極弱GNSS信號精確跟蹤技術研究

孔吉++鄧寧++雍雯

【摘 要】 由于衛星軌道高度較高，容易造成GNSS衛星信號較弱，針對傳統載波跟蹤環路檢測概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測與補償的載波精確跟蹤方法；針對跟蹤環路檢測時間較小時，失鎖概率較大，提出了一種考慮電文反轉的極弱信號碼精確跟蹤方法，分別闡述方法的原理及跟蹤極弱信號的過程，最后使用BDS數據進行動態數據驗證，結果表明新方法能夠解決極弱GNSS信號的正確跟蹤的問題。

【關鍵詞】 極弱 GNSS信號 跟蹤 載波 電文

衛星導航產業作為全球發展最快的信息產業之一，越來越受到國家及戰略性建設的重視，雖然全球定位系統的衛星發送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的信息資源，但對于陸地、海洋和空間的廣大用戶而言，需要能夠確定地面空間位置的衛星接收機來接收、跟蹤GNSS導航信號（包括GPS、GLONASS、BD等多模信號），目前GNSS接收機正在各行各業中得到廣泛應用。在高精度精密導航產業中，為了實現極弱環境下的定位，高靈敏度的導航接收機技術逐漸成為研究的熱點，其包含高靈敏度信號捕獲和高靈敏度信號跟蹤兩項關鍵技術，本文主要研究極弱信號的精密跟蹤技術。

1 極弱GNSS信號特點

極弱GNSS信號往往是由于信號傳播距離遠，信號衰減大造成的。根據信號傳播衰減公式：

可知其信號強度約為<-150dBm。以某項目中研發的針對特殊軌道位置所接收的GNSS信號為例，接收信號普遍處于發射天線主瓣邊緣，其信號覆蓋區的強度變化非常大，可達到20dB左右，信號的遠近效應很大。

由于衛星軌道高度較高，而造成的GNSS衛星信號較弱的現象，根據經驗信號跟蹤環路采用增加積分時間來提高跟蹤概率，在導航電文誤碼率較大時實現起來有較大難度，環路失鎖概率較大，因此必須研究極微弱信號精確跟蹤實現技術。

2 極弱GNSS信號高靈敏度跟蹤方法

對于極其微弱的GNSS信號，傳統的載波跟蹤環路檢測概率極其低，不能滿足載波剝離要求，因此，本文首先提出一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測與補償的載波精確跟蹤方法。

2.1 載波精確跟蹤方法

跟蹤過程如圖1所示。

（1）基于Duffing混沌振子頻率跟蹤方法：利用分層Duffing混沌振子陣列算法，振子參考頻率選取在100Hz以內，使得檢測分辨率在1Hz以內，通過時間壓縮因子在5ms時間內精確檢測多普勒頻率。

其檢測流程如圖2所示。

（2）相位精確跟蹤方法：采用Duffing混沌振子作為跟蹤信號檢測器，鎖定Duffing混沌振子，通過窄帶濾波器與跟蹤環路，可以實現精確跟蹤，如圖3所示。

對于極微弱GNSS信號采用20ms檢測積分時間進行檢相處理。其步驟如下：（1）采用Duffing混沌振子陣列進行頻率檢測，當頻率>1Hz時繼續采用Duffing混沌振子陣列進行頻率檢測，直到頻率<1Hz時進入相位跟蹤環路；（2）GNSS信號進行下變頻，到載波多普勒頻率偏差<1Hz，進入低頻窄帶濾波器，提高信噪比；（3）進行載波檢相與跟蹤。

2.2 碼精確跟蹤方法

考慮到由于信號極其微弱，跟蹤環路檢測時間較小時，失鎖概率較大，因此，必須加大檢測時間，但電文數據位反轉會影響其跟蹤，本文提出了一種考慮電文反轉的極弱信號碼精確跟蹤方法。

跟蹤過程如圖4所示：①跟蹤開始時，采用滑動檢測方法，利用最大值方法檢測電文同步點。②用20ms數據采取超前、及時、滯后三路進行精確跟蹤，得出碼相位。

解算過程如下：

（1）滑動檢測與電文bit同步：采用1ms數據滑動，比較其20ms積分值大小，確定最大值，即出現電文bit同步。

其中，L為1ms采樣點數。

若有，，則為電文比特同步點。

（2）碼相位精確跟蹤：對20ms數據進行超前、及時、滯后三路積分，其處理過程如圖5所示。

3 BDS動態數據驗證

3.1 數據準備

（1）用BD模擬器配置一個動態場景，即有一個加速度為0.2g，信號強度為-157dBm，采集30s的數據，同時導出多普勒參數；修改場景時間或地點以采集信號強度為-157dBm的不同靜態場景數據，共采集30個數據。（2）在（1）的基礎上將信號強度修改為-158dBm，共采集30個數據，每個數據長度為30s。（3）在（1）的基礎上將加速度修改為0.25g，共采集30個數據，每個數據長度為30s。（4）在（3）的基礎上將信號強度配置為-158dBm，共采集30個數據，每個數據長度為30s。

3.2 測試方法

在跟蹤模塊中配置衛星序列號（待測數據中該衛星可見）以及配置中頻，即中頻配置為：數據中頻+初始多普勒+x（x表示：捕獲模塊檢測出來的頻率與真實頻率的偏差為x；這里x設置為0和4），配置對齊的偽碼（這里配置為8），導入待測數據到跟蹤模塊，運行，導出相關參數：采樣點、相關值、相關值峰值、峰值對應的采樣點、頻率偏差。采樣點作為橫坐標，相關值作為縱坐標繪圖，看其是否有明顯峰值。

3.3 測試通過判定

（1）加速度為0.2g時頻率偏差小于或等于5Hz（數據是0.2g，即10Hz/s，跟蹤需要用500ms的時間進行數據處理，則多普勒變化的范圍為0～5Hz，但用于計算頻率偏差的多普勒是初始多普勒，因此這里用5Hz作為判定界限），加速度為0.25g時頻率偏差小于或等于 6.25Hz；（2）在偽碼對齊的采樣點時相關值出現明顯的峰值。

3.4 測試結果（如表1）

4 結語

本文分析了傳統GNSS信號的跟蹤技術，面對新增加的GNSS衛星，不乏軌道高度較高的衛星出現的衛星信號較弱的情況，容易導致跟蹤失效等情況，針對如何有效抑制載波跟蹤環路檢測概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測與補償的載波精確跟蹤方法；當跟蹤環路檢測時間較小時，失鎖概率較大，因而需要加大檢測時間，但同時考慮電文數據位反轉會影響其跟蹤，提出了一種考慮電文反轉的極弱信號碼精確跟蹤方法，利用BDS數據進行動態驗證，結果表明新方法相對傳統跟蹤方法，性能得到一定的改進，可以達到預期的效果。

參考文獻：

[1]RapidIO Trade Association. RapidIO interconnect specification rev. 2.0[EB/OL].[2010-05-06].http：∥www.rapidio.org .

[2]Tundra Semiconductor Corporation.Tsi578 serial Rapid IO switch user manual [EB/OL].[2010-05-12].http：∥www.tundra.com.

[3]王玫，顏勇，張慧峰等.基于雙Duffing振子差分的微弱信號頻率檢測[J].電路與系統學報，2010，15（2）：118-121.DOI：10.3969/j.issn.1007-0249.2010.02.021.

[4]金力，崔驍偉，陸明泉等.帶相位和頻率反饋環路的GNSS弱信號跟蹤技術研究[J].武漢大學學報-信息科學版，2011，36（4）：418-421.endprint

【摘 要】 由于衛星軌道高度較高，容易造成GNSS衛星信號較弱，針對傳統載波跟蹤環路檢測概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測與補償的載波精確跟蹤方法；針對跟蹤環路檢測時間較小時，失鎖概率較大，提出了一種考慮電文反轉的極弱信號碼精確跟蹤方法，分別闡述方法的原理及跟蹤極弱信號的過程，最后使用BDS數據進行動態數據驗證，結果表明新方法能夠解決極弱GNSS信號的正確跟蹤的問題。

【關鍵詞】 極弱 GNSS信號 跟蹤 載波 電文

衛星導航產業作為全球發展最快的信息產業之一，越來越受到國家及戰略性建設的重視，雖然全球定位系統的衛星發送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的信息資源，但對于陸地、海洋和空間的廣大用戶而言，需要能夠確定地面空間位置的衛星接收機來接收、跟蹤GNSS導航信號（包括GPS、GLONASS、BD等多模信號），目前GNSS接收機正在各行各業中得到廣泛應用。在高精度精密導航產業中，為了實現極弱環境下的定位，高靈敏度的導航接收機技術逐漸成為研究的熱點，其包含高靈敏度信號捕獲和高靈敏度信號跟蹤兩項關鍵技術，本文主要研究極弱信號的精密跟蹤技術。

1 極弱GNSS信號特點

極弱GNSS信號往往是由于信號傳播距離遠，信號衰減大造成的。根據信號傳播衰減公式：

可知其信號強度約為<-150dBm。以某項目中研發的針對特殊軌道位置所接收的GNSS信號為例，接收信號普遍處于發射天線主瓣邊緣，其信號覆蓋區的強度變化非常大，可達到20dB左右，信號的遠近效應很大。

由于衛星軌道高度較高，而造成的GNSS衛星信號較弱的現象，根據經驗信號跟蹤環路采用增加積分時間來提高跟蹤概率，在導航電文誤碼率較大時實現起來有較大難度，環路失鎖概率較大，因此必須研究極微弱信號精確跟蹤實現技術。

2 極弱GNSS信號高靈敏度跟蹤方法

對于極其微弱的GNSS信號，傳統的載波跟蹤環路檢測概率極其低，不能滿足載波剝離要求，因此，本文首先提出一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測與補償的載波精確跟蹤方法。

2.1 載波精確跟蹤方法

跟蹤過程如圖1所示。

（1）基于Duffing混沌振子頻率跟蹤方法：利用分層Duffing混沌振子陣列算法，振子參考頻率選取在100Hz以內，使得檢測分辨率在1Hz以內，通過時間壓縮因子在5ms時間內精確檢測多普勒頻率。

其檢測流程如圖2所示。

（2）相位精確跟蹤方法：采用Duffing混沌振子作為跟蹤信號檢測器，鎖定Duffing混沌振子，通過窄帶濾波器與跟蹤環路，可以實現精確跟蹤，如圖3所示。

對于極微弱GNSS信號采用20ms檢測積分時間進行檢相處理。其步驟如下：（1）采用Duffing混沌振子陣列進行頻率檢測，當頻率>1Hz時繼續采用Duffing混沌振子陣列進行頻率檢測，直到頻率<1Hz時進入相位跟蹤環路；（2）GNSS信號進行下變頻，到載波多普勒頻率偏差<1Hz，進入低頻窄帶濾波器，提高信噪比；（3）進行載波檢相與跟蹤。

2.2 碼精確跟蹤方法

考慮到由于信號極其微弱，跟蹤環路檢測時間較小時，失鎖概率較大，因此，必須加大檢測時間，但電文數據位反轉會影響其跟蹤，本文提出了一種考慮電文反轉的極弱信號碼精確跟蹤方法。

跟蹤過程如圖4所示：①跟蹤開始時，采用滑動檢測方法，利用最大值方法檢測電文同步點。②用20ms數據采取超前、及時、滯后三路進行精確跟蹤，得出碼相位。

解算過程如下：

（1）滑動檢測與電文bit同步：采用1ms數據滑動，比較其20ms積分值大小，確定最大值，即出現電文bit同步。

其中，L為1ms采樣點數。

若有，，則為電文比特同步點。

（2）碼相位精確跟蹤：對20ms數據進行超前、及時、滯后三路積分，其處理過程如圖5所示。

3 BDS動態數據驗證

3.1 數據準備

（1）用BD模擬器配置一個動態場景，即有一個加速度為0.2g，信號強度為-157dBm，采集30s的數據，同時導出多普勒參數；修改場景時間或地點以采集信號強度為-157dBm的不同靜態場景數據，共采集30個數據。（2）在（1）的基礎上將信號強度修改為-158dBm，共采集30個數據，每個數據長度為30s。（3）在（1）的基礎上將加速度修改為0.25g，共采集30個數據，每個數據長度為30s。（4）在（3）的基礎上將信號強度配置為-158dBm，共采集30個數據，每個數據長度為30s。

3.2 測試方法

在跟蹤模塊中配置衛星序列號（待測數據中該衛星可見）以及配置中頻，即中頻配置為：數據中頻+初始多普勒+x（x表示：捕獲模塊檢測出來的頻率與真實頻率的偏差為x；這里x設置為0和4），配置對齊的偽碼（這里配置為8），導入待測數據到跟蹤模塊，運行，導出相關參數：采樣點、相關值、相關值峰值、峰值對應的采樣點、頻率偏差。采樣點作為橫坐標，相關值作為縱坐標繪圖，看其是否有明顯峰值。

3.3 測試通過判定

（1）加速度為0.2g時頻率偏差小于或等于5Hz（數據是0.2g，即10Hz/s，跟蹤需要用500ms的時間進行數據處理，則多普勒變化的范圍為0～5Hz，但用于計算頻率偏差的多普勒是初始多普勒，因此這里用5Hz作為判定界限），加速度為0.25g時頻率偏差小于或等于 6.25Hz；（2）在偽碼對齊的采樣點時相關值出現明顯的峰值。

3.4 測試結果（如表1）

4 結語

本文分析了傳統GNSS信號的跟蹤技術，面對新增加的GNSS衛星，不乏軌道高度較高的衛星出現的衛星信號較弱的情況，容易導致跟蹤失效等情況，針對如何有效抑制載波跟蹤環路檢測概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測與補償的載波精確跟蹤方法；當跟蹤環路檢測時間較小時，失鎖概率較大，因而需要加大檢測時間，但同時考慮電文數據位反轉會影響其跟蹤，提出了一種考慮電文反轉的極弱信號碼精確跟蹤方法，利用BDS數據進行動態驗證，結果表明新方法相對傳統跟蹤方法，性能得到一定的改進，可以達到預期的效果。

參考文獻：

[1]RapidIO Trade Association. RapidIO interconnect specification rev. 2.0[EB/OL].[2010-05-06].http：∥www.rapidio.org .

[2]Tundra Semiconductor Corporation.Tsi578 serial Rapid IO switch user manual [EB/OL].[2010-05-12].http：∥www.tundra.com.

[3]王玫，顏勇，張慧峰等.基于雙Duffing振子差分的微弱信號頻率檢測[J].電路與系統學報，2010，15（2）：118-121.DOI：10.3969/j.issn.1007-0249.2010.02.021.

[4]金力，崔驍偉，陸明泉等.帶相位和頻率反饋環路的GNSS弱信號跟蹤技術研究[J].武漢大學學報-信息科學版，2011，36（4）：418-421.endprint

【摘 要】 由于衛星軌道高度較高，容易造成GNSS衛星信號較弱，針對傳統載波跟蹤環路檢測概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測與補償的載波精確跟蹤方法；針對跟蹤環路檢測時間較小時，失鎖概率較大，提出了一種考慮電文反轉的極弱信號碼精確跟蹤方法，分別闡述方法的原理及跟蹤極弱信號的過程，最后使用BDS數據進行動態數據驗證，結果表明新方法能夠解決極弱GNSS信號的正確跟蹤的問題。

【關鍵詞】 極弱 GNSS信號 跟蹤 載波 電文

衛星導航產業作為全球發展最快的信息產業之一，越來越受到國家及戰略性建設的重視，雖然全球定位系統的衛星發送的導航定位信號，是一種可供無數用戶共享的信息資源，但對于陸地、海洋和空間的廣大用戶而言，需要能夠確定地面空間位置的衛星接收機來接收、跟蹤GNSS導航信號（包括GPS、GLONASS、BD等多模信號），目前GNSS接收機正在各行各業中得到廣泛應用。在高精度精密導航產業中，為了實現極弱環境下的定位，高靈敏度的導航接收機技術逐漸成為研究的熱點，其包含高靈敏度信號捕獲和高靈敏度信號跟蹤兩項關鍵技術，本文主要研究極弱信號的精密跟蹤技術。

1 極弱GNSS信號特點

極弱GNSS信號往往是由于信號傳播距離遠，信號衰減大造成的。根據信號傳播衰減公式：

可知其信號強度約為<-150dBm。以某項目中研發的針對特殊軌道位置所接收的GNSS信號為例，接收信號普遍處于發射天線主瓣邊緣，其信號覆蓋區的強度變化非常大，可達到20dB左右，信號的遠近效應很大。

由于衛星軌道高度較高，而造成的GNSS衛星信號較弱的現象，根據經驗信號跟蹤環路采用增加積分時間來提高跟蹤概率，在導航電文誤碼率較大時實現起來有較大難度，環路失鎖概率較大，因此必須研究極微弱信號精確跟蹤實現技術。

2 極弱GNSS信號高靈敏度跟蹤方法

對于極其微弱的GNSS信號，傳統的載波跟蹤環路檢測概率極其低，不能滿足載波剝離要求，因此，本文首先提出一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測與補償的載波精確跟蹤方法。

2.1 載波精確跟蹤方法

跟蹤過程如圖1所示。

（1）基于Duffing混沌振子頻率跟蹤方法：利用分層Duffing混沌振子陣列算法，振子參考頻率選取在100Hz以內，使得檢測分辨率在1Hz以內，通過時間壓縮因子在5ms時間內精確檢測多普勒頻率。

其檢測流程如圖2所示。

（2）相位精確跟蹤方法：采用Duffing混沌振子作為跟蹤信號檢測器，鎖定Duffing混沌振子，通過窄帶濾波器與跟蹤環路，可以實現精確跟蹤，如圖3所示。

對于極微弱GNSS信號采用20ms檢測積分時間進行檢相處理。其步驟如下：（1）采用Duffing混沌振子陣列進行頻率檢測，當頻率>1Hz時繼續采用Duffing混沌振子陣列進行頻率檢測，直到頻率<1Hz時進入相位跟蹤環路；（2）GNSS信號進行下變頻，到載波多普勒頻率偏差<1Hz，進入低頻窄帶濾波器，提高信噪比；（3）進行載波檢相與跟蹤。

2.2 碼精確跟蹤方法

考慮到由于信號極其微弱，跟蹤環路檢測時間較小時，失鎖概率較大，因此，必須加大檢測時間，但電文數據位反轉會影響其跟蹤，本文提出了一種考慮電文反轉的極弱信號碼精確跟蹤方法。

跟蹤過程如圖4所示：①跟蹤開始時，采用滑動檢測方法，利用最大值方法檢測電文同步點。②用20ms數據采取超前、及時、滯后三路進行精確跟蹤，得出碼相位。

解算過程如下：

（1）滑動檢測與電文bit同步：采用1ms數據滑動，比較其20ms積分值大小，確定最大值，即出現電文bit同步。

其中，L為1ms采樣點數。

若有，，則為電文比特同步點。

（2）碼相位精確跟蹤：對20ms數據進行超前、及時、滯后三路積分，其處理過程如圖5所示。

3 BDS動態數據驗證

3.1 數據準備

（1）用BD模擬器配置一個動態場景，即有一個加速度為0.2g，信號強度為-157dBm，采集30s的數據，同時導出多普勒參數；修改場景時間或地點以采集信號強度為-157dBm的不同靜態場景數據，共采集30個數據。（2）在（1）的基礎上將信號強度修改為-158dBm，共采集30個數據，每個數據長度為30s。（3）在（1）的基礎上將加速度修改為0.25g，共采集30個數據，每個數據長度為30s。（4）在（3）的基礎上將信號強度配置為-158dBm，共采集30個數據，每個數據長度為30s。

3.2 測試方法

在跟蹤模塊中配置衛星序列號（待測數據中該衛星可見）以及配置中頻，即中頻配置為：數據中頻+初始多普勒+x（x表示：捕獲模塊檢測出來的頻率與真實頻率的偏差為x；這里x設置為0和4），配置對齊的偽碼（這里配置為8），導入待測數據到跟蹤模塊，運行，導出相關參數：采樣點、相關值、相關值峰值、峰值對應的采樣點、頻率偏差。采樣點作為橫坐標，相關值作為縱坐標繪圖，看其是否有明顯峰值。

3.3 測試通過判定

（1）加速度為0.2g時頻率偏差小于或等于5Hz（數據是0.2g，即10Hz/s，跟蹤需要用500ms的時間進行數據處理，則多普勒變化的范圍為0～5Hz，但用于計算頻率偏差的多普勒是初始多普勒，因此這里用5Hz作為判定界限），加速度為0.25g時頻率偏差小于或等于 6.25Hz；（2）在偽碼對齊的采樣點時相關值出現明顯的峰值。

3.4 測試結果（如表1）

4 結語

本文分析了傳統GNSS信號的跟蹤技術，面對新增加的GNSS衛星，不乏軌道高度較高的衛星出現的衛星信號較弱的情況，容易導致跟蹤失效等情況，針對如何有效抑制載波跟蹤環路檢測概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測與補償的載波精確跟蹤方法；當跟蹤環路檢測時間較小時，失鎖概率較大，因而需要加大檢測時間，但同時考慮電文數據位反轉會影響其跟蹤，提出了一種考慮電文反轉的極弱信號碼精確跟蹤方法，利用BDS數據進行動態驗證，結果表明新方法相對傳統跟蹤方法，性能得到一定的改進，可以達到預期的效果。

參考文獻：

[1]RapidIO Trade Association. RapidIO interconnect specification rev. 2.0[EB/OL].[2010-05-06].http：∥www.rapidio.org .

[2]Tundra Semiconductor Corporation.Tsi578 serial Rapid IO switch user manual [EB/OL].[2010-05-12].http：∥www.tundra.com.

[3]王玫，顏勇，張慧峰等.基于雙Duffing振子差分的微弱信號頻率檢測[J].電路與系統學報，2010，15（2）：118-121.DOI：10.3969/j.issn.1007-0249.2010.02.021.

[4]金力，崔驍偉，陸明泉等.帶相位和頻率反饋環路的GNSS弱信號跟蹤技術研究[J].武漢大學學報-信息科學版，2011，36（4）：418-421.endprint