一种卫星导航接收机多通道联合捕获方法

Satelliteclassroom卫星课堂卫星导航系统接收机原理与设计——之一(上）+刘天雄第二十四讲概述 Receiver overview全球卫星导航系统简称GNSS（Global Navigation Satellite System）系统，由空间段SS（space segment）、地面控制段CS（control segment）以及用户段US（user segment）三个部分组成，其中用户段US就是咱们手里拿的接收机。

空间段SS的每颗导航卫星连续播发无线电导航信号，简称为SIS信号（Signals In Space），通常是L频段无线电信号，载波信号调制有周期数字码（periodic digital code）和导航电文（Navigation message），周期数字码又称为伪随机噪声测距码，简称PRN（pseudo-random noise code）码。

卫星导航系统定位的基本原理是单向到达时间测距，简称TOA（Time Of Arrival）原理,接收机通过解调导航信号的电文得到卫星的位置坐标，通过测量导航信号从卫星到接收机的传播时间来测距，以导航卫星为球心，信号传播的距离为半径画球面，用户接收机一定在球面上，当接收机分别测量出与四颗导航卫星之间的距离时，四个球面相交于一个点，即用户接收机的位置坐标，如图1所示。

如果是导航仪，接收机根据位置坐标和数字地图的映射关系，可以把定位结果映射到数字地图上，在显示屏上给出地址信息。

根据不同的应用场景，卫星导航接收机可以设计成多种不同状态，从单频（single-frequency）到多频（multi-frequency）、从单系统（single -constellation）到多系统（multi-constellation）、从专业测量型（survey）到一般车载导航型（automotive applications），设计接收机时还需要考虑信号带宽（signal bandwidth）、信号调制（modulation）、伪码速率（code rate）等技术指标，权衡工作性能（performance）、成本（cost）、功耗（power consumption）以及自主性（autonomy）等要求。

全球定位系统（GPS）术语及定义全球定位系统（GPS）术语及定义【中华人民共和国国家标准GB/T 19391-2003 】2004-12-24 5:55:151范围本标准规定了全球定位系统（GPS）常用术语及定义。

本标准适用于GPS专业范围内的各种标准的制定、各类技术文件的编制，也适用于科研、教学等方面。

2通用术语2.1全球定位系统global positioning system（GPS）导航星navigation by satellite timing and ranging（NA VSTAR）一种卫星导航定位系统。

由空间段、地面控制段和用户段三部分组成.为伞球用户提供实时的三维位置、速度和时间信息。

包括主要为军用的精密定位服务（PPS）和民用的标准定位服务（SPS）。

2.2全球导航卫星系统global navigation satellite system（GLONASS）一种全球卫星导航定位系统：为全球用户提供实时的三维位置、速度和时间信息。

包括军用和民用两种服务。

2.3伽利略系统Galileo system一种民用全球卫星导航系统；2.4全球导航卫星系统global navigation satellite system（GNSS）由国际民航组织提出的概念。

GNSS的最终目标是由多种民用卫星导航系统组成，向全球民间提供服务。

并将由多国民间参与运行和控制的卫星导航系统。

GNSS也已经为国际海事组织（IMO）所接受。

欧洲的GNSS计划分为两个阶段，即GNSS-1和GNSS-2。

GNSS-1为EGNOS（欧洲地球静止轨道卫星导航重叠服务）系统，GNSS-2为Galileo（伽利略）系统。

2.5静地星/定位星系统Geostar/Locstar system一种卫星定位系统，利用两颗地球轨道静止卫星双程测距而实现定位功能，兼有简短报文通信能力。

2.6海军导航卫星系统navy navigation satellite system（NNSS）子午仪Transit是1960年由美国研制的卫星导航系统，为固定用户或低动态用户提供不连续定位信息。

北斗B1I信号的捕获算法王丽黎;杨阳【摘要】北斗B1I信号的捕获是北斗2代接收机的核心模块,它是基于码相位和多普勒频移二维搜索的过程.对于捕获模块,通常采用并行码相位搜索捕获算法来实现对空中可见卫星的捕获.针对信号较弱情况下的卫星捕获,采用了非相干累加与并行码相位搜索捕获相结合的方法.测试结果表明,该捕获算法能够有效快速地实现弱信号的捕获.%BeiDou B1I signal acquisition is a hard core in a BeiDou receiver and is the two-dimension process of the search about the code delay and Doppler frequency. For acquisition, parallel search algorithm of code in frequency domain are usually adopted. For the acquisition of weak signal, a method combining non-correlation integration with parallel search algorithm of code in frequency domain was introduced. The test results show that the acquisition algorithm can effectively and quickly acquire the weak signal.【期刊名称】《计算机系统应用》【年(卷),期】2016(025)003【总页数】5页(P194-198)【关键词】北斗B1I信号;接收机;捕获;弱信号;非相干累加【作者】王丽黎;杨阳【作者单位】西安理工大学自动化与信息工程学院,西安 710048;西安理工大学自动化与信息工程学院,西安 710048【正文语种】中文随着我国成功将第16颗北斗导航卫星送入预定轨道, 北斗导航工程区域组网顺利完成[1]. 第2代北斗导航系统主要功能为定位、测速、单双向授时和短报文通信[2,3]. 因此, 针对北斗导航系统相应的接收技术的研究逐渐成为研究热点. 传统的接收机由射频前端、用于信号处理的ASIC以及高速运算的CPU核组成, 设计灵活性受到限制. 相比之下, 软件接收机只需对软件修改便可对接收机进行优化升级, 则更具有方便性和灵活性[4,5].在接收机内, 完成信号捕获是信号处理的第一步, 信号捕获重在估计两个重要参数: 一个是C/A码周期的开始, 另一个是输入信号的载波频率, 获得导航卫星信号的载波频率(或称为载波多普勒频移)和码相位这两个参数的粗略值, 然后跟踪过程则利用这些粗略值进一步得到频率和码相位的精确值并进而解算出导航电文. 因此对接收机性能好坏影响较大的是捕获跟踪算法的好坏[6,7].本文在详细分析了并行码相位搜索捕获算法原理的基础上, 为了能更好的实现对弱信号的捕获, 将并行码相位搜索捕获算法与非相干累加相结合, 不但提高捕获效率, 降低了噪声干扰, 而且有效的提高了弱信号的捕获.目前北斗2代播发B1、B2、B3三个频段的信号, 其信号复用方式为码分多址, 其中B1(1561.098 MHz)信号由I、Q两条支路的测距码和导航电文正交调制在载波上构成. 调制在B1频率上的信号可表示为式(1):其中上角标j表示卫星序号; AB1分别表示B1信号幅度; 分别表示B1信号测距码; 分别表示调制在B1测距码上的导航电文数据码; 表示B1信号载波频率; 表示B1信号载波初相.CB1I码的码速率为2.046 Mcps, 码长为2046, 码宽为488.7 ns(1/2.046 MHz). CB1I码发生的结构如图1所示, 其是由两个线性序列G1和G2模2和产生均衡Gold码后截短1个码片后生成. G1和G2序列分别由两个11级的线性移位寄存器生成, 其生成多项式如式(2)、式(3)所示.(2)(3)G1序列初始相位为************;G2序列初始相位为************.通过对产生G2序列的移位寄存器不同抽头的模2和可以实现G2序列相位的不同偏移, 与G1序列模2和后可生成不同卫星的测距码. 而之所以用这种码传输信号, 就是因为其良好的自相关和互相关特性.图1 CB1I码发生器示意图2 北斗2代B1信号CB1I码的捕获由于CB1I码除了自身完全对齐的情况外, 其余情况几乎是不相关的, 这种特性使得很容易找出两个完全对齐的相同的CB1I码. 捕获过程正是利用其这一特点.2.1 CB1I码的捕获接收机的信号捕获过程一般通过对卫星信号的载波频率和码相位进行扫描式搜索来完成. 捕获的目的就是为了对输入信号和一个测距码序列做相关运算. 并行码相位搜索捕获算法实际上是利用傅里叶变换这种数字信号处理技术来替代数字相关器的相关运算, 而我们需要证明一下两者的等价性.两个长度同为N的有限长序列和的离散傅里叶变换和计算如式(4)、式(5)所示.(4)(5)两个长度同为N的有限长序列和的循环互相关计算如式(6)所示.(6)下面的分析中均省略了中的缩放因子1/N, 的N点离散傅里叶变换计算如式(7)所示.(7)其中是的复共轭. 由式(7)可知, 两个序列与在时域内做相关运算, 相当于它们的离散傅里叶变换与在频域内做乘积运算. 于是倒过来, 乘积的离散傅里叶反变换正好是接收机需要进行检测的在各个码相位处的相关值. 一旦接收机通过傅里叶反变换计算得到相关值, 那么接下来的信号检测就同线性搜索捕获法一样, 即找出在所有搜索单元中自相关幅值的峰值, 并将该峰值与捕获门限值相比较. 若峰值超过捕获门限值, 则接收机捕获到了信号.图2 并行码相位搜索捕获算法原理图如图2所示为并行码相位搜索捕获算法的原理图, 考虑到导航数据位存在跳变的可能, 用含导航数据位的数据进行相关运算所获得的相关峰值将会有较大衰减从而造成漏捕, 在算法实现过程中, 总是采用两段连续数据进行同步相关运算, 在得到的两组相关结果中选择最大功率能量相关峰值较大者(认为该段数据中不包含导航数据位跳变)的相关结果作为捕获判断依据[8].2.2基于非相干累加的CB1I码捕获采用1 ms时长的数据进行上述捕获的时候, 由于噪声的作用可能导致误捕, 当信号较弱时, 甚至会出现漏捕. 而且在北斗MEO/IGSO卫星B1频点信号中, 因为NH 码调制的影响, 相干累加时间不能超过1 ms. 为了提高灵敏度, 只能通过提高非相干累加次数来捕获弱信号[9], 即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. 其非相关累加值[10]可表示为式(8):(8)其中: 为M ms的数据信息与测距码的非相干捕获相关值. 可以看出导航电文数据位翻转对积分结果的影响被平方运算有效的降低了. 因此非相干积分可以进行积分时间超过1 ms的积分.非相干累加法消除了导航电文数据位翻转造成的影响, 同时平方运算消除了相位误差造成的副作用, 而前面提到的并行码相位搜索捕获算法通过傅里叶变换实现循环相关, 将相位域捕获过程并行化, 使得搜索量减少到了只需搜索不同的载波频率, 提高运算效率. 将非相干累加法与并行码相位搜索捕获算法相结合, 在大幅降低捕获时间的前提下, 实现了对弱信号的捕获. 其原理图如图3所示.图3 非相干累加捕获原理图通过图3可知, 非相干累加捕获的方法是将并行码相位搜索捕获算法每毫秒的捕获结果按照预先设定好的累加时间进行累加, 其累加原理如式(8)所示, 由于噪声累加的结果增大不如信号累加的结果增加的快, 使得经过一段时间累加后, 可找出明显的相关峰值.3 仿真验证在Matlab环境下对本文研究的信号捕获方案进行仿真验证. 利用卫星信号模拟器对北斗B1频点中频信号进行仿真, 仿真信号的中频频率为2.098MHz, 采样频率为8.8MHz, 仿真产生60s的数据中频信号, 信号中共调制了1号、2号、3号、4号、7号、8号、10号、12号和13号等9颗卫星信号. 信号中加入的是高斯白噪声,信噪比为-35dB. 利用生成的信号, 就可以进行捕获的仿真, 捕获程序流程图如图4所示.图4 CB1I码捕获程序流程图图5是用图1所示的CB1I码发生器产生的对应10号卫星的本地伪码, 其是由两个11级移位寄存器进行模2和生成的. 不同的卫星编号对应不同的抽头, 不同卫星对应的CB1I码则通过查表的方式就可以实现. 横坐标表示采样点数, 截取了2046个码片的前100位, 纵坐标表示CB1I码的相位幅度.图5 10号卫星本地伪码部分截图CB1I码具有良好的自相关和互相关特性, 如图6和图7所示. 除了延迟为零外, 几乎没有自相关性. 只有当本地伪码与接收到的信号的伪码序列能够对齐时才可得到最大相关值. 根据这一特性可轻易找出何时两个码是严格对齐的, 本文采用并行码相位搜索捕获也正是基于此特性. 横坐标表示码片数, 纵坐标分别表示自相关值和互相关值.图6 测距码的自相关性图7 测距码的互相关性当检测门限选用最大峰值与次大峰值的比值(大于2.5)时, 首先使用两段连续的单位数据段, 本文以1 ms数据位为单位数据段, 对其做同步相关运算即对这两段数据进行并行码相位搜索捕获, 在得到的两组相关结果中选择较大的相关峰值作为捕获判断依据进行弱信号捕获的验证结果如图8所示. 其次使用5 ms和10 ms数据进行非相干积分的弱信号捕获验证结果如图9和图10所示.图8 并行码相位搜索捕获算法捕获情况图9 进行5 ms非相干累加的捕获情况图10 进行10 ms非相干累加的捕获情况由图可以看出, 在信噪比为-35dB的情况下, 图8中仅使用并行码相位搜索捕获算法得到的最大峰值与次大峰值的比值并不是很大; 而在图9和图10中采用将并行码相位搜索捕获算法与非相干累加相结合的捕获算法, 在累加时间增大时, 该比值结果明显增加. 证明当进行非相干积分所用数据长度从1ms增加到10ms时, 信号中所有可见卫星的最大峰值与次大峰值的比值增加的都很明显, 能够实现低信噪比信号的捕获, 提高接收机的灵敏度. 当然, 也可以根据实际的需要选择合适的相干累加时间, 达到设计目的.接着再从单颗卫星角度进行研究, 以10号卫星为例, 即PRN=10, 分别进行3ms、6ms和10ms数据的相干累加, 其捕获结果如图11、图12和图13所示.图11 10号卫星进行3 ms非相干累加结果图12 10号卫星进行6 ms非相干累加结果图13 10号卫星进行10 ms非相干累加结果由图11、图12和图13可以看出, 随着捕获所用数据长度的增加, 即非相干累加数据长度增加, 噪声得到一定的抑制, 可见卫星正确相位所对应的归一化相关值也更加明显, 该部分也达到了有效地捕获弱信号的预期效果.4 结语本文研究了北斗软件接收机捕获算法, 分析了并行码相位搜索捕获算法并将其与非相干积分相结合, 并通过仿真数据对算法进行了验证. 可见非相干积分与并行码相位搜索捕获算法相结合不但捕获效率高, 而且较好地抑制了噪声信号, 有效地实现了弱信号的捕获. 对于软件接收机相关模块的研究具有一定的意义, 能够使用户在接收机算法处理和软件更新等方面具有很大的灵活性.参考文献1 何敏,葛榜军.北斗卫星导航系统及应用.卫星应用,2012, (5):19–23.2 中国卫星导航系统管理办公室.北斗导航系统发展报告.国际太空,2012,(4):6–11.3 Meng WX, Liu E, Han Sh. Resaerch and development on satellite positioning and navigation in China. IEICE Trans. Commun, 2012(E95-B): 3385–3392.4 杨东凯,张飞舟,张波译.软件定义的GPS和伽利略接收机.北京:国防工业出版社,2009.5 杨俊,武奇生.GPS基本原理及其Matlab仿真.西安:西安电子科技大学出版社,2006.6 王冰.GPS信号捕获算法的研究.电子科技,2014,27(8): 154–156.7 谢刚.GPS原理与接收机设计.北京:电子工业出版社,2009.8 黄隽祎,李荣冰,王翌等.北斗B1 QPSK调制信号的高灵敏度捕获算法.航空计算技术,2012,42(5):38–42.9 史向男,巴晓辉,陈杰.北斗MEO/IGSO卫星B1频点信号捕获方法研究.国外电子测量技术,2013,32(4):19–21.10 陈军,潘高峰,李飞,余金峰,黄静华译. GPS软件接收机基础(第2版).北京:电子工业出版社,2007.Acquisition Algorithm of BeiDou B1I SignalWANG Li-Li, YANG Yang(Faculty of Automation and Information Engineering, Xi′an University of Technology, Xi’an 710048, China)Abstract：BeiDou B1I signal acquisition is a hard core in a BeiDou receiver and is the two-dimension process of the search about the code delay and Doppler frequency. For acquisition, parallel search algorithm of code in frequency domain are usually adopted. For the acquisition of weak signal, a method combining non-correlation integration with parallel search algorithm of code in frequency domain was introduced. The test results show that the acquisition algorithm can effectively and quickly acquire the weak signal.Key words：BeiDou B1I signal; receiver; acquisition; weak signal; non-coherent integration① 收稿时间：2015-07-06;收到修改稿时间:2015-09-06CB1I码的码速率为2.046 Mcps, 码长为2046, 码宽为488.7 ns(1/2.046 MHz). CB1I码发生的结构如图1所示, 其是由两个线性序列G1和G2模2和产生均衡Gold码后截短1个码片后生成. G1和G2序列分别由两个11级的线性移位寄存器生成, 其生成多项式如式(2)、式(3)所示.G1序列初始相位为************;G2序列初始相位为************.通过对产生G2序列的移位寄存器不同抽头的模2和可以实现G2序列相位的不同偏移, 与G1序列模2和后可生成不同卫星的测距码. 而之所以用这种码传输信号, 就是因为其良好的自相关和互相关特性.由于CB1I码除了自身完全对齐的情况外, 其余情况几乎是不相关的, 这种特性使得很容易找出两个完全对齐的相同的CB1I码. 捕获过程正是利用其这一特点.2.1 CB1I码的捕获接收机的信号捕获过程一般通过对卫星信号的载波频率和码相位进行扫描式搜索来完成. 捕获的目的就是为了对输入信号和一个测距码序列做相关运算. 并行码相位搜索捕获算法实际上是利用傅里叶变换这种数字信号处理技术来替代数字相关器的相关运算, 而我们需要证明一下两者的等价性.两个长度同为N的有限长序列和的离散傅里叶变换和计算如式(4)、式(5)所示. 两个长度同为N的有限长序列和的循环互相关计算如式(6)所示.下面的分析中均省略了中的缩放因子1/N, 的N点离散傅里叶变换计算如式(7)所示.其中是的复共轭. 由式(7)可知, 两个序列与在时域内做相关运算, 相当于它们的离散傅里叶变换与在频域内做乘积运算. 于是倒过来, 乘积的离散傅里叶反变换正好是接收机需要进行检测的在各个码相位处的相关值. 一旦接收机通过傅里叶反变换计算得到相关值, 那么接下来的信号检测就同线性搜索捕获法一样, 即找出在所有搜索单元中自相关幅值的峰值, 并将该峰值与捕获门限值相比较. 若峰值超过捕获门限值, 则接收机捕获到了信号.如图2所示为并行码相位搜索捕获算法的原理图, 考虑到导航数据位存在跳变的可能, 用含导航数据位的数据进行相关运算所获得的相关峰值将会有较大衰减从而造成漏捕, 在算法实现过程中, 总是采用两段连续数据进行同步相关运算, 在得到的两组相关结果中选择最大功率能量相关峰值较大者(认为该段数据中不包含导航数据位跳变)的相关结果作为捕获判断依据[8].2.2基于非相干累加的CB1I码捕获采用1 ms时长的数据进行上述捕获的时候, 由于噪声的作用可能导致误捕, 当信号较弱时, 甚至会出现漏捕. 而且在北斗MEO/IGSO卫星B1频点信号中, 因为NH码调制的影响, 相干累加时间不能超过1 ms. 为了提高灵敏度, 只能通过提高非相干累加次数来捕获弱信号[9], 即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. 其非相关累加值[10]可表示为式(8):其中: 为M ms的数据信息与测距码的非相干捕获相关值. 可以看出导航电文数据位翻转对积分结果的影响被平方运算有效的降低了. 因此非相干积分可以进行积分时间超过1 ms的积分.非相干累加法消除了导航电文数据位翻转造成的影响, 同时平方运算消除了相位误差造成的副作用, 而前面提到的并行码相位搜索捕获算法通过傅里叶变换实现循环相关, 将相位域捕获过程并行化, 使得搜索量减少到了只需搜索不同的载波频率, 提高运算效率. 将非相干累加法与并行码相位搜索捕获算法相结合, 在大幅降低捕获时间的前提下, 实现了对弱信号的捕获. 其原理图如图3所示.通过图3可知, 非相干累加捕获的方法是将并行码相位搜索捕获算法每毫秒的捕获结果按照预先设定好的累加时间进行累加, 其累加原理如式(8)所示, 由于噪声累加的结果增大不如信号累加的结果增加的快, 使得经过一段时间累加后, 可找出明显的相关峰值.在Matlab环境下对本文研究的信号捕获方案进行仿真验证. 利用卫星信号模拟器对北斗B1频点中频信号进行仿真, 仿真信号的中频频率为2.098MHz, 采样频率为8.8MHz, 仿真产生60s的数据中频信号, 信号中共调制了1号、2号、3号、4号、7号、8号、10号、12号和13号等9颗卫星信号. 信号中加入的是高斯白噪声,信噪比为-35dB. 利用生成的信号, 就可以进行捕获的仿真, 捕获程序流程图如图4所示.图5是用图1所示的CB1I码发生器产生的对应10号卫星的本地伪码, 其是由两个11级移位寄存器进行模2和生成的. 不同的卫星编号对应不同的抽头, 不同卫星对应的CB1I码则通过查表的方式就可以实现. 横坐标表示采样点数, 截取了2046个码片的前100位, 纵坐标表示CB1I码的相位幅度.CB1I码具有良好的自相关和互相关特性, 如图6和图7所示. 除了延迟为零外, 几乎没有自相关性. 只有当本地伪码与接收到的信号的伪码序列能够对齐时才可得到最大相关值. 根据这一特性可轻易找出何时两个码是严格对齐的, 本文采用并行码相位搜索捕获也正是基于此特性. 横坐标表示码片数, 纵坐标分别表示自相关值和互相关值.当检测门限选用最大峰值与次大峰值的比值(大于2.5)时, 首先使用两段连续的单位数据段, 本文以1 ms数据位为单位数据段, 对其做同步相关运算即对这两段数据进行并行码相位搜索捕获, 在得到的两组相关结果中选择较大的相关峰值作为捕获判断依据进行弱信号捕获的验证结果如图8所示. 其次使用5 ms和10 ms数据进行非相干积分的弱信号捕获验证结果如图9和图10所示.由图可以看出, 在信噪比为-35dB的情况下, 图8中仅使用并行码相位搜索捕获算法得到的最大峰值与次大峰值的比值并不是很大; 而在图9和图10中采用将并行码相位搜索捕获算法与非相干累加相结合的捕获算法, 在累加时间增大时, 该比值结果明显增加. 证明当进行非相干积分所用数据长度从1ms增加到10ms时, 信号中所有可见卫星的最大峰值与次大峰值的比值增加的都很明显, 能够实现低信噪比信号的捕获, 提高接收机的灵敏度. 当然, 也可以根据实际的需要选择合适的相干累加时间, 达到设计目的.接着再从单颗卫星角度进行研究, 以10号卫星为例, 即PRN=10, 分别进行3ms、6ms和10ms数据的相干累加, 其捕获结果如图11、图12和图13所示.由图11、图12和图13可以看出, 随着捕获所用数据长度的增加, 即非相干累加数据长度增加, 噪声得到一定的抑制, 可见卫星正确相位所对应的归一化相关值也更加明显, 该部分也达到了有效地捕获弱信号的预期效果.本文研究了北斗软件接收机捕获算法, 分析了并行码相位搜索捕获算法并将其与非相干积分相结合, 并通过仿真数据对算法进行了验证. 可见非相干积分与并行码相位搜索捕获算法相结合不但捕获效率高, 而且较好地抑制了噪声信号, 有效地实现了弱信号的捕获. 对于软件接收机相关模块的研究具有一定的意义, 能够使用户在接收机算法处理和软件更新等方面具有很大的灵活性.1 何敏,葛榜军.北斗卫星导航系统及应用.卫星应用,2012, (5):19–23.2 中国卫星导航系统管理办公室.北斗导航系统发展报告.国际太空,2012,(4):6–11.3 Meng WX, Liu E, Han Sh. Resaerch and development on satellite positioning and navigation in China. IEICE Trans. Commun, 2012(E95-B): 3385–3392.4 杨东凯,张飞舟,张波译.软件定义的GPS和伽利略接收机.北京:国防工业出版社,2009.5 杨俊,武奇生.GPS基本原理及其Matlab仿真.西安:西安电子科技大学出版社,2006.6 王冰.GPS信号捕获算法的研究.电子科技,2014,27(8): 154–156.7 谢刚.GPS原理与接收机设计.北京:电子工业出版社,2009.8 黄隽祎,李荣冰,王翌等.北斗B1 QPSK调制信号的高灵敏度捕获算法.航空计算技术,2012,42(5):38–42.9 史向男,巴晓辉,陈杰.北斗MEO/IGSO卫星B1频点信号捕获方法研究.国外电子测量技术,2013,32(4):19–21.10 陈军,潘高峰,李飞,余金峰,黄静华译. GPS软件接收机基础(第2版).北京:电子工业出版社,2007.。

多天线信号联合接收处理关键技术研究随着无线通信的迅猛发展,以可靠信息传输为前提,低发射功率,高数据速率和高频谱效率等要求越来越迫切。

多变的传输环境、复杂的通信网络以及不断降低的信号功率,使得接收技术面临着愈发严峻的挑战。

在传统单路信号接收技术中,多个同参数的估计与符号检测通常基于逐层处理的结构,然而为了进一步降低同步门限提高接收性能,.多个同步参数与符号信息的联合处理方法与实现结构是接收技术的一个重要研究方向。

同时,多天线信号联合接收是一种能够有效提升接收性能的多数据流联合处理结构,’在深空通信、低轨卫星通信以及分集接收等系统中得到广泛的研究与应用。

本文的主要研究工作围绕通信信号接收中多参数及多信号间的联合处理技术展开。

针对同步参数与符号信息的联合处理问题,多天线信号接收中的联合同步、联合信道参数估计以及联合符号检测问题进行了深入的分析研究。

论文的主要内容以及主要创新点概括为如下几方面：1、针对小样本、低信噪比条件下符号定时与符号信息的联合处理问题,基于非完整数据集下的最大似然估计模型,提出了一种无须定时恢复的最大似然符号检测算法。

算法直接利用匹配滤波器输出序列求解,在EM算法框架下通过迭代计算实现最大似然符号检测。

利用理论结果,‘推导得到了基于过采样信号离散化求和的估计式与低采样率下基于多项式函数积分的估计式,并在此基础上给出一种新的迭代实现结构,与传统基于定时恢复的符号检测算法相比避免了对最佳采样点进行内插恢复。

仿真分析表明,算法输出误码率能够逼近理想联合最大似然解,优于传统非数据辅助类算法,与判决反馈类联合处理算法相比在短数据条件下误码率更低,且收敛更快。

2、针对同步参数未知条件下的符号信息提取问题,在最大似然准则下提出一种无须同步参数估计的迭代符号检测算法。

与传统接收处理中逐级同步处理的结构不同,该算法将符号定时、载波频偏与载波相位等同步参数作为缺失信息在EM 算法框架下与符号信息联合处理,得到一种新的最大似然符号检测算法。

高灵敏度卫星导航接收机捕获跟踪技术研究卫星导航系统在现代社会中扮演着至关重要的角色，为人们提供准确的位置和导航信息。

然而，由于信号弱、干扰多等原因，导航信号的捕获和跟踪成为了卫星导航接收机设计中的一个重要挑战。

为了提高接收机的性能和可靠性，许多研究人员致力于高灵敏度卫星导航接收机的捕获跟踪技术研究。

首先，高灵敏度接收机的捕获技术是实现接收机对弱信号进行快速锁定的关键。

传统的捕获技术通常采用串行搜索算法，即逐个搜索可能的码相位和多普勒频率，然后进行匹配。

然而，这种算法在信号弱的情况下效率较低，因为搜索空间较大。

为了提高搜索效率，研究人员提出了许多改进的算法，如并行搜索和快速傅里叶变换（FFT）算法。

这些算法可以同时搜索多个码相位和多普勒频率，从而大大提高了捕获速度。

其次，高灵敏度接收机的跟踪技术是保持对导航信号的持续跟踪的关键。

由于干扰和多径效应等原因，导航信号的相位和多普勒频率会发生变化，导致接收机跟踪误差。

为了提高跟踪性能，研究人员提出了许多自适应跟踪算法。

这些算法可以实时估计信号的相位和多普勒频率，并根据估计值对接收机进行调整，以保持对信号的准确跟踪。

此外，高灵敏度接收机的前端设计也对捕获和跟踪性能起着重要作用。

前端设计包括天线、低噪声放大器和射频滤波器等组件。

优化前端设计可以提高接收机的灵敏度和抗干扰能力，从而增强捕获和跟踪性能。

综上所述，高灵敏度卫星导航接收机的捕获跟踪技术研究对提高导航系统的性能和可靠性具有重要意义。

通过改进捕获算法、跟踪算法和前端设计，可以提高接收机对弱信号的捕获能力和对信号的准确跟踪能力。

这将推动卫星导航系统在各个领域的应用，并为人们提供更为精确和可靠的导航服务。

卫星导航系统-第7讲GPS接收机技术-1GPS接收机的概念⼀种能够接收、跟踪、变换和测量GPS卫星导航定位信号的⽆线点接收设备，即具有⽆线电接收设备的共性，⼜具有捕获、跟踪和处理微弱的GPS卫星信号的特性。

GPS接收机本质是⼀种传感器，它主要⽤于感应、测量GPS卫星相对于接收机本⾝的距离以及卫星信号的多普勒频移，并从卫星信号中解调出导航电⽂，实现定位和测速等。

⽬前是多通道接收机为主！按接收机⼯作原理分类码相关型接收机：C/A码的码相关获取接收机的位置平⽅型接收机：利⽤载波相位来获得位置混合型接收机:同时利⽤了上⾯两者来实现的⼲涉型接收机⽬前绝⼤部分是采⽤混合型接收机；接收机的体系结构GPS接收机基本结构天线模块、射频前端模块、基带处理模块、应⽤处理模块；接收机天线天线作⽤接收天线是接收机的⾸个元器件，它接收卫星发射的电磁波信号并转变成电流信号，以供接收机射频前端摄取和处理。

天线要求天线与低噪声放⼤器⼀体；能够接收来⾃任何⽅向的卫星信号，不产⽣死⾓；有防护与屏蔽多路径的措施；天线相位中⼼保持⾼度稳定，并与⼏何中⼼⼀致；说明接收机的测量中⼼是在相位测量中⼼；⼏个常见的概念⾃由空间传播公式说明了接收GPS的强度⼤约是多少；P R表⽰接收天线接收信号的强度，指功率；P T表⽰卫星上发射天线的功率；G T表⽰发射天线的增益；G R表⽰接收天线的增益；第四项表⽰的是路径电磁波的衰减；最后⼀项指⼤⽓损耗通过上⾯公式就能够⼤概估算出地⾯的接收机接收到信号的强度⼤概是多少。

从上⾯可以计算出在对应的仰⾓情况下，这个信号到达地⾯的强度是多少信号强度是不同的，因为距离不同；但我们希望在不同点接收到的信号强度是相同的；如果功率相差⽐较⼤会带来什么问题呢，如果不同的话，会给别的信号的互相关产⽣⼲扰；怎样保证在地球不同位置接收到同⼀卫星的强度相差不⼤呢，在GPS系统的发射天线在不同的⾓度上它的增益是不同的，来调整在地球表⾯不同位置的信号强度相差不⼤；在地球上⾓度为40度的时候，接收到的信号强度是最强的；信号强度并不能完整地描述信号的清晰程度以及它的质量好坏；信噪⽐和载噪⽐；信号接收功率强弱并不能完整的⽤来描述信号的清晰程度或者质量好坏，还需要知道信号相对于噪声的强弱。

卫星定位导航技术报告摘要：卫星定位系统即全球定位系统(Global Positioning System)，就是使用卫星对某物进行准确定位的技术。

可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以便实现导航、定位、授时等功能。

可以用来引导飞机、船舶、车辆、以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地，还可以应用到手机等追寻。

1.引言基本概念定位系统即全球定位系统(Global Positioning System)。

简单地说，这是一个由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。

这个系统可以保证在任意时刻，地球上任意一点都可以同时观测到4颗卫星，以保证卫星可以采集到该观测点的经纬度和高度，以便实现导航、定位、授时等功能。

这项技术可以用来引导飞机、船舶、车辆以及个人，安全、准确地沿着选定的路线，准时到达目的地。

历史发展全球定位系统(GPS)是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。

其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。

经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。

2.构成空间部分GPS的空间部分是由24 颗工作卫星组成，它位于距地表20 200km的上空，均匀分布在6 个轨道面上(每个轨道面4 颗)，轨道倾角为55°。

此外，还有4 颗有源备份卫星在轨运行。

卫星的分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4 颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象。

这就提供了在时间上连续的全球导航能力。

GPS 卫星产生两组电码，一组称为C/ A 码( Coarse/ Acquisition Code11023MHz) ;一组称为P 码(Procise Code 10123MHz),P 码因频率较高，不易受干扰，定位精度高，因此受美国军方管制，并设有密码，一般民间无法解读，主要为美国军方服务。

通信辅助卫星导航接收机最优捕获灵敏度分析
王雷;雷长彪
【期刊名称】《导航定位与授时》
【年(卷),期】2022(9)3
【摘要】通信辅助有助于降低卫星导航信号捕获的搜索模糊度,因此接收机可通过改进捕获算法以提高捕获灵敏度。

但是,目前在同等条件下捕获灵敏度提升量与通信辅助精度的量化关系尚不明确。

通过约束平均捕获时间和捕获算法计算复杂度两项指标的门限值,对接收机辅助信息精度与捕获灵敏度提升量之间的关系进行量化分析,得出相应条件下的最优捕获算法参数。

分析表明,在频率搜索范围以1/2的幂次进行逐渐压缩的过程中,捕获灵敏度提升量最高约为4dB,且随频率搜索范围压缩程度的提高而逐渐缩小。

根据评估方法得到的最优捕获算法参数受捕获概率指标、虚警概率指标等影响较小,可预置于接收机中,根据具体情况进行选择。

【总页数】7页(P125-131)
【作者】王雷;雷长彪
【作者单位】中国人民解放军32082部队
【正文语种】中文
【中图分类】TN95
【相关文献】
1.卫星导航抗干扰最优接收机与相关接收机性能分析
2.卫星导航接收机捕获阶段抗欺骗干扰技术研究
3.卫星导航接收机捕获和跟踪抗干扰能力分析
4.高灵敏度卫星
导航接收机的差分相干积分算法5.高动态环境下惯组辅助GNSS接收机卫星导航信号的捕获
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

一种双通道接收机的设计设计一种双通道接收机需要考虑到硬件设计和信号处理两个方面。

下面是一种双通道接收机的设计方案，包括硬件设计和信号处理的关键步骤。

1.硬件设计部分：-选择合适的接收机芯片：选择能够接收两个通道的芯片，如带有多通道收发功能的射频接收机芯片。

-设计中频放大器：使用中频放大器将射频信号放大到适合后续处理的信号水平。

-设计混频器：使用混频器将高频信号和本地振荡频率进行混频，得到中频信号。

-设计低噪声放大器：对中频信号进行低噪声放大。

-设计滤波器：使用滤波器来去除中频信号中的不需要的频率分量，只保留需要的频率分量。

-设计解调器：对滤波后的信号进行解调，得到基带信号。

-设计模数转换器：将基带信号转换为数字信号。

2.信号处理部分：-信号匹配：将接收到的数字信号根据通道进行匹配，分别分配到对应的处理器中。

-数据解码：对接收到的数字信号进行解码，将数字信号转换为原始信号。

-资源分配：根据解码后得到的原始信号，将资源分配到对应的处理模块中进行进一步处理。

-信号处理：根据具体的应用需求，对原始信号进行进一步处理，如滤波、去噪、放大等。

-数据重组：将处理后的信号重新组合成用户所需的数据格式。

需要注意的是，在设计双通道接收机时，需要考虑到频带的分配、信号的分离和处理等方面的问题。

在硬件设计中，要确保两个通道之间的干扰尽可能小。

在信号处理部分，可以使用数字信号处理技术来处理信号，以提高接收机的性能和灵活性。

另外，在设计双通道接收机时，还需要考虑到功耗和成本的问题，选择适合的元件和设计方案以平衡性能和成本之间的关系。

总之，设计一种双通道接收机需要综合考虑硬件设计和信号处理两个方面，以满足双通道接收的要求，并尽可能提高接收机的性能和灵活性。