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  弱导航信号捕获技术仿真分析

     

【摘 要】本文介绍了导航信号的特点及低信噪比条件下的捕获思想和方法,分析了相干积分、非相干积分及二者相结合的原理。对于GNSS信号的搜索捕获采用长时间相干积分算法,会导致频率的搜索范围增加;采用非相干积分算法将增加平方损失;采用相干积分与非相干积分结合的方法提高整体信号强度,避免多普勒现象产生的影响,实现对弱信号的捕获。仿真结果表明,采用20ms的相干积分时间和5次非相干积分,在没有互相关干扰的情况下,可以接收信噪比为-35dB的弱信号。
【关键词】全球卫星导航系统 相干积分-非相干积分 捕获 弱信号
一、引言
信号的捕获是导航信号接收机设计的关键环节。捕获原理是利用伪随机码的强自相关特性,接收机以某个搜索点的频率和码相位为参数,当产生的本地信号的码相位和载波频率与接收到的码相位和载波频率相匹配时,当得到的相关值高于信号检测阈值,则认为捕获成功。如果得到的相关值低于信号检测阈值,则以下一个搜索点的频率和码相位为参数,重新生成本地信号进行检测。在强信号条件下,接收机对接收到的导航信号做一个伪码周期的相干积分,信噪比就可达到15dB的理想值。在弱信号条件下接收到的导航信号可能会衰减20dB以上,因此必须获得20dB以上信号处理增益,才能将信噪比提高到接收机可以做出正确的信号检测所需要的理想强度,从而捕获到信号。
弱导航信号是指信号强度在-180dBW~-188dBW之间的信号。随着导航技术应用的日益广泛,在室内、深山峡谷、戈壁滩等信号条件恶劣的环境中,由于信号的多径效应,电离层等各种因素造成卫星导航信号有近30dB的衰减。通常,导航信号达到地面的功率在-160dBW左右,2MHz带宽的信噪比约为-19dB。每深入建筑物1m,信号功率就要衰减1dB。普通写字楼内,置于衣袋内的信号接收机端的信号功率只有-176dBW左右,信噪比约为-35dB。本文以快速傅里叶变换为基础,采用相干与非相干积分结合的方法,验证对弱信号捕获的有效性。

二、信号模型

GNSS软件接收机捕获模块的输入信号是经过接收机前端降频处理后得到的中频(IF)信号。信号模型可表示为
(1)
式中, 为采样时刻 接收到的基带信号;下标 表示可见星的编号; 为信号幅值; 为导航数据,周期为 ; 为伪随机码,周期 ; 为由多普勒频移引起的码速率相对变化; 为伪随机码的起始时刻,即码相位的测量值; 为信号 的多普勒频移; 为零均值,方差 的加性高斯白噪声。

三、捕获方法

1.相干积分
相干积分是充分利用伪随机码的强自相关性。长时间的相干积分可以滤掉更多的噪声,因此可以提高捕获性能。相干积分原理结构如图1所示。


图1 相干积分原理

由图1可知:相干积分将相关结果直接进行累加,保留了信号中的相位信息,此时信号功率呈平方倍数增加,而噪声功率只是线性增加,因此累加次数越多、积分时间越长,信噪比提高就越显著。然而,由于受到导航电文数据比特宽度和多普勒频移误差的影响,相干积分在没有外部辅助源的情况下,积分的时间长度最大为一个电文数据位周期;否则,由于数据位极性变化,将引起不必要的损失。如需要更长时间的积分,则采用非相干积分时间实现。
2.非相干积分
为了消除导航电文周期对相干积分时长的影响,可通过将相干积分结果进行平方处理后再累加,从而获得信号增益。其相关累加值可表示为
(2)
式中, 为Mms的导航数据与本地C/A码的非相干捕获相关值。可以看出平方运算有效降低了导航电文数据位翻转对积分结果的影响。因此非相干积分的积分时间可以超过导航电文一个周期。非相干积分原理如图2所示。它将相干积分的结果平方后,再进行K次累计。


图2 非相干积分原理
非相干积分法消除了电文数据位可能发生翻转造成的影响,同时平方处理去除了相位误差造成的副作用,理论上能够使积分时间无限长。然而,在非相干积分过程中,噪声同时被平方,信噪比增益受到平方损失的影响,降低了对弱信号捕获灵敏度。
2.相干与非相干积分结合
相干积分能得到较大的增益,但会受到数据比特跳变的影响;非相干积分虽然存在平方损耗,其增益效率不如相干积分,但它不受数据比特跳变和频率误差的影响,理论上没有时间限制。为了得到更好的捕获效果,根据数据位长度采用相干积分与非相干积分相结合的方法对弱信号进行捕获。
基于相干-非相干积分的捕获方法原理如图3所示。接收信号分别与本地载波相乘得到基带同相分量(I)、正交分量(Q),然后将基带信号与本地伪码相乘并相干累加,得到同相正交相干积分值,最后利用相干积分的平方求和进行二次累加得到相干积分值。
图3 相干-非相干相结合的捕获原理图

四、仿真实验

本文采用Matlab对各种算法进行仿真分析。PRN码产生周期为20ms,仿真输入数据如表1所示。
表1 仿真输入数据
PRN SNR 多普勒频移/Hz 码相位/chip
1 -25dB 0 100
2 -35 dB 500 200

对PRN1信号采用1ms的相干积分时间,结果如图4,图5所示。显示结果表明可以捕获到PRN1信号。

图4 图5
对PRN2信号分别采用30ms的相干积分和非相干积分产生结果如图6,图7,图8所示。图6中,由于相干积分时间超过一个周期,最大多普勒频移对应的码相位值不明显,而图7采用非相干积分,时间尽管超过一个周期,最大多普勒频移对应的码相位值仍然明显。图8表明超过一个周期,非相干积分仍能够捕获到多普勒频移。

图6 图7 图8
对PRN2信号采用20ms的相干积分时间和5次非相干积分,结果如图9,图10所示。显示结果表明捕获到PRN2信号码相位和多普勒频移。

图9 图10

五、结束语

本文通过产生的PRN加入大小不等的噪声,分别采用不同的捕获算法进行仿真分析。结果表明:相干积分过程中,相干时间越长,增益越大。相干积分的时间长度不能超过一个电文数据位周期,否则,就有可能由于数据位极性变化,使增益变小甚至抵消;非相干积分法虽然消除了电文数据位跳变产生的影响,但由于噪声同时也被平方,降低了信噪比的增益。采用相干积分和非相干积分组合的方法,可以克服这两种方法的弊端,实现对低信噪比信号的捕获。

参考文献见www.dcw.org.cn

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