孔吉++鄧寧++雍雯

【摘 要】 由于衛(wèi)星軌道高度較高，容易造成GNSS衛(wèi)星信號(hào)較弱，針對(duì)傳統(tǒng)載波跟蹤環(huán)路檢測(cè)概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)妮d波精確跟蹤方法；針對(duì)跟蹤環(huán)路檢測(cè)時(shí)間較小時(shí)，失鎖概率較大，提出了一種考慮電文反轉(zhuǎn)的極弱信號(hào)碼精確跟蹤方法，分別闡述方法的原理及跟蹤極弱信號(hào)的過(guò)程，最后使用BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果表明新方法能夠解決極弱GNSS信號(hào)的正確跟蹤的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】 極弱 GNSS信號(hào) 跟蹤 載波 電文

衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)作為全球發(fā)展最快的信息產(chǎn)業(yè)之一，越來(lái)越受到國(guó)家及戰(zhàn)略性建設(shè)的重視，雖然全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的信息資源，但對(duì)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(wèi)星接收機(jī)來(lái)接收、跟蹤GNSS導(dǎo)航信號(hào)（包括GPS、GLONASS、BD等多模信號(hào)），目前GNSS接收機(jī)正在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在高精度精密導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)極弱環(huán)境下的定位，高靈敏度的導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)，其包含高靈敏度信號(hào)捕獲和高靈敏度信號(hào)跟蹤兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本文主要研究極弱信號(hào)的精密跟蹤技術(shù)。

1 極弱GNSS信號(hào)特點(diǎn)

極弱GNSS信號(hào)往往是由于信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)，信號(hào)衰減大造成的。根據(jù)信號(hào)傳播衰減公式：

可知其信號(hào)強(qiáng)度約為<-150dBm。以某項(xiàng)目中研發(fā)的針對(duì)特殊軌道位置所接收的GNSS信號(hào)為例，接收信號(hào)普遍處于發(fā)射天線主瓣邊緣，其信號(hào)覆蓋區(qū)的強(qiáng)度變化非常大，可達(dá)到20dB左右，信號(hào)的遠(yuǎn)近效應(yīng)很大。

由于衛(wèi)星軌道高度較高，而造成的GNSS衛(wèi)星信號(hào)較弱的現(xiàn)象，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)信號(hào)跟蹤環(huán)路采用增加積分時(shí)間來(lái)提高跟蹤概率，在導(dǎo)航電文誤碼率較大時(shí)實(shí)現(xiàn)起來(lái)有較大難度，環(huán)路失鎖概率較大，因此必須研究極微弱信號(hào)精確跟蹤實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2 極弱GNSS信號(hào)高靈敏度跟蹤方法

對(duì)于極其微弱的GNSS信號(hào)，傳統(tǒng)的載波跟蹤環(huán)路檢測(cè)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(cè)與補(bǔ)償?shù)妮d波精確跟蹤方法。

2.1 載波精確跟蹤方法

跟蹤過(guò)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(nèi)，使得檢測(cè)分辨率在1Hz以內(nèi)，通過(guò)時(shí)間壓縮因子在5ms時(shí)間內(nèi)精確檢測(cè)多普勒頻率。

其檢測(cè)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(hào)檢測(cè)器，鎖定Duffing混沌振子，通過(guò)窄帶濾波器與跟蹤環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)精確跟蹤，如圖3所示。

對(duì)于極微弱GNSS信號(hào)采用20ms檢測(cè)積分時(shí)間進(jìn)行檢相處理。其步驟如下：（1）采用Duffing混沌振子陣列進(jìn)行頻率檢測(cè)，當(dāng)頻率>1Hz時(shí)繼續(xù)采用Duffing混沌振子陣列進(jìn)行頻率檢測(cè)，直到頻率<1Hz時(shí)進(jìn)入相位跟蹤環(huán)路；（2）GNSS信號(hào)進(jìn)行下變頻，到載波多普勒頻率偏差<1Hz，進(jìn)入低頻窄帶濾波器，提高信噪比；（3）進(jìn)行載波檢相與跟蹤。

2.2 碼精確跟蹤方法

考慮到由于信號(hào)極其微弱，跟蹤環(huán)路檢測(cè)時(shí)間較小時(shí)，失鎖概率較大，因此，必須加大檢測(cè)時(shí)間，但電文數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)會(huì)影響其跟蹤，本文提出了一種考慮電文反轉(zhuǎn)的極弱信號(hào)碼精確跟蹤方法。

跟蹤過(guò)程如圖4所示：①跟蹤開(kāi)始時(shí)，采用滑動(dòng)檢測(cè)方法，利用最大值方法檢測(cè)電文同步點(diǎn)。②用20ms數(shù)據(jù)采取超前、及時(shí)、滯后三路進(jìn)行精確跟蹤，得出碼相位。

解算過(guò)程如下：

（1）滑動(dòng)檢測(cè)與電文bit同步：采用1ms數(shù)據(jù)滑動(dòng)，比較其20ms積分值大小，確定最大值，即出現(xiàn)電文bit同步。

其中，L為1ms采樣點(diǎn)數(shù)。

若有，，則為電文比特同步點(diǎn)。

（2）碼相位精確跟蹤：對(duì)20ms數(shù)據(jù)進(jìn)行超前、及時(shí)、滯后三路積分，其處理過(guò)程如圖5所示。

3 BDS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）用BD模擬器配置一個(gè)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，即有一個(gè)加速度為0.2g，信號(hào)強(qiáng)度為-157dBm，采集30s的數(shù)據(jù)，同時(shí)導(dǎo)出多普勒參數(shù)；修改場(chǎng)景時(shí)間或地點(diǎn)以采集信號(hào)強(qiáng)度為-157dBm的不同靜態(tài)場(chǎng)景數(shù)據(jù)，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)。（2）在（1）的基礎(chǔ)上將信號(hào)強(qiáng)度修改為-158dBm，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30s。（3）在（1）的基礎(chǔ)上將加速度修改為0.25g，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30s。（4）在（3）的基礎(chǔ)上將信號(hào)強(qiáng)度配置為-158dBm，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30s。

3.2 測(cè)試方法

在跟蹤模塊中配置衛(wèi)星序列號(hào)（待測(cè)數(shù)據(jù)中該衛(wèi)星可見(jiàn)）以及配置中頻，即中頻配置為：數(shù)據(jù)中頻+初始多普勒+x（x表示：捕獲模塊檢測(cè)出來(lái)的頻率與真實(shí)頻率的偏差為x；這里x設(shè)置為0和4），配置對(duì)齊的偽碼（這里配置為8），導(dǎo)入待測(cè)數(shù)據(jù)到跟蹤模塊，運(yùn)行，導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)：采樣點(diǎn)、相關(guān)值、相關(guān)值峰值、峰值對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)、頻率偏差。采樣點(diǎn)作為橫坐標(biāo)，相關(guān)值作為縱坐標(biāo)繪圖，看其是否有明顯峰值。

3.3 測(cè)試通過(guò)判定

（1）加速度為0.2g時(shí)頻率偏差小于或等于5Hz（數(shù)據(jù)是0.2g，即10Hz/s，跟蹤需要用500ms的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則多普勒變化的范圍為0～5Hz，但用于計(jì)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(shí)頻率偏差小于或等于 6.25Hz；（2）在偽碼對(duì)齊的采樣點(diǎn)時(shí)相關(guān)值出現(xiàn)明顯的峰值。

3.4 測(cè)試結(jié)果（如表1）

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)GNSS信號(hào)的跟蹤技術(shù)，面對(duì)新增加的GNSS衛(wèi)星，不乏軌道高度較高的衛(wèi)星出現(xiàn)的衛(wèi)星信號(hào)較弱的情況，容易導(dǎo)致跟蹤失效等情況，針對(duì)如何有效抑制載波跟蹤環(huán)路檢測(cè)概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)妮d波精確跟蹤方法；當(dāng)跟蹤環(huán)路檢測(cè)時(shí)間較小時(shí)，失鎖概率較大，因而需要加大檢測(cè)時(shí)間，但同時(shí)考慮電文數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)會(huì)影響其跟蹤，提出了一種考慮電文反轉(zhuǎn)的極弱信號(hào)碼精確跟蹤方法，利用BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，結(jié)果表明新方法相對(duì)傳統(tǒng)跟蹤方法，性能得到一定的改進(jìn)，可以達(dá)到預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)：

[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(hào)頻率檢測(cè)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，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(huán)路的GNSS弱信號(hào)跟蹤技術(shù)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)-信息科學(xué)版，2011，36（4）：418-421.endprint

【摘 要】 由于衛(wèi)星軌道高度較高，容易造成GNSS衛(wèi)星信號(hào)較弱，針對(duì)傳統(tǒng)載波跟蹤環(huán)路檢測(cè)概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)妮d波精確跟蹤方法；針對(duì)跟蹤環(huán)路檢測(cè)時(shí)間較小時(shí)，失鎖概率較大，提出了一種考慮電文反轉(zhuǎn)的極弱信號(hào)碼精確跟蹤方法，分別闡述方法的原理及跟蹤極弱信號(hào)的過(guò)程，最后使用BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果表明新方法能夠解決極弱GNSS信號(hào)的正確跟蹤的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】 極弱 GNSS信號(hào) 跟蹤 載波 電文

衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)作為全球發(fā)展最快的信息產(chǎn)業(yè)之一，越來(lái)越受到國(guó)家及戰(zhàn)略性建設(shè)的重視，雖然全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的信息資源，但對(duì)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(wèi)星接收機(jī)來(lái)接收、跟蹤GNSS導(dǎo)航信號(hào)（包括GPS、GLONASS、BD等多模信號(hào)），目前GNSS接收機(jī)正在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在高精度精密導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)極弱環(huán)境下的定位，高靈敏度的導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)，其包含高靈敏度信號(hào)捕獲和高靈敏度信號(hào)跟蹤兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本文主要研究極弱信號(hào)的精密跟蹤技術(shù)。

1 極弱GNSS信號(hào)特點(diǎn)

極弱GNSS信號(hào)往往是由于信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)，信號(hào)衰減大造成的。根據(jù)信號(hào)傳播衰減公式：

可知其信號(hào)強(qiáng)度約為<-150dBm。以某項(xiàng)目中研發(fā)的針對(duì)特殊軌道位置所接收的GNSS信號(hào)為例，接收信號(hào)普遍處于發(fā)射天線主瓣邊緣，其信號(hào)覆蓋區(qū)的強(qiáng)度變化非常大，可達(dá)到20dB左右，信號(hào)的遠(yuǎn)近效應(yīng)很大。

由于衛(wèi)星軌道高度較高，而造成的GNSS衛(wèi)星信號(hào)較弱的現(xiàn)象，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)信號(hào)跟蹤環(huán)路采用增加積分時(shí)間來(lái)提高跟蹤概率，在導(dǎo)航電文誤碼率較大時(shí)實(shí)現(xiàn)起來(lái)有較大難度，環(huán)路失鎖概率較大，因此必須研究極微弱信號(hào)精確跟蹤實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2 極弱GNSS信號(hào)高靈敏度跟蹤方法

對(duì)于極其微弱的GNSS信號(hào)，傳統(tǒng)的載波跟蹤環(huán)路檢測(cè)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(cè)與補(bǔ)償?shù)妮d波精確跟蹤方法。

2.1 載波精確跟蹤方法

跟蹤過(guò)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(nèi)，使得檢測(cè)分辨率在1Hz以內(nèi)，通過(guò)時(shí)間壓縮因子在5ms時(shí)間內(nèi)精確檢測(cè)多普勒頻率。

其檢測(cè)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(hào)檢測(cè)器，鎖定Duffing混沌振子，通過(guò)窄帶濾波器與跟蹤環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)精確跟蹤，如圖3所示。

對(duì)于極微弱GNSS信號(hào)采用20ms檢測(cè)積分時(shí)間進(jìn)行檢相處理。其步驟如下：（1）采用Duffing混沌振子陣列進(jìn)行頻率檢測(cè)，當(dāng)頻率>1Hz時(shí)繼續(xù)采用Duffing混沌振子陣列進(jìn)行頻率檢測(cè)，直到頻率<1Hz時(shí)進(jìn)入相位跟蹤環(huán)路；（2）GNSS信號(hào)進(jìn)行下變頻，到載波多普勒頻率偏差<1Hz，進(jìn)入低頻窄帶濾波器，提高信噪比；（3）進(jìn)行載波檢相與跟蹤。

2.2 碼精確跟蹤方法

考慮到由于信號(hào)極其微弱，跟蹤環(huán)路檢測(cè)時(shí)間較小時(shí)，失鎖概率較大，因此，必須加大檢測(cè)時(shí)間，但電文數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)會(huì)影響其跟蹤，本文提出了一種考慮電文反轉(zhuǎn)的極弱信號(hào)碼精確跟蹤方法。

跟蹤過(guò)程如圖4所示：①跟蹤開(kāi)始時(shí)，采用滑動(dòng)檢測(cè)方法，利用最大值方法檢測(cè)電文同步點(diǎn)。②用20ms數(shù)據(jù)采取超前、及時(shí)、滯后三路進(jìn)行精確跟蹤，得出碼相位。

解算過(guò)程如下：

（1）滑動(dòng)檢測(cè)與電文bit同步：采用1ms數(shù)據(jù)滑動(dòng)，比較其20ms積分值大小，確定最大值，即出現(xiàn)電文bit同步。

其中，L為1ms采樣點(diǎn)數(shù)。

若有，，則為電文比特同步點(diǎn)。

（2）碼相位精確跟蹤：對(duì)20ms數(shù)據(jù)進(jìn)行超前、及時(shí)、滯后三路積分，其處理過(guò)程如圖5所示。

3 BDS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）用BD模擬器配置一個(gè)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，即有一個(gè)加速度為0.2g，信號(hào)強(qiáng)度為-157dBm，采集30s的數(shù)據(jù)，同時(shí)導(dǎo)出多普勒參數(shù)；修改場(chǎng)景時(shí)間或地點(diǎn)以采集信號(hào)強(qiáng)度為-157dBm的不同靜態(tài)場(chǎng)景數(shù)據(jù)，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)。（2）在（1）的基礎(chǔ)上將信號(hào)強(qiáng)度修改為-158dBm，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30s。（3）在（1）的基礎(chǔ)上將加速度修改為0.25g，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30s。（4）在（3）的基礎(chǔ)上將信號(hào)強(qiáng)度配置為-158dBm，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30s。

3.2 測(cè)試方法

在跟蹤模塊中配置衛(wèi)星序列號(hào)（待測(cè)數(shù)據(jù)中該衛(wèi)星可見(jiàn)）以及配置中頻，即中頻配置為：數(shù)據(jù)中頻+初始多普勒+x（x表示：捕獲模塊檢測(cè)出來(lái)的頻率與真實(shí)頻率的偏差為x；這里x設(shè)置為0和4），配置對(duì)齊的偽碼（這里配置為8），導(dǎo)入待測(cè)數(shù)據(jù)到跟蹤模塊，運(yùn)行，導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)：采樣點(diǎn)、相關(guān)值、相關(guān)值峰值、峰值對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)、頻率偏差。采樣點(diǎn)作為橫坐標(biāo)，相關(guān)值作為縱坐標(biāo)繪圖，看其是否有明顯峰值。

3.3 測(cè)試通過(guò)判定

（1）加速度為0.2g時(shí)頻率偏差小于或等于5Hz（數(shù)據(jù)是0.2g，即10Hz/s，跟蹤需要用500ms的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則多普勒變化的范圍為0～5Hz，但用于計(jì)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(shí)頻率偏差小于或等于 6.25Hz；（2）在偽碼對(duì)齊的采樣點(diǎn)時(shí)相關(guān)值出現(xiàn)明顯的峰值。

3.4 測(cè)試結(jié)果（如表1）

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)GNSS信號(hào)的跟蹤技術(shù)，面對(duì)新增加的GNSS衛(wèi)星，不乏軌道高度較高的衛(wèi)星出現(xiàn)的衛(wèi)星信號(hào)較弱的情況，容易導(dǎo)致跟蹤失效等情況，針對(duì)如何有效抑制載波跟蹤環(huán)路檢測(cè)概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)妮d波精確跟蹤方法；當(dāng)跟蹤環(huán)路檢測(cè)時(shí)間較小時(shí)，失鎖概率較大，因而需要加大檢測(cè)時(shí)間，但同時(shí)考慮電文數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)會(huì)影響其跟蹤，提出了一種考慮電文反轉(zhuǎn)的極弱信號(hào)碼精確跟蹤方法，利用BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，結(jié)果表明新方法相對(duì)傳統(tǒng)跟蹤方法，性能得到一定的改進(jìn)，可以達(dá)到預(yù)期的效果。

參考文獻(xiàn)：

[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(hào)頻率檢測(cè)[J].電路與系統(tǒng)學(xué)報(bào)，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(huán)路的GNSS弱信號(hào)跟蹤技術(shù)研究[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)-信息科學(xué)版，2011，36（4）：418-421.endprint

【摘 要】 由于衛(wèi)星軌道高度較高，容易造成GNSS衛(wèi)星信號(hào)較弱，針對(duì)傳統(tǒng)載波跟蹤環(huán)路檢測(cè)概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)妮d波精確跟蹤方法；針對(duì)跟蹤環(huán)路檢測(cè)時(shí)間較小時(shí)，失鎖概率較大，提出了一種考慮電文反轉(zhuǎn)的極弱信號(hào)碼精確跟蹤方法，分別闡述方法的原理及跟蹤極弱信號(hào)的過(guò)程，最后使用BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，結(jié)果表明新方法能夠解決極弱GNSS信號(hào)的正確跟蹤的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】 極弱 GNSS信號(hào) 跟蹤 載波 電文

衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)作為全球發(fā)展最快的信息產(chǎn)業(yè)之一，越來(lái)越受到國(guó)家及戰(zhàn)略性建設(shè)的重視，雖然全球定位系統(tǒng)的衛(wèi)星發(fā)送的導(dǎo)航定位信號(hào)，是一種可供無(wú)數(shù)用戶共享的信息資源，但對(duì)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(wèi)星接收機(jī)來(lái)接收、跟蹤GNSS導(dǎo)航信號(hào)（包括GPS、GLONASS、BD等多模信號(hào)），目前GNSS接收機(jī)正在各行各業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。在高精度精密導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)中，為了實(shí)現(xiàn)極弱環(huán)境下的定位，高靈敏度的導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)逐漸成為研究的熱點(diǎn)，其包含高靈敏度信號(hào)捕獲和高靈敏度信號(hào)跟蹤兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，本文主要研究極弱信號(hào)的精密跟蹤技術(shù)。

1 極弱GNSS信號(hào)特點(diǎn)

極弱GNSS信號(hào)往往是由于信號(hào)傳播距離遠(yuǎn)，信號(hào)衰減大造成的。根據(jù)信號(hào)傳播衰減公式：

可知其信號(hào)強(qiáng)度約為<-150dBm。以某項(xiàng)目中研發(fā)的針對(duì)特殊軌道位置所接收的GNSS信號(hào)為例，接收信號(hào)普遍處于發(fā)射天線主瓣邊緣，其信號(hào)覆蓋區(qū)的強(qiáng)度變化非常大，可達(dá)到20dB左右，信號(hào)的遠(yuǎn)近效應(yīng)很大。

由于衛(wèi)星軌道高度較高，而造成的GNSS衛(wèi)星信號(hào)較弱的現(xiàn)象，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)信號(hào)跟蹤環(huán)路采用增加積分時(shí)間來(lái)提高跟蹤概率，在導(dǎo)航電文誤碼率較大時(shí)實(shí)現(xiàn)起來(lái)有較大難度，環(huán)路失鎖概率較大，因此必須研究極微弱信號(hào)精確跟蹤實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

2 極弱GNSS信號(hào)高靈敏度跟蹤方法

對(duì)于極其微弱的GNSS信號(hào)，傳統(tǒng)的載波跟蹤環(huán)路檢測(cè)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(cè)與補(bǔ)償?shù)妮d波精確跟蹤方法。

2.1 載波精確跟蹤方法

跟蹤過(guò)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(nèi)，使得檢測(cè)分辨率在1Hz以內(nèi)，通過(guò)時(shí)間壓縮因子在5ms時(shí)間內(nèi)精確檢測(cè)多普勒頻率。

其檢測(cè)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(hào)檢測(cè)器，鎖定Duffing混沌振子，通過(guò)窄帶濾波器與跟蹤環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)精確跟蹤，如圖3所示。

對(duì)于極微弱GNSS信號(hào)采用20ms檢測(cè)積分時(shí)間進(jìn)行檢相處理。其步驟如下：（1）采用Duffing混沌振子陣列進(jìn)行頻率檢測(cè)，當(dāng)頻率>1Hz時(shí)繼續(xù)采用Duffing混沌振子陣列進(jìn)行頻率檢測(cè)，直到頻率<1Hz時(shí)進(jìn)入相位跟蹤環(huán)路；（2）GNSS信號(hào)進(jìn)行下變頻，到載波多普勒頻率偏差<1Hz，進(jìn)入低頻窄帶濾波器，提高信噪比；（3）進(jìn)行載波檢相與跟蹤。

2.2 碼精確跟蹤方法

考慮到由于信號(hào)極其微弱，跟蹤環(huán)路檢測(cè)時(shí)間較小時(shí)，失鎖概率較大，因此，必須加大檢測(cè)時(shí)間，但電文數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)會(huì)影響其跟蹤，本文提出了一種考慮電文反轉(zhuǎn)的極弱信號(hào)碼精確跟蹤方法。

跟蹤過(guò)程如圖4所示：①跟蹤開(kāi)始時(shí)，采用滑動(dòng)檢測(cè)方法，利用最大值方法檢測(cè)電文同步點(diǎn)。②用20ms數(shù)據(jù)采取超前、及時(shí)、滯后三路進(jìn)行精確跟蹤，得出碼相位。

解算過(guò)程如下：

（1）滑動(dòng)檢測(cè)與電文bit同步：采用1ms數(shù)據(jù)滑動(dòng)，比較其20ms積分值大小，確定最大值，即出現(xiàn)電文bit同步。

其中，L為1ms采樣點(diǎn)數(shù)。

若有，，則為電文比特同步點(diǎn)。

（2）碼相位精確跟蹤：對(duì)20ms數(shù)據(jù)進(jìn)行超前、及時(shí)、滯后三路積分，其處理過(guò)程如圖5所示。

3 BDS動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

3.1 數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

（1）用BD模擬器配置一個(gè)動(dòng)態(tài)場(chǎng)景，即有一個(gè)加速度為0.2g，信號(hào)強(qiáng)度為-157dBm，采集30s的數(shù)據(jù)，同時(shí)導(dǎo)出多普勒參數(shù)；修改場(chǎng)景時(shí)間或地點(diǎn)以采集信號(hào)強(qiáng)度為-157dBm的不同靜態(tài)場(chǎng)景數(shù)據(jù)，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)。（2）在（1）的基礎(chǔ)上將信號(hào)強(qiáng)度修改為-158dBm，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30s。（3）在（1）的基礎(chǔ)上將加速度修改為0.25g，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30s。（4）在（3）的基礎(chǔ)上將信號(hào)強(qiáng)度配置為-158dBm，共采集30個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為30s。

3.2 測(cè)試方法

在跟蹤模塊中配置衛(wèi)星序列號(hào)（待測(cè)數(shù)據(jù)中該衛(wèi)星可見(jiàn)）以及配置中頻，即中頻配置為：數(shù)據(jù)中頻+初始多普勒+x（x表示：捕獲模塊檢測(cè)出來(lái)的頻率與真實(shí)頻率的偏差為x；這里x設(shè)置為0和4），配置對(duì)齊的偽碼（這里配置為8），導(dǎo)入待測(cè)數(shù)據(jù)到跟蹤模塊，運(yùn)行，導(dǎo)出相關(guān)參數(shù)：采樣點(diǎn)、相關(guān)值、相關(guān)值峰值、峰值對(duì)應(yīng)的采樣點(diǎn)、頻率偏差。采樣點(diǎn)作為橫坐標(biāo)，相關(guān)值作為縱坐標(biāo)繪圖，看其是否有明顯峰值。

3.3 測(cè)試通過(guò)判定

（1）加速度為0.2g時(shí)頻率偏差小于或等于5Hz（數(shù)據(jù)是0.2g，即10Hz/s，跟蹤需要用500ms的時(shí)間進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，則多普勒變化的范圍為0～5Hz，但用于計(jì)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(shí)頻率偏差小于或等于 6.25Hz；（2）在偽碼對(duì)齊的采樣點(diǎn)時(shí)相關(guān)值出現(xiàn)明顯的峰值。

3.4 測(cè)試結(jié)果（如表1）

4 結(jié)語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)GNSS信號(hào)的跟蹤技術(shù)，面對(duì)新增加的GNSS衛(wèi)星，不乏軌道高度較高的衛(wèi)星出現(xiàn)的衛(wèi)星信號(hào)較弱的情況，容易導(dǎo)致跟蹤失效等情況，針對(duì)如何有效抑制載波跟蹤環(huán)路檢測(cè)概率低，提出了一種采用基于Duffing混沌振子的多普勒檢測(cè)與補(bǔ)償?shù)妮d波精確跟蹤方法；當(dāng)跟蹤環(huán)路檢測(cè)時(shí)間較小時(shí)，失鎖概率較大，因而需要加大檢測(cè)時(shí)間，但同時(shí)考慮電文數(shù)據(jù)位反轉(zhuǎn)會(huì)影響其跟蹤，提出了一種考慮電文反轉(zhuǎn)的極弱信號(hào)碼精確跟蹤方法，利用BDS數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，結(jié)果表明新方法相對(duì)傳統(tǒng)跟蹤方法，性能得到一定的改進(jìn)，可以達(dá)到預(yù)期的效果。

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