λ，则非中心性参数λ为：
Figure FDA00041903332200000410
式中，R是本地伪码和经过滤波的GNSS接收信号伪码之间的互相关函数；
Figure FDA00041903332200000411
是接收机本地载波多普勒频移与GNSS接收信号载波多普勒频移之差；
Figure FDA00041903332200000412
是接收机本地码相位和GNSS接收信号码相位之间的差异，由采样间隔TS进行归一化；C是GNSS接收机天线端的接收信号功率；N表示可见导航卫星颗数；通过非中心χ2分布特性可计算差分相干信道组合的检测概率。
6.根据权利要求5所述的一种卫星导航接收机高灵敏度捕获方法，其特征在于，所述通过非中心χ2分布求解差分相干信道组合的检测概率的具体过程为：
用
Figure FDA0004190333220000051
来表示/>
Figure FDA0004190333220000052
在H1假设下的条件概率密度函数：
Figure FDA0004190333220000053
/>
检测量
Figure FDA0004190333220000054
在备择假设H1情况下的条件概率密度函数为：
Figure FDA0004190333220000055
在单一积分周期上，即当K＝1时，差分相干信道组合的检测概率
Figure FDA0004190333220000056
为：
Figure FDA0004190333220000057
式中，
Figure FDA0004190333220000058
为信号捕获中同相或正交支路上相关器输出量的方差，Q1(a,b)是广义的一阶Marcum Q函数，β为检测阈值，λ是非中心性参数。
7.一种卫星导航接收机高灵敏度捕获装置，其特征包括：
分离模块：用于输入复合GNSS信号y[n]，所述复合GNSS信号y[n]包括数据信道和导频信道分量，将输入的复合信号y[n]在
Figure FDA0004190333220000059
乘以卫星导航接收机的本地正弦、余弦载波，从而数据信道和导频信道都获得相应的同相(I)、正交(Q)两个输出，其中，fIF为中频，/>
Figure FDA00041903332200000510
是多普勒频移，fs是采样率；
乘法模块：用于将数据信道YD和导频信道YP的同相(I)、正交(Q)都乘以本地伪码，然后进行相干积分，分别产生同相(I)分量和正交(Q)分量：
加法模块：用于将数据信道YD的同相(I)分量和正交(Q)分量相加得：
Figure FDA0004190333220000061
将导频信道的同相(I)分量和正交(Q)分量相加可得：
Figure FDA0004190333220000062
公式(1)、(2)中，
Figure FDA0004190333220000063
分别对应于数据信道的同相和正交支路上相关器输出，/>
Figure FDA0004190333220000064
和/>
Figure FDA0004190333220000065
分别对应于导频信道的同相和正交支路上相关器输出，/>
Figure FDA0004190333220000066
表示卫星导航接收机本地伪码的码相位延迟，j代表虚根单位；
组合模块：用于将数据信道中相关器输出与来自导频信道的相关器输出通过差分相干方式进行组合，构建决策变量
Figure FDA0004190333220000067
可得下式：
Figure FDA0004190333220000068
式中，
Figure FDA0004190333220000069
是/>
Figure FDA00041903332200000610
的共轭复数；/>
判断模块：用于当决策变量
Figure FDA00041903332200000611
超过预设的检测阈值β时，表示检测到信号；如果所接收到信号中没有GNSS有用信号出现，或者决策变量/>
Figure FDA00041903332200000612
不与GNSS接收机本地伪码或本地载波正确对齐，即在零假设H0下，决策变量/>
Figure FDA00041903332200000613
超过检测阈值即表示发生虚警事件；如果所接收到信号中存在GNSS有用信号并且与GNSS接收机本地伪码和本地载波正确对准，即在备择假设H1情况下，表示发生检测事件；因此，虚警概率和检测概率分别定义为：
Figure FDA00041903332200000614
Figure FDA00041903332200000615
式中，
Figure FDA0004190333220000071
是在H0假设下检测量/>
Figure FDA0004190333220000072
的条件概率密度函数；/>
Figure FDA0004190333220000073
是在H1假设下检测量/>
Figure FDA0004190333220000074
的条件概率密度函数。/>
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CN104181556A (zh) * 2014-08-19 2014-12-03 哈尔滨工程大学 一种基于重叠差分循环相干积分的boc调制信号捕获方法
CN204101732U (zh) * 2014-11-05 2015-01-14 北京大学 一种gnss新体制信号捕获装置
CN105842713A (zh) * 2016-05-30 2016-08-10 北京航空航天大学 一种基于sft的ins辅助bds信号快速捕获方法
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CN107450084A (zh) * 2017-09-08 2017-12-08 北京理工大学 一种基于csac的高灵敏度gnss接收机及重捕获实现方法

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