高动态弱信号环境下基于INS的GNSS捕获方法分析

王亚锋，张全全

高动态弱信号环境下基于INS的GNSS捕获方法分析

王亚锋，张全全

（中国电子科技集团公司第二十研究所，西安 710068）

为保证GNSS在挑战环境下的捕获性能，分析了高动态弱信号捕获存在的问题，提出了一种新的INS辅助并行码相位捕获方法，在频域利用INS辅助信息卫星星历/历书数据估计多普勒，缩小频率搜索范围，在码域利用码相位估计及并行码相位搜索的方法，减少码相位搜索时间，最后结合差分相干累积提高捕获灵敏度，实现高动态弱信号的快速捕获。仿真结果表明，该算法能显著提升高动态、弱信号环境下GNSS接收机的捕获性能。

GNSS捕获；高动态；弱信号；INS

0 引言

与GPS信号相比，北斗信号具有更高的比特率范围码的特点，并将诺依曼霍夫曼（Neumann-Hoffman，NH）码调制到中地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）/倾斜地球同步轨道（Inclined Geosynchronous Satellite Orbit，IGSO）卫星信号。这些新的北斗信号调制需要开发更复杂的捕获策略。尤其是在高动态/低信噪比等恶劣环境中，全球卫星导航系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）信号捕获已成为一个重要的研究课题，影响北斗微弱信号捕获的主要问题是高动态、低信噪比特性和符号翻转问题。一般来说，相干积累方法、非相干积累方法和差分相干积累方法是获取弱GNSS信号的有效方法。在延长相干积分时间的同时，提高了捕获的灵敏度。然而，符号翻转对相干积分的影响很大，特别是在北斗信号中，符号翻转每1 ms可能发生一次。非相干积分将导致平方损失。差分积分使用连续的相干积分结果，克服了相干积分和非相干积分的缺点。位符号翻转的存在导致相关峰值分裂损伤，这可能导致捕获检测失败。针对弱北斗信号捕获中的符号翻转问题，提出了一种两步捕获方法，解决了弱北斗信号捕获中的符号翻转问题，保证了弱北斗信号捕获的灵敏度。同时，通过惯性导航系统（Inertial Navigation System，INS）辅助大大缩短多普勒频移估计时间。INS可以提供用户的速度信息，接收机可以下载卫星星历，计算卫星的速度，利用用户和卫星的相对速度信息估计多普勒频移。这样，多普勒搜索范围可以大大缩小。

本文首先介绍了北斗信号采集中的信号模型、高动态模型，其次分析了多普勒和符号翻转对捕获的影响，然后研究了INS辅助的捕获方法，最后进行仿真分析验证了算法的有效性。

1 基本模型

采集系统输入端的信号通常是中频（Intermediate Frequency，IF）信号。IF信号可以写为如式（1）所示：

式中，为运动时间。由速度与多普勒关系可知，

动态运动引起的多普勒频移可表示为：

本地复制信号序列如式（5）所示：

假设相干积分时间为，且无符号翻转，则相干输出为：

2 多普勒及数据翻转的影响

2.1 多普勒影响

码多普勒的影响是：随着相干积分时间的增加，码多普勒会使对码相位的估计出现偏差，并使相关峰出现峰值降低、包络扩展等现象。

载波多普勒的影响是：高动态下的多普勒频偏通常很大，甚至达上百千赫兹，而有时其变化率也有几千赫兹每秒。较大的多普勒频偏及变化率不仅会增大接收机对多普勒频偏的搜索范围，还会增大对多普勒频率的估计误差，甚至影响到伪码同步时的相关峰值。

随着相干积累时间增加，相关值幅度衰减随着多普勒频移估计误差的增加变快，或者说越长时间的相干积累对多普勒频移误差越敏感。

如图1所示，横坐标为多普勒频移，纵坐标为相关峰值。为了能检测到相关峰值，就要将多普勒频率估计误差控制在一定范围内，多普勒频移搜索间隔应尽可能小，这样，在搜索范围不变的情况下搜索次数就会增加，搜索时间也会增加。

2.2 符号翻转影响

基于快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）的捕获方法是非常有效的，但是由于其处理数据块的固有特性，存在数据符号位翻转可能导致相干峰值分裂。对于北斗MEO/IGSO信号，比特翻转可能在1 ms（NF码周期）的任何时间间隔内发生。当接收信号段中存在符号翻转时，相干积分主峰通常沿多普勒频移轴分裂成两个较小的旁瓣。

扩频码和数据码通过异或生成中间码，如图2所示。当数据码为1时，中间码与扩频码相位相反；当数据码为0时，中间码与扩频码相位相同。

图2 数据符号翻转产生机理

在捕获过程中，采用中间码与本地码进行相关。当将1 ms中间码取数据符号翻转位置时，相关峰值将产生分裂。假设存在符号翻转，并且检测到码相位，则相关函数的包络如式（8）所示：

对存在符号翻转情况下的捕获情况进行FFT并行码相位捕获仿真，结果如图3所示。

3 INS辅助

接收机的信号捕获非常耗时，需对各卫星信号码域和频域进行最大范围的二维搜索，其中，频域搜索主要取决于多普勒频移范围。卫星发射的信号频率固定，但卫星和接收机之间存在相对运动，产生多普勒效应，从而使频率发生偏移。对于地面静态接收机，卫星运动引起的载波多普勒频移大约在±5 kHz，对于高动态环境，加速度往往达到几十g，可估算出其多普勒频率变化范围将扩大到±10kHz甚至±15 kHz，传统捕获算法，其效率很低。

由惯性测量单元测得载体在惯性空间中的角速度和加速度，解算出载体的姿态，并转换为大地坐标系的位置速度信息。结合卫星星历完成可见星预测、多普勒频移和码偏移计算后，将其传递给信号搜索控制部分，从而调节本地载波发生器和码发生器，以校正过的载波频率和码相位为中心，开始信号搜捕，可以大大提高捕获效率。

利用INS提供的位置速度，并且获得大致的时间信息，就可以根据卫星星历或历书对可见星进行预测，然后将卫星可见性及高度角设置搜索顺序，提高捕获效率。

码相位取决于信号的传播时间，知道载体与卫星之间的大概距离，可对时间进行估计，从而得到大致的伪码相位，根据估算误差可确定码相位搜索区间，尽而减小码域搜索范围，提高捕获效率。

INS辅助捕获主要是对多普勒频移的估计。INS输出为接收机提供速度和加速度辅助信息，以便在信号捕获之前从接收信号中去除接收器动态，减少在频域的搜索范围，提高捕获效率。

多普勒频移估计公式如式（9）所示：

短期内，卫星速度误差可忽略不计，多普勒估计误差主要来源于INS得到的接收机速度误差，可表示为：

对于不同等级INS器件误差不同，其结果发散不同。一般GNSS捕获多普勒搜索步长为500 Hz（2 ms相干积分时间），对应速度约为100 m/s，如果INS估计的速度误差值大于该值，则此时INS已经无法对载体的动态进行有效速度测量，对应提供的多普勒频率也对 GNSS捕获无辅助作用。由各类INS指标分析可知，INS发散到误差100 m/s时间在1 ～10 min，短时间内，INS测量速度误差远小于100 m/s，根据该速度计算的多普勒结果可以大大减小多普勒频移估计的搜索范围和搜索空间。

4 捕获方法及仿真

从2.2节仿真结果可以看出，数据符号翻转引起的相关峰分裂只发生在多普勒频移域，而在码延迟域，相关峰值位置几乎保持不变。因此，我们采用两步捕获算法：

1）进行FFT并行码相位捕获，找出准确的码相位，其中，相关积分时间取最小数据长度，并采用差分相干积累方法提高捕获灵敏度。

2）由于数据、NH码、扩频码起始点调制对准，在第一步基础上，再次进行捕获，并判断后续数据翻转，在INS辅助的频率范围内搜索多普勒频移，找出准确的多普勒频移。

通过比较相干累积、非相干累积、差分相干累积算法，由于每个时刻都可能发生符号翻转，长相干累积方法难以直接使用，差分相干通过对相邻两个相干结果()和(-1)的共轭乘实现，可以抑制平方损耗，在弱信号环境更有利于提高灵敏度。

针对高动态弱信号场景仿真，参数设置如表1所示。

表1 仿真场景设置

无INS辅助情况下，多次仿真结果如图4所示，长相干累积、差分相干累积和非相干累积的捕获概率依次降低，但由于数据翻转的影响，差分相干累积具有更好的适应性。相较于无INS辅助情况下频域的41次搜索，INS辅助通过一次搜索可实现捕获，大大提高效率。

5 结论

本文针对高动态弱信号环境下导航信号捕获存在的问题（多普勒、数据符号翻转），提出了基于INS辅助的高效捕获方法。利用差分相干累积提高捕获灵敏度，同时利用INS辅助信息，结合卫星星历/历书，缩小捕获搜索空间（卫星搜索、频域、码域），进而实现高效的弱性号捕获。仿真结果表明，该方法有效可行。

[1] Zhu C, Fan X. Weak global navigation satellite system signal acquisition with bit transition[J]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2014, 9: 38-47.

[2] Smidt, J., Ozafrain, S., Roncagliolo, P. A, etal. New Technique for Weak GNSS Signal Acquisition [J]. IEEE Latin America Transactions, 2014, 12: 889-894.

[3] F Wu, S Xu, Z Wu, J Chen . An INS-aided GPS Fast Acquisition Algorithm for High Dynamic Applications [C]. 2017 IEEE International Conference on Imaging Systems and Techniques, 2017.

[4] X He, X Hu, K Tang, etal . Analysis of INS Aided Signal Acquisition Based on Navigation Satellites Software Receivers[C].2009 International Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation, 2009.

[5] 单童. 深组合系统中惯性辅助基带技术研究[D]. 南京：南京理工大学，2014.

Analysis of GNSS Acquisition Method Based on INS in High Dynamic and Weak Signal Environment

WANG Yafeng, ZHANG Quanquan

In order to ensure the acquisition performance of GNSS in challenging environment, the problems existing in high dynamic weak signal acquisition are analyzed and a new ins assisted parallel code phase acquisition method is proposed, which uses ins assisted information and satellite ephemeris/almanac to estimate doppler in frequency domain to reduce the frequency search range, and uses code phase estimation and parallel code phase search in code domain to reduce the code phase search time. This method improved the acquisition sensitivity combined with differential coherent accumulation to realize the fast acquisition of high dynamic weak signals. Simulation results showed that the algorithm can significantly improve the acquisition speed and performance of GNSS receiver in high dynamic and weak signal environment.

GNSS Acquisition; High Dynamic; Weak Signal; INS

TN96

A

1674-7976-(2022)-04-258-06

2022-05-17。

王亚锋（1990.09—），陕西渭南人，硕士研究生，工程师，主要研究方向为卫星导航高精度定位。