[发明专利]一种基于CSAC的高灵敏度GNSS接收机及重捕获实现方法

权利要求书

1.一种基于CSAC的高灵敏度GNSS接收机的重捕获实现方法，该接收机包括CSAC时钟模块(1)、GNSS天线(2)、射频前端(3)、高灵敏跟踪与重捕获模块(4)、导航解算与辅助参数计算模块(5)和常规基带处理模块(6)；

所述CSAC时钟模块(1)用于提供固定频率的高精度基准信号；

所述GNSS天线(2)接收GNSS空间射频信号，并将信号传输给射频前端(3)；

所述射频前端(3)，基于所述基准信号，对射频信号进行处理，输出数字IF信号；

所述常规基带处理模块(6)，对所述数字IF信号捕获、跟踪、电文解调及载噪比估计；当载噪比估计的结果大于预定的阈值时，接收机保持低灵敏度工作模式，由常规基带处理模块执行捕获和跟踪，否则进入高灵敏度工作模式，由高灵敏度跟踪与捕获模块来执行；

所述高灵敏跟踪与重捕获模块(4)对射频前端输出的数字IF信号进行处理，实现高灵敏度的捕获和跟踪；

所述导航解算与辅助参数计算模块(5)用于为高灵敏跟踪与重捕获模块(4)提供所需的本地码相位估计值和载波多普勒频率估计值；

所述高灵敏跟踪与重捕获模块(4)包括失锁/捕获判决模块(401)、动态估计与补偿模块(402)、延迟单元(403)、相干积分器(404)、积分与清零模块(405)、码NCO(406)、载波NCO(407)、载波频率/码相位误差估计器(408)和乘法器(409)；

码NCO(406)和载波NCO(407)用于根据本地码相位和载波多普勒频率生成本地信号，当进行捕获时，本地码相位和载波多普勒频率由导航解算与辅助参数计算模块(5)提供，当进入跟踪后，本地码相位和载波多普勒频率由载波频率/码相位误差估计器(408)提供；乘法器(409)用于将输入数字IF信号与本地信号逐点相乘，并将结果依次送入积分与清零模块(405)与相干积分器(404)，用于计算相干积分项；相干积分项经过延迟单元(403)和乘法器后得到差分相干累积项；动态估计与补偿模块(402)用于对差分相干累积项估计和补偿多普勒频移率引起的差分累积衰减；失锁/捕获判决模块(401)根据动态估计与补偿模块(402)的输出，判断重捕获是否成功，当未成功捕获时，进行重捕获，当成功捕获时，进入跟踪状态，载波频率/码相位误差估计器(408)根据动态估计与补偿模块(402)的输出，计算载波多普勒频率和码相位；

其特征在于，重捕获步骤具体包括：

步骤一：重捕获参数估计：重捕获参数估计由导航解算与辅助参数计算模块(5)执行，所估计的参数包括本地码相位估计值和载波多普勒频率估计值

计算重捕获驻留时间起始点的信号接收时刻t_tr及其对应信号发射时刻t_t；

t_tr由CSAC维持的时间信息求得：

式中，t_PVT为重捕获驻留时间前一次PVT解算的测量时间；Δt为由CSAC维持的t_PVT至捕获驻留时间起始点的标称时间；为CSAC时间漂移率估计值；

信号发射时刻t_t满足：

|P_PVT-P^s(t_t)|＝(t_tr-t_t)c

式中，P_PVT为t_PVT时刻ECEF坐标系中的接收机位置；P^s(t_t)为发射时刻t_t的卫星位置；c为光速；

通过迭代法，求得t_t，获得t_t后即根据卫星发射信号的固有格式求得该时刻的本地码相位估计值

载波多普勒频率估计值表示为：

式中，为t_tr时刻ECEF坐标系中的接收机速度；为t_t时刻的卫星速度；为卫星与载体间的单位视线矢量；为时钟频率漂移估计值；λ_L1为L1载波的波长；

步骤二：本地信号生成：本地信号由码NCO(406)和载波NCO(407)根据估计得到的和生成，具体为：

由即时码构成的本地信号表达为：

式中，f_IF为数字IF信号的标称中频频率；c_L[·]为导频信号的码序列；为码速率偏移估计；f_L1为标称载波多普勒频率；T_s信号采样周期；

在s_L(n)的基础上，对码相位估计误差进行搜索，需要产生相应的超前和滞后信号为：

式中，Δτ为码相位偏移量，为半个码片；h＝±1,±2…±g为码相位偏移量索引；g根据的估计误差范围确定；

步骤三：相干积分项求取

设接收机收到的数字IF信号为s_IF(n)，将其与2g+1个本地信号相乘，继而通过积分与清零模块(405)以及相干积分器(404)，得到相干积分项为：

式中，K为每个相干积分时间段T_c内的数字IF信号采样点的个数，相干积分时间段T_c取为1毫秒；k为相干积分项的索引；

步骤四：差分相干项求取

在相干积分项Y_k,h的基础上进一步做差分相干，通过延迟单元(403)以及乘法器的操作，得到差分相干项为：

式中，n_k为累积噪声项；δτ_L+h为第h个码相位偏移的估计误差；R(·)为码自相关函数；A为数字IF信号的幅值；为多普勒频移估计误差；δf_d,L为初始多普勒频移误差，为多普勒速率；

步骤五：动态估计与补偿

该步骤由动态估计与补偿模块(402)执行，对每个码相位偏移估计误差δτ_L+h对应的m个差分相干项z_k,h、k＝0,1…m-1执行基于FFT的频谱分析，得到谱分量为：

求(2g+1)×m个X_N,h中的最大值得到：

式中，分别为最大值X_N,h中与N和h对应的索引；则超前和滞后码相位对应的差分相干累积值为：

式中，为超前码相位对应的差分相干累积值；为滞后码相位对应的差分相干累积值；

步骤六：捕获判决

该步骤由所示失锁/捕获判决模块(401)执行，将与预定的捕获门限V_th进行比较，若则表明信号重捕获成功，并进入步骤七；否则认为信号重捕获失败，转入步骤一，继续进行新一轮重捕获操作；

步骤七：载波多普勒频率细化

该步骤由载波频率/码相位误差估计器(408)执行；根据步骤五计算的结果对载波多普勒频率进行修正，得到精细化载波多普勒频率为：

式中，和分别为的实部和虚部；

将载波多普勒频率频移估计值最终的码相位估计值传送给码NCO和载波NCO，接收机进入高灵敏度跟踪环节。