一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法技术

本发明专利技术属于卫星导航信号处理技术领域，具体涉及一种低复杂度鉴频器设计方法，用于在微弱卫星导航信号跟踪处理中减少延长相干累加时间所需的计算量。具体步骤为，初始化鉴频器，设计频偏和电文的最大似然联合估计器；设定跟踪频偏可能的取值范围，并在其中取均匀分布的采样点；设定在极坐标系下对二维平面上向量的方位角进行量化处理的函数；ft，t＝1，2，…，L，计算得到Et＝Eacc(ft)，据此得到跟踪频偏的初始估计值；用三点插值法进一步修正跟踪频偏估计值。本发明专利技术方法以部分相关累加结果表示电文组合分支，通过在极坐标系下对相关值的量化处理，通过预测估计，排除相干累加能量值较小的电文组合分支，使计算量随待估计电文比特数以线性关系增长。

【技术实现步骤摘要】
一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法
本专利技术属于卫星导航信号处理
，具体涉及一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法，用于在微弱卫星导航信号跟踪处理中减少延长相干累加时间所需的计算量。
技术介绍
随着卫星导航应用的进一步深入，接收机面临着越来越严苛的应用环境。全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，简称GNSS)信号在城市峡谷等遮挡环境下比在开阔地域弱十几甚至几十分贝，而提高跟踪灵敏度可以提高接收机在弱信号条件下的定位成功率和增强鲁棒性。鉴频器是维持信号载波频率跟踪的关键环节，其性能对提高跟踪灵敏度具有重要影响。鉴频器用于从相关器输出的准时相关值序列中估计出信号的载波频率减去本地载波频率后残余的跟踪频偏。作为一个频率估计器，为获得高的频率估计精度，应延长鉴频器单次频率估计所使用数据段的长度。在不能获得电文辅助的情况下，鉴频器需要通过估计电文来实现相干累加。虽然现代化GNSS信号中引入了不调制电文的导频分量，可以单独使用导频数据估计频偏，但联合使用导频和数据分量可获得更好的鉴频性能。因此在给定跟踪频偏的前提下，根据对应于相邻N个电文的相关值(N为整数)，先估计出的电文比特，然后用估计得到的电文与相关值相乘以剥离掉其中的电文调制，然后对剥离了电文之后的N个相关值进行累加，可有效提高频率鉴别操作中所需的信噪比。由于电文估计可能存在误码，这种累加只是一种近似的相干累加，为简化描述下文中全部简称为相干累加。实现近似的相干累加是提高GNSS接收机弱信号跟踪灵敏度的重要途径。传统弱信号跟踪的电文估计算法直接在电文组合的取值域搜索，其计算量与2N成线性关系，但由于其大都针对电文速率为50bps的GPS信号设计，N的取值较小。对于电文速率为50bps的GPS信号，N取5～8即可获得足够高的相干累加后信噪比，此时待搜索的电文组合个数较少。我国的北斗二号卫星导航系统(简称：BDS)的地球同步轨道卫星(简称：GEO)所播发信号的电文速率为500bps，相比于50bps信号，达到相同的相干积分时间，待搜索电文比特数增加10倍。例如：实现0.12s的相干积分，采用传统电文估计算法，对GPS信号只需搜索25＝32个电文组合，而对于BDS的GEO信号需要搜索259个电文组合，即计算量增加254倍，即计算量以指数规律增加，导致算法难以实时实现。因此对于具有较高电文速率的GNSS信号，传统电文估计算法难以实时实现较长时间的相干累加，这就需要一种降低了计算复杂度的电文估计方法。
技术实现思路
针对电文速率的较高的GNSS信号用传统的电文估计方法延长相干累加时间时，计算量以指数规律增长的问题。本专利技术提供了一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法，该方法以快速实现一个基于最大似然估计的高性能鉴频器中的电文剥离和相关累加为目标，由于直接获取了相干累加值，因此不输出对电文比特的估计值，具体技术方案步骤如下：(S1)初始化鉴频器，设计频偏和电文的最大似然联合估计器如下：设在给定跟踪频偏f后，仅搜索电文组合所获得的最大相干累加能量值为Eacc(f)，即：其中，k＝1，2，…，N，D＝[d1，d2，…，dN]，dk∈{+1，-1}为依次由各比特待估计的电文构成的向量，D表示N个电文比特的组合情况，以下简称为电文组合；f为跟踪频偏；为跟踪频偏的估计结果，Dml为电文组合的估计结果；arg(·)表示目标函数取最大值时，对应的函数自变量的取值。(S2)设定跟踪频偏f的取值范围[-fmax，fmax]，并在其中以相等的间隔Δf取L个采样点：f1＜f2＜…＜fL-1＜fL，L为整数；(S3)将平面按照方位角进行量化处理，量化为M条均匀分布的射线，M为整数；以为间隔，在连续区间[0，2π]上取M个离散采样点：对于任意待量化向量{Sx，Sy}，设其极坐标表示为：从中找到与方位角最接近的相位作为量化后的方位角，即量化后的累加向量为：(S4)对每一个跟踪频偏取值的采样点ft，t＝1，2，…，L，计算得到Et＝Eacc(ft)，并从中找出最大者En＝max{Et}，并以对应的频率fn作为初始的跟踪频偏估计值，n为整数；(S5)用三点插值法进一步修正跟踪频偏估计值：若E1或EL为最大时，不进行插值处理，直接将频偏估计值限幅为f1或fL，否则，先计算表征峰值偏移量的系数再将鉴频器的输出修正为：进一步地，所述步骤(S4)中根据某个跟踪频偏的采样值ft，t＝1，2，…，L，求解Et的具体过程为：(S41)根据跟踪频偏的采样值ft，对相关器输出的原始相关值x[k]进行相位旋转得到xr[k]，计算公式如下：上式中IPr[k]与QPr[k]分别为xr[k]的实部与虚部；将式(6)代入式(3)可得到：将xr[k]看成二维向量，则dk取-1时可看成是将xr[k]旋转180度，dk取1则对应不旋转；(S42)定义平面中的子集及其递推关系：将d1固定为1，记前m个翻转向量之和为即：所有可能的取值构成的集合为易知，中仅有一个元素xr[1]，且递推关系如下：(S43)递推计算中在各个量化方向上具有最大相干累加能量值元素所构成的子集初始化则m+1＝2，3，…，N的步骤为：1)设置为空集；2)遍历中的每个元素y，按照式(9)的递推关系计算出累加一个相关值向量后新产生的两个中的元素，其中：y+对应于dm+1＝1的情况，即y+＝y+xr[m+1]；y-对应于dm+1＝-1的情况，即y-＝y-xr[m+1]；3)依次判断y+或者y-以何种方式添加到中，具体以y+为例说明判断方法，设y+按照式(4)、式(5)量化后的方位角为若中无量化后方位角为的元素，则将y+添加到中；反之设中已有一个元素z量化后方位角也为则比较y+与z的模值大小，若|y+|＞|z|，则将中的z用y+替换，反之保持不变；按照步骤1)、2)、3)方法，迭代N-1次后得到(S44)找出中具有最大模值的元素ym，然后计算Et，即取Et＝|ym|2。进一步地，M取值为29、210等较小的数。本专利技术具备以下有益效果：本专利技术有效克服了传统的电文估计方法在用于延长鉴频器的相干累加时间时，计算量与待估计的电文比特数以指数规律增长的问题，提供了一种计算量与待估计电文比特数成线性关系的电文估计方法，同时本专利技术提供的鉴频器设计可有效逼近理论上最优的最大似然跟踪频偏估计器。由此本专利技术可用于以较小的代价提高GNSS接收机跟踪具有较高电文速率的GNSS信号的灵敏度。附图说明图1表示弱信号条件下频率锁定环路实现框图；图2表示本专利技术中鉴频器的实现流程图；图3表示跟踪频偏估计器实现框图；图4表示本专利技术中计算最大相干累加能量值的流程图；图5表示排除电文组合的几何原理示意图；图6是载噪比20dB-Hz、无频率变化率时两种鉴频器跟踪性能对比图；图7是载噪比23dB-Hz、频率变化率3Hz/s时两种鉴频器跟踪性能对比图。具体实施方式下面，结合附图和具体实施方式，对本专利技术作进一步说明。如图1所示，以本专利技术应用于BDS的GEO卫星信号的频率锁定环路(FLL)的鉴频器设计为例进行说明。接收信号r(t)经过码和载波剥离以后送入相关器，相关器的积分区间正好为一个电文码元，即积分时间为Tc＝2ms。为提高频率鉴别性能本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(S1)初始化鉴频器，设计频偏和电文的最大似然联合估计器如下：{f^ml,Dml}=arg{maxfmaxD{|Σk=1Ndkx[k]e-j2πfk|2}}---(2)]]>在给定跟踪频偏f后，仅搜索电文组合所获得的最大相干累加能量值为Eacc(f)，即：Eacc(f)=maxD{|Σk=1Ndkx[k]e-j2πfk|2}---(3)]]>其中，k＝1，2，…，N，D＝[d1，d2，…，dN]，dk∈{+1，‑1}为依次由各比特待估计的电文构成的向量，D表示N个电文比特的组合情况，以下简称为电文组合；f为跟踪频偏；为跟踪频偏的估计结果，Dml为电文组合的估计结果；(S2)设定跟踪频偏f的取值范围[‑fmax，fmax]，并在其中以相等的间隔Δf取L个采样点：f1＜f2＜…＜fL‑1＜fL，L为整数；(S3)将平面按照方位角进行量化处理，量化为M条均匀分布的射线，M为整数；以为间隔，在连续区间[0，2π]上取M个离散采样点：对于任意待量化向量{Sx，Sy}，设其极坐标表示为：从r＝1，2，…，M，中找到与方位角最接近的相位作为量化后的方位角，即量化后的累加向量为：(S4)对每一个跟踪频偏取值的采样点ft，t＝1，2，…，L，计算得到Et＝Eacc(ft)并从中找出最大者En＝max{Et}，并以对应的频率fn作为初始的跟踪频偏估计值，n为整数；(S5)用三点插值法进一步修正跟踪频偏估计值：若E1或EL为最大时，不进行插值处理，直接将频偏估计值限幅为f1或fL，否则，先计算表征峰值偏移量的系数再将鉴频器的输出修正为：f^=fn+2αΔf.]]>...

【技术特征摘要】
1.一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法，其特征在于，包括以下步骤：(S1)初始化鉴频器，设计频偏和电文的最大似然联合估计器如下：在给定跟踪频偏f后，仅搜索电文组合所获得的最大相干累加能量值为Eacc(f)，即：其中，k＝1，2，…，N，D＝[d1，d2，…，dN]，dk∈{+1，-1}为依次由各比特待估计的电文构成的向量，D表示N个电文比特的组合情况，以下简称为电文组合；f为跟踪频偏；为跟踪频偏的估计结果，Dml为电文组合的估计结果；(S2)设定跟踪频偏f的取值范围[-fmax，fmax]，并在其中以相等的间隔Δf取L个采样点：f1＜f2＜…＜fL-1＜fL，L为整数；(S3)将平面按照方位角进行量化处理，量化为M条均匀分布的射线，M为整数；以为间隔，在连续区间[0，2π]上取M个离散采样点：对于任意待量化向量{Sx，Sy}，设其极坐标表示为：从中找到与方位角最接近的相位作为量化后的方位角，即量化后的累加向量为：(S4)对每一个跟踪频偏取值的采样点ft，t＝1，2，…，L，计算得到Et＝Eacc(ft)，并从中找出最大者En＝max{Et}，并以对应的频率fn作为初始的跟踪频偏估计值，n为整数；(S5)用三点插值法进一步修正跟踪频偏估计值：若E1或EL为最大时，不进行插值处理，直接将频偏估计值限幅为f1或fL，否则，先计算表征峰值偏移量的系数再将鉴频器的输出修正为：2.如权利要求1所述的一种GNSS弱信号跟踪的低复杂度鉴频器设计方法，其特征在于，所述步骤(S4)中根据跟踪频偏的采样值ft，t＝1，2，…，L，求解Et的具体过程为：(S41)根据跟踪频偏的采样值ft，对相关器输出的原始相关值x[k]进行相位旋转得到xr[k]，计算公式如下：

【专利技术属性】
技术研发人员：吴舜晓，黄仰博，倪少杰，唐小妹，朱祥维，欧钢，陈华明，刘文祥，李井源，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43