GNSS弱信號兩級快速傅里葉變換捕獲方法

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1、中國空間科學(xué)技術(shù)ChineseSpaceScienceandTechnology2014年8月第4期GNSS弱信號兩級快速傅里葉變換捕獲方法蘇悅1王建輝2(1湖南北云科技有限公司，長沙410205)(2國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)，長沙410073)摘要高動態(tài)弱信號條件下，為了提高捕獲過程實(shí)現(xiàn)的靈活性，提出了兩級快速傅里葉變換(FFT)多普勒頻率捕獲方法，第一級FFT使用較短的相干積分時(shí)間將多普勒頻率搜索范圍劃分為多個(gè)粗分格，第二級FFT在每一個(gè)分格內(nèi)對多普勒頻率進(jìn)行更精細(xì)的搜索。采用文章提出的捕獲方法，可以降低FFT點(diǎn)數(shù)，簡化實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度；另一方面，計(jì)算第一級FFT時(shí)可通過

2、流水線操作提高資源利用率。為了驗(yàn)證所提方法的正確性，仿真實(shí)現(xiàn)了兩級FFT捕獲方法。結(jié)果表明，兩級FFT方法能在高動態(tài)弱信號條件下正確捕獲多普勒頻率。關(guān)鍵詞弱信號；導(dǎo)航信號捕獲；快速傅里葉變換；多普勒頻率；全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2014．04．0101引言GNSS信號在弱信號環(huán)境中(如城市峽谷、室內(nèi)等)比在開闊地域弱十幾到幾十分貝。弱信號條件下的信號捕獲一般通過延長相干積分時(shí)間提高捕獲靈敏度，但積分時(shí)間的長度受到導(dǎo)航電文和多普勒頻率的限制。通過后積累的方法也可以提高信噪比，但檢波器的輸人信噪比過低會導(dǎo)致較大的檢波

3、損耗[1]。持續(xù)時(shí)間為導(dǎo)航電文長度一半的連續(xù)兩段信號，至少有一段不包含比特邊沿跳變。為了克服電文比特邊沿對積分時(shí)間的限制，通過使用長度為電文長度一半的連續(xù)兩段信號，可將相干積分時(shí)間長度延長到電文長度的一半[2]，通過搜索比特邊沿可將相干積分時(shí)間延長到一個(gè)電文比特的長度[3]。擴(kuò)展長度塊積累相干積分(BlockAccumulatingCoherentIntegrationoverExtendedInterval，BACIX)算法，通過估計(jì)導(dǎo)航電文比特邊沿和一種低復(fù)雜度電文符號估計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)跨越多個(gè)導(dǎo)航電文比特的相干積分[4]，進(jìn)一步提高了弱信號捕獲靈敏度。半相干塊

4、積累(BlockAccumulatingSemi—coherentIntegrationofCorrelations，BASIC)算法，是在BACIX算法基礎(chǔ)上提出的一種適用于高動態(tài)環(huán)境下弱信號捕獲的方法，通過相鄰相干積分塊之間的頻率差異估計(jì)信號的高階動態(tài)[5]。多電文比特循環(huán)相關(guān)(CircularCorrelationwithMultipleDataBits，CCMDB)捕獲算法則是通過遍歷可能的比特邊沿和電文符號組合，使相干積分時(shí)長跨越多個(gè)電文比特長度[6]，從而提高捕獲靈敏度。此外，非相干后積累和差分檢測相結(jié)合的捕獲方法可以在不增長相干積分時(shí)間的條件下提高

5、捕獲靈敏度[7]。常規(guī)的按固定頻率間隔搜索多普勒頻率的方法實(shí)現(xiàn)簡單，但頻率分辨率只有一種，基于小波變換的GPS弱信號捕獲方法可以使用更靈活的頻率分辨率提高捕獲性能[8]。弱信號條件下，通過聯(lián)合估計(jì)碼相位和載波多普勒頻率也可以降低計(jì)算量[9]。弱信號條件下，接收信號載噪比低，常規(guī)的捕獲方法會導(dǎo)致較大的檢波損耗，因此現(xiàn)有文獻(xiàn)提出的高靈敏度捕獲方法大多通過延長相干積分時(shí)間實(shí)現(xiàn)。收稿日期：2014—03—18。收修改稿日期：2014—05—12：!!!笙!旦生旦窒!旦型蘭墊查!!高動態(tài)弱信號條件下的導(dǎo)航信號捕獲一般通過延長相干積分時(shí)間提高捕獲靈敏度，但相干積分時(shí)間較長時(shí)

6、，需搜索的多普勒分格數(shù)量較多‘10-1I]，計(jì)算復(fù)雜度也相應(yīng)提高。使用頻域并行搜索的捕獲方法，可以降低多普勒頻率搜索的計(jì)算量，提高捕獲速度[12

7、，但在多普勒頻率范圍較大時(shí)，快速傅里葉變換(FFT)點(diǎn)數(shù)很高，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度大。為了提高實(shí)現(xiàn)靈活性并降低實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，本文提出了一種使用兩級FFT運(yùn)算搜索載波多普勒頻率的弱信號捕獲方法，并對捕獲性能進(jìn)行了分析和仿真。本文方法不考慮導(dǎo)航電文符號和電文比特邊沿的影響，因此適用于新體制導(dǎo)航信號中導(dǎo)頻信號的捕獲；在有導(dǎo)航電文輔助的情況下，也可應(yīng)用本文方法完成對弱信號的捕獲。2傳統(tǒng)捕獲方法接收機(jī)接收到的直接序列擴(kuò)頻(DSSS)信號表達(dá)

8、式如下：r(t)一面c(f)cos(27c(／lF+fd)t+聲)+”(f)(1)式中P為信號功率；C(f)為偽碼序列；／’，，為中頻頻率；^為多普勒頻率；聲為初相；”(f)為高斯白噪聲。捕獲過程是碼相位和載波多普勒頻率的二維搜索過程(見圖1)，每個(gè)碼相位和多普勒頻率構(gòu)成一個(gè)搜索分格。傳統(tǒng)捕獲方法采用串行方法逐個(gè)搜索碼相位和多普勒分格，當(dāng)載波多普勒頻率與偽碼相位和接收信號處于同一分格中時(shí)，信號分量與本地信號的相關(guān)積分值最大，積分值超過門限則認(rèn)為捕獲成功。在高動態(tài)、弱信號條件下，采用短時(shí)分段相關(guān)和后積累方法不能獲得足夠增益，因此需要進(jìn)行長時(shí)間相干積分以降低檢波損耗

9、。長時(shí)間相干積分會導(dǎo)致多