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GNSS信号捕获设计

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-07-14

  从射频前端输出的数字中频信号中搜索出可见卫星,或根据星历、历书等信息估算出各卫星的可见概率并进行搜索排序,在卫星位置、速度,接收机位置、时钟漂移等数据可获得情况下,估算出信号多普勒频移和C/A码频移的中间值及不定区间等信号参量,并进行频率和时间的二维扫描完成整个捕获过程。通过检查相关器的输出功率在何种复制载波频率和C/A码相位下达到最大,来获取当前接收信号的载波频率和码相位的粗略估计值。若估计值误差小于载波环和码环的牵入范围,则对载波数控振荡器和码数控振荡器进行初始化,接收机转入跟踪状态。

  (1)多普勒频移和码率偏移:可根据卫星与接收机的相对运行速度进行预估,缩小频率搜索和码相位搜索范围。

  (2)GPS卫星时钟频率漂移和接收机晶体振荡器频率漂移:系统可先定性、定量地辨识出各类噪声,对确定性误差予以补偿,对随机噪声误差建立随机过程模型,进而推测时钟频漂和晶振频漂的误差范围。

  (1)根据之前下载并保存在ROM、FLASH中的包含有轨道参数的星历(4个小时内有效)或历书(半年以上有效期),以及上次最终定位结果(时间、位置、速度)等信息推算当前时刻的位置以及各卫星的仰角(和DOP有关,DOP越小,定位精度越高)、几何距离和多普勒频移,联合估算出各卫星的可见概率和参数估计值范围,设置卫星搜索顺序、缩小信号搜索区间。在捕获到第一颗卫星之后,可根据与其它可见卫星的距离调整以后的搜索顺序。

  (2)由于信号捕获门限值的设置,弱信号的检测值比强信号的检测值更难准确获取,可加长相干积分时间和非相干积分时间来提高信噪比,并采取其它降功耗措施。

  (3)降低信号功率功耗、提高信噪比。可以额外配置一个只含噪声的接收通道,进行专门的噪声基底估算,将测定的噪声基底估计值用于捕获和跟踪。

  (4)可在接收机设计方案中加入多个并行相关器,对不同码元的搜索单元进行并行搜索。

  先根据卫星绕地球旋转速度,计算卫星旋转速度在与接收机连线上的投影速度,从而计算出静止场景下的载波多普勒频移变化区间;再根据接收机的常规最大运动速度推算出动态场景下的多普勒频移变化区间。二者的累加就是多普勒频移的搜索区间。对于接收机晶体振荡器频漂,根据所选晶体振荡器的频漂均方差,得出多普勒频率偏移量,加入上述搜索空间中。

  由于卫星与接收机之间的相对运动存在加速度会引起多普勒频移发生变化(卫星的投影速度只存在一个极小的加速度,对多普勒频移的变化影响很小,接收机的运动加速度才起主导因素),在信号捕获过程中,只有把载波环路的频率捕获速度设置为比多普勒频移变化率大,才不会导致失锁。

  由于C/A码码率远小于载波频率,因此C/A码的多普勒频移也相应小于载波多普勒频移。要实现C/A码环不失锁,需要把复制C/A码与接收C/A码之间的相位差异控制在半个码片内,而高灵敏度接收机需要控制在中频的半个采样周期内。

  由于码环路的捕获速度要远远大于C/A码码率变化速度,所以在捕获过程中一般不考虑C/A码码率变化情况。

  当卫星信号较强时,相干积分后进行非相干检测时卫星信号存在与否的概率模型不重叠,虚警与漏警不冲突,所以门限值较容易设置;卫星信号微弱时,非相干检测时卫星信号存在与否的概率模型有重叠,虚警率与漏警率此消彼长,门限值不容易设置。

  门限值的设置要兼顾到这两种情况,预设一个虚警率,根据卫星信号不存在情况下的概率模型推算出捕获门限值,再根据卫星信号存在情况下的概率模型推算出一定相干积分时间和载噪比条件下的实警检测概率。可以进一步设置一个开除门限,当非相干积分后的检测值小于开除门限时,相应的搜索单元被认为信号不存在,随后的信号搜索过程中不予处理。

  接收机一开始并不知道卫星信号的强弱,可以设置较短的相干积分时间(相关积分时间1ms的1-2倍),在确定信号存在却捕获失败时,可以在捕获过程中自适应调整对接收信号的相干积分时间(相关积分时间1ms的5-10倍),以提高捕获灵敏度。相干积分时间加长一方面使单元捕获驻留时间加长,也使得搜索步长缩小,两方面作用都使搜索范围加大。

  (1)扫描式线性搜索:从频率搜索范围中间值频带开始扫描,然后左右交替逐步对其两边的频带进行搜索,直至最后检测出信号或者搜索完所有频带为止。需要设置合适的频带范围,在降低漏警率和搜索效率之间取得平衡。

  (2)并行频域搜索:通过傅里叶变换实现在频域和码相位的并行搜索,从而减少信号捕获计算量,提高搜索速度。由于傅里叶变换的运算量较高,一般和线性搜索进行混合使用,前者用于粗略搜索,初步检测相关峰值后再转入扫描式线性搜索。

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