GNSS系統(tǒng)弱信號捕獲方法研究與應用.pdf

1、定位和導航在商業(yè)和戰(zhàn)爭中的重要性不言而喻，人類一直窮其才智去追求卓越的定位導航技術。在過去的數(shù)十年中，全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)的出現(xiàn)與發(fā)展，使導航技術與需求都發(fā)生了天翻地覆的變化。目前全球導航衛(wèi)星的應用已經遠遠超過最初的預期，因此對全球導航衛(wèi)星提出了前所未有的要求和挑戰(zhàn)。
　　從信號處理的角度看，信號功率的大幅衰減、射頻干擾和多徑衰落是難題的根源。對于GNSS民用衛(wèi)星信號來說，尤其是信號功率的大幅衰落，使接收機無法檢測信號完成

2、定位。于是，本文針對弱信號檢測問題，研究高靈敏度GNSS信號捕獲技術，使接收機在信號功率大幅衰減時仍能捕獲GNSS信號，提高檢測靈敏度。
　　本文從經典信號檢測理論出發(fā)，根據(jù)廣義似然比檢測準則，針對GNSS信號檢測的特點，建立一套完整GNSS信號檢測理論體系。將匹配濾波、后相關非相干檢測、后相關差分檢測經過合理的假設與近似，歸納統(tǒng)一到廣義似然比檢測中。從理論和仿真測試兩個方面，討論了每種算法的檢測性能，包括虛警概率，檢測概率和檢測

3、指數(shù)等指標，并進一步指出它們的局限性，為提出新的算法奠定基礎。
　　針對后相關非相干檢測算法存在平方損失，同時后相關差分檢測算法隨著差分延遲增大受導航數(shù)據(jù)和多普勒頻差的影響就越大的問題，本文利用PRN碼的周期性提出一種新的廣義似然比檢測實現(xiàn)結構，稱為協(xié)作后相關差分檢測，將后相關非相干檢測和后相關差分檢測巧妙地結合起來。在協(xié)作后相關差分檢測中，載波多普勒頻差體現(xiàn)在差分支路間的復相位旋轉上，因此通過FFT操作可同時完成了相干累積和頻率

4、精估計，與傳統(tǒng)的后相關非相干和后相關差分檢測相比，不但能夠利用將差分支路聯(lián)合有效地抑制噪聲，同時還能夠進行頻率的精估計。
　　前相關差分檢測是在碼片級延遲進行差分相關檢測，差分延遲選取為碼片周期的整數(shù)倍，保證偽碼序列的相關性，進而利用Gold序列的移位相乘特性。另外導航數(shù)據(jù)和載波多普勒頻差在碼片級延遲內幾乎是不變的，所以其受影響極小。但是，由于前相關差分檢測前沒有經過匹配濾波所以信噪比損失相當大。針對這個問題本文提出了一種廣義前相

5、關檢測，稱為多重前相關差分檢測，在增加前相關算法靈敏度的同時，又能保留其抗多普勒頻差的能力。多普勒頻差體現(xiàn)為差分支路之間的復相位旋轉，因此可以通過FFT在完成相干累積的同時完成了頻率精估計。同時引入前置濾波器，將其級聯(lián)多重前相關差分檢測不但可以提供足夠的增益來捕獲弱信號，同時保留了很強的多普勒頻差抑制能力。為了減少計算復雜度，利用C/A碼移位相乘僅得到2個變更C/A碼的關系，降低了運算量。
　　然后提出雙差全比特檢測方法，與典型的

6、半比特方法只利用了一半的信號能量不同，充分利用了觀測時間內的信號能量，提高有效累積時間，并且減少了平方損失。并且引入了前置濾波器，大大降低運算復雜度。使用峰均比作為判決變量，通過軟件源仿真，得到判決變量的概率密度分布函數(shù)，及工作特性曲線等性能。進一步將其移植，應用到FPGA原型接收機中，與半比特法相比提高了信號檢測靈敏度，抑制了噪聲，減小了導航數(shù)據(jù)和多普勒頻率的影響。
　　最后對現(xiàn)代化GNSS信號，分析現(xiàn)代化信號的時頻特性，針對其

7、特有的信號導頻結構將協(xié)作后相關差分檢測方法擴展為適應GPS L2C的形式，捕獲CM碼和CL碼；將多重前相關差分檢測擴展為適應L5信號，非常適合NH碼信號的檢測。兩種方法與傳統(tǒng)的后相關非相干檢測檢測相比都提高了捕獲靈敏度，同時還可進行頻率的精估計。
　　本文在進行算法的比較與分析時，為了便于核心算法的理論推導與仿真驗證，將信號檢測理論中的檢測指數(shù)作為評價靈敏度的主要指標，并驗證了在導航數(shù)據(jù)和多普勒頻率的影響下檢測指數(shù)性能。本文在軟件