关于GNSS,中频信号仿真及弱信号接收算法的研究

　　摘要：伴随GNSS（全球导航卫星系统）的逐渐发展及日益完善，对GNSS接收机的性能，用户的要求也在不断提高。若要研究出具有更高性能的软件接收机，便需不断地优化接收机的接收算法作为接收机算法研究的基础，GNSS数字中频信号模拟器对研究软件接收机的接收算法具有十分重要的作用。
　　关键词：GNSS；中频信号；弱信号；检测；仿真
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）32-7208-02
　　利用GNSS信号模拟器可以将精确可控及可复现的测试环境提供给研发及验证阶段的GNSS接收机，从而有效确保GNSS接收机的研发成功率【1】。当前，GNSS软件接收机已经成为卫星导航领域技术主要的发展方向，而对软件接收机核心算法的验证则需要有GNSS中频信号作为支撑。同时，在高灵敏度的接受机中，由于其能够检测到弱信号，因而可能将强弱信号见的互相关峰错误地当成弱信号的自相关峰，从而使得卫星信号产生严重的互相关干扰。文中通过对强信号互相关干扰的估计，并对检测门限作自动调节，从而有效解决互相关干扰与高灵敏度间的矛盾。
　　1 GNSS中频信号模拟器架构设计
　　GNSS中频信号模拟器架构
　　1）GNSS中频信号模型。鉴于GPS与其他卫星中频信号如COMPASS及GALILEO的数学模型相似，因此仅仅分析GPS波段C/A码即可【2】。设第i颗卫星发送的波段C/A码信号在途经空间环境传播之后，其信号多普勒频率可表示为：
　　[fd=-vi-vuc?lifL1] （1）
　　式中：vi—第i颗卫星速度矢量；vu—接收机速度矢量；li—接收机到第i颗卫星的方向余弦。其中包括所有可见卫星的中频信号表达式为：
　　[SIF=i=1N2PtDi（t-Td-δtiono）Ci（t-Td-δtiono）cos（ωIF+ωd）?t-ωLO1δtr+?0] （2）
　　式中：[Pt]—接收机接受到第i颗可见卫星信号的功率；TP—从卫星自接收机的集合传播延时；[δtr]—接收机时钟差；[δtiono]—电离层延时；[ωLO1]—本地振荡器频率；[ωIF]—期望的中频信号频率；[?0]—初始相位。
　　2）GNSS中频信号的仿真实现。将采集的卫星数据在Matlab仿真环境下进行捕获仿真验证。确定采集到卫星数据的A/D采样频率以及数字中频IF，然后选取1ms的电文数据加以处理。用1bit量化方式将采样信号读入Matlab仿真软件内，以便能节省存储空间，从而获取更多的卫星数据。首先，由于不清楚采集到的数据对应的是那些被捕获的卫星，所以需要对规定范围内的所有卫星进行盲捕；然后选取卫星中捕获效果最好者作为研究试样；接着将输入信号与本地信号的捕获结果加以对比，在相应频率图找到该卫星的C/A码起始点，并计算出对应的初始相位；最后，通过通过相位关系，得到精细频率分辨率，验证算法的正确性。
　　2 GNSS弱信号接收检测算法
　　互相关干扰作为高灵敏度GNSS接收机工作稳定的重要影响因素，根据GNSS中频信号的仿真结果表明，GNSS接收机在采用1s的非相干积分及20ms的相干积分，在二者不存在互相关干扰条件下，能够接受到-160dBm的弱信号。
　　1）累积方法
　　为了能够得到可靠的以及信噪比较高的判决量，一般情况下都需要对多个伪随机码周期进行组合和累加，组合能够有效削弱噪声，提高信号检测的成功率，通常采用的组合方法有相关干积分、非相干积分和差分相干积分等。在对弱信号进行捕获时，首先需要接收20ms的数据比做多普勒补偿以及预处理，使之变成两个1ms的数据段。然后，为了找出该多普勒频移的码相位及最大相关值，需要将这两个数据段做并行码相位搜索算法处理。接着利用多普勒频移与补偿值的差便得到信号多普勒频移的真正值。最后通过比特交替法思想，以相干积分作为基础并作非相干积分，有效捕获弱星信号。
　　① 信号相干积分。将接受到的卫星信号去载波在于本地码作相关解扩之后，所得的正交信号可表示为：
　　式中：T—相干积分时间；A—信号幅度；f—残留载波频率偏差；[?]—残留载波相位偏差；D—调制数据位；[τ]—输入信号与本地信号码相位偏差；c（t）—扩频码；k—干扰信号；R（[τ]）—扩频码自相关函数；n1、nQ—独立同分布的窄带高斯白噪音。
　　将载波频率误差与码相位误差忽略不计，则信号相干积分后的信噪比可表示为：
　　[A22σ2=C/N0×T] （4）
　　式中：C/N0代表的是信号功率与噪声功率密度之间的比值，由公式可知相干积分时间T与相干积分后的信噪比之间成正比的关系，因此，适当增加相干积分时间，能够提高相应接收机的灵敏度。
　　② 信号非相干积分。由于相干积分时间通常会受到多普勒频偏及导航数据位翻转的限制，因此，一般情况下会采取非相干积分来提高接收机的灵敏度。当存在信号时，表示信号功率的s2为公式（3）第一项的平方，即：
　　当不存在信号时，表示其他唯心信号对期望接受信号的互相关干扰功率之和的s2，为公式（3）第二项的平方，即：
　　式中：[Rk（τk）]—期望信号扩频码与干扰信号扩频码的互相关函数；T0—扩频码的周期。由公式可知，其对期望接受信号的互相关干扰伴随干扰信号功率的增大而增大，并且，互相关干扰功率在fk（载波频率误差）＼的值取在1/T0附近时最大，而互相关干扰功率伴随fk的值远离1/T0时显着降低。
　　2）半比特和全比特算法
　　① 交(本文来自：Www.bdfqY.cOm 千 叶帆文 摘:关于GNSS,中频信号仿真及弱信号接收算法的研究)替半比特算法
　　采用交替半比特算法时需要用两个非相干积分，在计算的过程中首先需要选取20N（N=1、2、3…）数据长度，将这些数据长度分为10ms，如下图所示，然后在每个分组中进行相关积分，同时将这些结果记作为[Yn（n=1，2，3，....）]，接着再将[Y1，Y3，Y5]……等奇数组和[Y2，Y4，Y6]……等偶数组进行相干累加，其表达式如下（12）：
　　[YA=Y21+Y23+...+Y22N-1YB=Y22+Y24+...+Y22N]
　　② 全比特捕获算法
　　对于GPSL1信号来说，全比特算法的目的主要是为了进行寻找导航电文比特跳变的边沿，再寻找到的导航电文的比特翻转位之后，将会从数据跳变的边沿进行导航数据周期的相关积分，然后进行累加计算。在计算后将输入的数据向后移动1ms，然后接着取出取相同的20ms的数据进行相关积分，然后进行累加计算，重复多次后，进行比较累加结果，从中找出最大的峰值，最后再将其与门限值进行比较，如果比较结果峰值大于门限值，则说明捕获到信号，否则失败，其中全比特算法示意图如下图2所示：
　　3 结束语
　　当前，GNSS软件接收机已经成为卫星导航领域技术主要的发展方向，GNSS中频信号模拟构主要包括GNSS导航电文仿真模块、载体运动轨迹生成模块、信号状态参数设置模块、GNSS中频信号生成模块，其准确性可以根据信号品质、信号捕获和跟踪、数据调制与解调以及导航定位解算来加以验证。同时，由于互相关干扰作为高灵敏度GNSS接收机工作稳定的重要影响因素，因此，可以根据干扰信号的强弱，通过增加或降低检测门限的方法，达到提高灵敏度的效果。
　　参考文献：
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　　[4] 郭树人，赵昀.软件GNSS中频信号模拟器[J].无线电工程，2009，39（5）：29-31，41.
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