[发明专利]提高微弱GNSS信号处理增益的捕获系统

说明书

技术领域

本发明关于导航通信领域，微弱全球导航卫星系统GNSS信号捕获系统。

技术背景

微弱GNSS信号捕获技术是实现弱信号GNSS导航的核心技术之一，也是全球导航卫星系统（GNSS）领域的研究难点之一。对于卫星导航信号，在地表附近空旷的条件下卫星导航信号的强度在-130dBm左右，其载噪比大约为45dB-Hz，当有建筑物或植被的遮蔽时信号强度会衰减。通常把载噪比大于45dB-Hz的信号视为强信号，把小于28dB-Hz的信号视为微弱信号。对于GNSS民用卫星信号来说,信号功率的大幅衰落使接收机无法检测信号完成定位。信号能量的衰减是高灵敏度卫星导航接收机面临的主要问题。

扩频通信系统由于在发送端扩展了信号频谱，在接收端解扩还原了信息，这样的系统带来的好处是大大提高了抗干扰容限。理论分析表明，各种扩频系统的抗干扰性能与信息频谱扩展后的扩频信号带宽比例有关。一般把扩频信号带宽W与信息带宽△F之比称为处理增益GP，它表明了扩频系统信噪比改善的程度。除此之外，扩频系统的其他一些性能也大都与GP有关。因此，处理增益是扩频系统的一个重要性能指标。抗干扰容限MJ与扩频处理增益GP成正比，扩频处理增益提高后，抗干扰容限大大提高，甚至信号在一定的噪声湮没下也能正常通信。通常的扩频设备总是将用户信息(待传输信息)的带宽扩展到数十倍、上百倍甚至千倍，以尽可能地提高处理增益。

以GPS、GALILEO、GLONASS为代表的全球导航卫星系统（GNSS）均以直接序列扩频技术为基础。信号捕获是一个对伪码和多普勒频偏进行二维搜索的过程，通过对不同多普勒频偏下的伪码进行相关运算，实现时频同步。在微弱信号电平下，常需要采用较长的积分时间以增加处理增益，并采用并行相关器结构以优化捕获时间。由于码多普勒会造成接收信号与本地伪码的相对滑动，导致长时间积分运算出现相关损失。现有研究提出了利用载波和码多普勒间的比例关系，根据载波频偏搜索的频率间隔进行码多普勒频移补偿，以减小积分过程中由码多普勒频移造成的相位滑动。

在现有技术中，多普勒补偿后仍存在码多普勒残差，受载波频率搜索步长的限制，载波频偏搜索步长越大，码多普勒残差越大。码多普勒残差同样会引起码相位滑动，从而限制了微弱信号电平下积分时间的进一步增加：当伪码相位滑动超过一个码片时，积分能量将不能积累到同一码相位上，导致延长积分时间达不到提高处理增益的目的。

发明内容

为了克服微弱信号捕获中，码多普勒频偏限制了积分时间，导致处理增益受限的问题，本发明提供一种能够增加GNSS捕获系统处理增益，并能避免积分运算相关损失的微弱GNSS信号处理增益捕获系统。

本发明的上述目的可以通过以下措施来实现，本发明提供本发明提供一种提高微弱GNSS信号处理增益的捕获系统，包括：本地伪码产生器1、射频处理单元2、抽头延迟线模块3、乘法器4，并行相关单元7、峰值判决模块9和相关运算单元10，其特征在于：并行相关单元7与峰值判决模块9之间设有由数据存储模块11串联组合相加模块12组成的扩展积分单元8；并行相关运算单元7对来自射频处理单元2的接收信号和来自本地伪码发生器1的本地扩频码进行并行相关运算，将运算处理结果送入扩展积分单元8进行扩展积分，并将扩展积分结果送入峰值判决单元9与门限电路设置的相关峰判决门限进行比较，峰值判决单元9通过门限比较，执行捕获是否完成的判断，完成信号捕获。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。本发明通过并行相关单元7与峰值判决模块9之间设置的扩展积分单元8，能够以较少的硬件资源消耗开销，增加GNSS捕获系统的处理增益，相对于传统GNSS捕获技术，在实现微弱信号快速捕获方面具有如下明显优势：

第一，利用所述扩展积分技术，可有效地减小码多普勒引起的相位滑动对相关运算积分时间的限制，突破传统GNSS捕获系统的积分时间上限，从而提高捕获灵敏度。

第二，本发明实现简单，只需要在传统捕获系统中增加扩展积分单元(8)，对其余电路不需要重新设计；从复杂度和资源开销的角度，该算法在可编程门阵列芯片(FPGA)上实现时，只需消耗少量加法逻辑和存储器。

由于码多普勒频偏限制了传统相关运算的最大积分时间。在传统相关运算的基础上，本发明利用扩展积分单元实现了积分时间增加，从而解决了处理增益受限的问题。本发明资源消耗少，只需要在传统捕获系统中增加扩展积分单元8，对其余电路无须重新设计。

附图说明

图1是本发明提高微弱GNSS信号处理增益的捕获系统电路原理示意图。