GNSS弱信号两级快速傅里叶变换捕获方法

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1、中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2014年8月第4期GNSS弱信号两级快速傅里叶变换捕获方法苏悦1王建辉2(1湖南北云科技有限公司，长沙410205)(2国防科学技术大学，长沙410073)摘要高动态弱信号条件下，为了提高捕获过程实现的灵活性，提出了两级快速傅里叶变换(FFT)多普勒频率捕获方法，第一级FFT使用较短的相干积分时间将多普勒频率搜索范围划分为多个粗分格，第二级FFT在每一个分格内对多普勒频率进行更精细的搜索。采用文章提出的捕获方法，可以降低FFT点数，简化实现复杂度；另一方面，计算第一级FFT时可通过

2、流水线操作提高资源利用率。为了验证所提方法的正确性，仿真实现了两级FFT捕获方法。结果表明，两级FFT方法能在高动态弱信号条件下正确捕获多普勒频率。关键词弱信号；导航信号捕获；快速傅里叶变换；多普勒频率；全球卫星导航系统DOI：10．3780／j．issn．1000—758X．2014．04．0101引言GNSS信号在弱信号环境中(如城市峡谷、室内等)比在开阔地域弱十几到几十分贝。弱信号条件下的信号捕获一般通过延长相干积分时间提高捕获灵敏度，但积分时间的长度受到导航电文和多普勒频率的限制。通过后积累的方法也可以提高信噪比，但检波器的输人信噪比过低会导致较大的检波

3、损耗[1]。持续时间为导航电文长度一半的连续两段信号，至少有一段不包含比特边沿跳变。为了克服电文比特边沿对积分时间的限制，通过使用长度为电文长度一半的连续两段信号，可将相干积分时间长度延长到电文长度的一半[2]，通过搜索比特边沿可将相干积分时间延长到一个电文比特的长度[3]。扩展长度块积累相干积分(BlockAccumulatingCoherentIntegrationoverExtendedInterval，BACIX)算法，通过估计导航电文比特边沿和一种低复杂度电文符号估计方法，实现跨越多个导航电文比特的相干积分[4]，进一步提高了弱信号捕获灵敏度。半相干块

4、积累(BlockAccumulatingSemi—coherentIntegrationofCorrelations，BASIC)算法，是在BACIX算法基础上提出的一种适用于高动态环境下弱信号捕获的方法，通过相邻相干积分块之间的频率差异估计信号的高阶动态[5]。多电文比特循环相关(CircularCorrelationwithMultipleDataBits，CCMDB)捕获算法则是通过遍历可能的比特边沿和电文符号组合，使相干积分时长跨越多个电文比特长度[6]，从而提高捕获灵敏度。此外，非相干后积累和差分检测相结合的捕获方法可以在不增长相干积分时间的条件下提高

5、捕获灵敏度[7]。常规的按固定频率间隔搜索多普勒频率的方法实现简单，但频率分辨率只有一种，基于小波变换的GPS弱信号捕获方法可以使用更灵活的频率分辨率提高捕获性能[8]。弱信号条件下，通过联合估计码相位和载波多普勒频率也可以降低计算量[9]。弱信号条件下，接收信号载噪比低，常规的捕获方法会导致较大的检波损耗，因此现有文献提出的高灵敏度捕获方法大多通过延长相干积分时间实现。收稿日期：2014—03—18。收修改稿日期：2014—05—12：!!!笙!旦生旦窒!旦型兰垫查!!高动态弱信号条件下的导航信号捕获一般通过延长相干积分时间提高捕获灵敏度，但相干积分时间较长时

6、，需搜索的多普勒分格数量较多‘10-1I]，计算复杂度也相应提高。使用频域并行搜索的捕获方法，可以降低多普勒频率搜索的计算量，提高捕获速度[12

7、，但在多普勒频率范围较大时，快速傅里叶变换(FFT)点数很高，实现复杂度大。为了提高实现灵活性并降低实现复杂度，本文提出了一种使用两级FFT运算搜索载波多普勒频率的弱信号捕获方法，并对捕获性能进行了分析和仿真。本文方法不考虑导航电文符号和电文比特边沿的影响，因此适用于新体制导航信号中导频信号的捕获；在有导航电文辅助的情况下，也可应用本文方法完成对弱信号的捕获。2传统捕获方法接收机接收到的直接序列扩频(DSSS)信号表达

8、式如下：r(t)一面c(f)cos(27c(／lF+fd)t+声)+”(f)(1)式中P为信号功率；C(f)为伪码序列；／’，，为中频频率；^为多普勒频率；声为初相；”(f)为高斯白噪声。捕获过程是码相位和载波多普勒频率的二维搜索过程(见图1)，每个码相位和多普勒频率构成一个搜索分格。传统捕获方法采用串行方法逐个搜索码相位和多普勒分格，当载波多普勒频率与伪码相位和接收信号处于同一分格中时，信号分量与本地信号的相关积分值最大，积分值超过门限则认为捕获成功。在高动态、弱信号条件下，采用短时分段相关和后积累方法不能获得足够增益，因此需要进行长时间相干积分以降低检波损耗

9、。长时间相干积分会导致多