弱信號GNSS接收機技術研究

白玉棟　彭少磊

摘要：本文圍繞如何實現GNSS接收機在弱信號條件下定位的問題，從弱信號的捕獲、跟蹤和定位解算三個方面展開研究，在軟件接收機平臺上開展了GNSS民用頻點的弱信號接收技術實驗驗證，為弱信號GNSS接收機的研發及設計提供了依據。

關鍵詞：弱信號；全比特補零；信號跟蹤

中圖分類號：TN965.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）04-0119-02

1 前言

GNSS信號到達接收機時已經非常微弱，信號總是淹沒于噪聲中。以GPS為例，GPS衛星距離地球表面超過20000公里，信號發射功率約為27W，信號到達接收機天線時的功率不足-123dBm，其功率典型值為-128.5dBm[1]。將功率低于-142dBm的GNSS信號統稱為弱信號。在弱信號環境下，接收機將無法定位，必須采用相應的弱信號捕獲、跟蹤和定位解算技術才能實現定位。本文針對有NH碼調制的BDSB1民用信號和無NH碼調制的GPSL1民用頻點就弱信號接收機的捕獲、跟蹤與定位解算等關鍵技術技術展開研究。

2 弱信號捕獲

捕獲是接收機實現定位的第一步，在捕獲階段要完成可見星搜索，并對它們的碼相位和載波頻率進行粗略估計。弱GNSS信號捕獲的關鍵即規避數據跳變。針對上述問題國內外諸多研究機構對弱信號捕獲進行了研究并取得了一定的成果，PsiakiML提出了捕獲微弱信號的半比特算法和全比特算法[2]，Elders-BollH將差分相干技術引入到GPS信號捕獲[3]。

對于調制NH碼的GNSS信號，半比特算法、差分相干技術均不再適用。目前北斗弱信號捕獲的主要方法仍是匹配濾波算法和全比特算法，全比特補零算法不僅可規避數據跳變，還可以保證NH碼的對齊。

2.1 全比特補零算法

全比特補零算法的根據是任意40ms的接收信號內總存在一個完整的導航數據位（20ms），對本地信號補零與40ms的接收信號移位循環相關，最終可實現20ms的相關積分，此時NH碼和測距碼均對齊。

實現過程：（1）讀取40ms接收到的中頻信號數據；（2）生成20ms調制有NH碼和C/A碼本地信號，按照信號采樣率補20ms的0；（3）本地信號分別與接收信號做相干積分；（4）回溯文件指針20ms，繼續讀取40ms數據進行（1）（2）（3），重復L次；（5）對相干積分結果做非相干累積（6）搜索非相干積分結果的相關峰，并與給定閾值比較來判斷是否捕獲到衛星。

2.2 室內BDS信號捕獲實驗

在地下車庫采集了BDS弱信號進行了捕獲實驗。首先非相干積分次數設置為20，此時捕獲到34號和8號星；然后設置非相干積分次數設置為40，13號星被捕獲，但相關峰不明顯；直到60次非相干積分時13號星才有明顯的相關峰；非相干積分次數為120時，捕獲到3顆星。BDS弱信號捕獲相關峰處的碼相位和頻移表1所示。

實驗條件下，估算捕獲到的3顆星信號功率分別為-152.5±2，-154.8±2，-150.8±2dBm，結果證明全比特補零算法在弱信號環境下的有效性。

3 弱信號跟蹤

在捕獲完成后，接收機對信號的載波頻率和偽碼相位有了初步的估計，但是接收機與衛星之間的相對運動造成載波頻率和偽碼相位的時刻變化，跟蹤階段要對載波頻率與相位以及測距碼碼率與碼相位實時精確估計，分別通過載波跟蹤環和碼環實現。針對導航電文調制數據位影響鑒相器的鑒相范圍和相干積分時長的問題，設計了基于非相干結構的跟蹤環。

3.1 基于非相干結構的弱信號跟蹤環

在捕獲過程中即可完成位同步，因此IQ支路可以進行和數據位等長的相干積分。IQ支路的噪聲信號方差相同，對噪聲方差進行歸一化則：

（1）

（2）

的極大似然估計為：

（3）

采用上述方法進行鑒相時稱鑒相器為極大似然鑒相器，極大似然鑒相器是一種與數據位無關的鑒相器。

3.2 室內GNSS信號跟蹤實驗

采用非相干結構的弱信號跟蹤環對在車庫捕獲到的衛星信號進行了跟蹤實驗，載躁比估計的方法參考了文獻[4]。圖1-3所示顯示BDS13和GPS2的頻率差基本為一條直線，證明了跟蹤結果的正確性。

4 弱信號定位

GNSS定位的主要方式有偽距定位和載波相位定位，后者多用于事后的高精度定位，一般而言偽距定位應用的更加廣泛。偽距定位的一般流程是：接收機從跟蹤結果中解碼導航電文和時間信息，并完成碼相位的測量，根據解碼的時間信息組裝信號發射時刻，然后計算偽距并平差計算位置。弱信號條件下導航電文誤碼率高，觀測到的衛星數目有限、衛星幾何結構差，都將造成無法定位或定位精度不高。

VanDiggelen提出了一種信號發射時刻恢復算法[5]，信號發射時刻的恢復是有偏恢復，將偏差作為參數進行位置解算，這種定位方法稱作粗時段導航。粗時段導航需要觀測到至少五顆衛星才能定位，增加了定位的必要觀測數，但是隨著GNSS系統的不斷發展，可用的導航定位衛星越來越多，可考慮采用多系統組合定位來增加觀測量。

室內GPS/BDS信號的定位實驗。在地下車庫進行了弱信號靜態定位實驗，捕獲和跟蹤的衛星只有7顆，其中3顆BDS衛星和4顆GPS衛星。捕獲方法為全比特補零算法，跟蹤方式為基于非相干結構的跟蹤環，定位方法為BDS/GPS粗時段導航。參與定位的BDS和GPS衛星的星空圖如圖4所示，從圖中可以看出7顆衛星有6顆高度角為60°以上，且分布很不均勻，衛星的幾何結構極差。通過高程輔助等來增加觀測量，使用氣壓計對車庫的海拔進行了測定并轉換為大地高。圖5所示可以看出有高程輔助時定位坐標在N方向的分布明顯較無高程輔助時更密集，在衛星幾何結構較差時引入新的觀測量是一種提高定位精度的比較有效的方法。E方向內符合精度為34.828m，N方向33.799m，以高程精度為5m，此時位置精度約50m。

5 結語

本文圍繞弱信號GNSS接收機關鍵技術展開了研究，在軟件接收機平臺上采用全比特補零算法捕獲，基于非相干結構的跟蹤環跟蹤方式，BDS/GPS粗時段導航偽距定位方法，進行地下車庫定位實驗，通過高程輔助增加觀測量以降低觀測方程的PDOP值，最終實現了極弱信號條件下約50m精度的GNSS定位。

參考文獻

[1]ICD G. Navstar GPS Space Segment/navigation User Interfaces， interface specification[R]. [S.l.]： IS-GPS-200E El Segundo， CA， USA， 2010.

[2]Psiaki M L. Block Acquisition of Weak GPS Signals in a Software Receiver[C]// Proceedings of the ION GPS， 2001：2838-2850.

[3]Elders-Boll H， Dettmar U. Efficient differentially coherent code/Doppler acquisition of weak GPS signals[C]// IEEE Eighth International Symposium on Spread Spectrum Techniques and Applications， 2004：731-735.

[4]謝鋼.GPS原理與接收機設計[M].北京：電子工業出版社，2009.

[5]Van Diggelen F. Method and apparatus for time-free processing of GPS signals： US， EP2256510[P]. 2010.