极弱GNSS信号精确跟踪技术研究

【摘 要】 由于卫星轨道高度较高，容易造成GNSS卫星信号较弱，针对传统载波跟踪环路检测概率低，提出了一种采用基于Duffing混沌振子的多普勒检测与补偿的载波精确跟踪方法；针对跟踪环路检测时间较小时，失锁概率较大，提出了一种考虑电文反转的极弱信号码精确跟踪方法，分别阐述方法的原理及跟踪极弱信号的过程，最后使用BDS数据进行动态数据验证，结果表明新方法能够解决极弱gnss信号的正确跟踪的问题。

【关键词】 极弱 GNSS信号 跟踪 载波 电文

卫星导航产业作为全球发展最快的信息产业之一，越来越受到国家及战略性建设的重视，虽然全球定位系统的卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源，但对于陆地、海洋和空间的广大用户而言，需要能够确定地面空间位置的卫星接收机来接收、跟踪GNSS导航信号（包括GPS、GLONASS、BD等多模信号），目前GNSS接收机正在各行各业中得到广泛应用。在高精度精密导航产业中，为了实现极弱环境下的定位，高灵敏度的导航接收机技术逐渐成为研究的热点，其包含高灵敏度信号捕获和高灵敏度信号跟踪两项关键技术，本文主要研究极弱信号的精密跟踪技术。

1 极弱GNSS信号特点

极弱GNSS信号往往是由于信号传播距离远，信号衰减大造成的。根据信号传播衰减公式：

可知其信号强度约为

由于卫星轨道高度较高，而造成的GNSS卫星信号较弱的现象，根据经验信号跟踪环路采用增加积分时间来提高跟踪概率，在导航电文误码率较大时实现起来有较大难度，环路失锁概率较大，因此必须研究极微弱信号精确跟踪实现技术。

2 极弱GNSS信号高灵敏度跟踪方法

对于极其微弱的GNSS信号，传统的载波跟踪环路检测概率极其低，不能满足载波剥离要求，因此，本文首先提出一种采用基于Duffing混沌振子的多普勒检测与补偿的载波精确跟踪方法。

2.1 载波精确跟踪方法

跟踪过程如图1所示。

（1）基于Duffing混沌振子频率跟踪方法：利用分层Duffing混沌振子阵列算法，振子参考频率选取在100Hz以内，使得检测分辨率在1Hz以内，通过时间压缩因子在5ms时间内精确检测多普勒频率。

其检测流程如图2所示。

（2）相位精确跟踪方法：采用Duffing混沌振子作为跟踪信号检测器，锁定Duffing混沌振子，通过窄带滤波器与跟踪环路，可以实现精确跟踪，如图3所示。

对于极微弱GNSS信号采用20ms检测积分时间进行检相处理。其步骤如下：（1）采用Duffing混沌振子阵列进行频率检测，当频率>1Hz时继续采用Duffing混沌振子阵列进行频率检测，直到频率

2.2 码精确跟踪方法

考虑到由于信号极其微弱，跟踪环路检测时间较小时，失锁概率较大，因此，必须加大检测时间，但电文数据位反转会影响其跟踪，本文提出了一种考虑电文反转的极弱信号码精确跟踪方法。

跟踪过程如图4所示：①跟踪开始时，采用滑动检测方法，利用最大值方法检测电文同步点。②用20ms数据采取超前、及时、滞后三路进行精确跟踪，得出码相位。

解算过程如下：

（1）滑动检测与电文bit同步：采用1ms数据滑动，比较其20ms积分值大小，确定最大值，即出现电文bit同步。

其中，L为1ms采样点数。

若有，，则为电文比特同步点。

（2）码相位精确跟踪：对20ms数据进行超前、及时、滞后三路积分，其处理过程如图5所示。

3 BDS动态数据验证

3.1 数据准备

（1）用BD模拟器配置一个动态场景，即有一个加速度为0.2g，信号强度为-157dBm，采集30s的数据，同时导出多普勒参数；修改场景时间或地点以采集信号强度为-157dBm的不同静态场景数据，共采集30个数据。（2）在（1）的基础上将信号强度修改为-158dBm，共采集30个数据，每个数据长度为30s。（3）在（1）的基础上将加速度修改为0.25g，共采集30个数据，每个数据长度为30s。（4）在（3）的基础上将信号强度配置为-158dBm，共采集30个数据，每个数据长度为30s。

3.2 测试方法

在跟踪模块中配置卫星序列号（待测数据中该卫星可见）以及配置中频，即中频配置为：数据中频+初始多普勒+x（x表示：捕获模块检测出来的频率与真实频率的偏差为x；这里x设置为0和4），配置对齐的伪码（这里配置为8），导入待测数据到跟踪模块，运行，导出相关参数：采样点、相关值、相关值峰值、峰值对应的采样点、频率偏差。采样点作为横坐标，相关值作为纵坐标绘图，看其是否有明显峰值。

3.3 测试通过判定

（1）加速度为0.2g时频率偏差小于或等于5Hz（数据是0.2g，即10Hz/s，跟踪需要用500ms的时间进行数据处理，则多普勒变化的范围为0～5Hz，但用于计算频率偏差的多普勒是初始多普勒，因此这里用5Hz作为判定界限），加速度为0.25g时频率偏差小于或等于 6.25Hz；（2）在伪码对齐的采样点时相关值出现明显的峰值。

3.4 测试结果（如表1）

4 结语

本文分析了传统GNSS信号的跟踪技术，面对新增加的GNSS卫星，不乏轨道高度较高的卫星出现的卫星信号较弱的情况，容易导致跟踪失效等情况，针对如何有效抑制载波跟踪环路检测概率低，提出了一种采用基于Duffing混沌振子的多普勒检测与补偿的载波精确跟踪方法；当跟踪环路检测时间较小时，失锁概率较大，因而需要加大检测时间，但同时考虑电文数据位反转会影响其跟踪，提出了一种考虑电文反转的极弱信号码精确跟踪方法，利用BDS数据进行动态验证，结果表明新方法相对传统跟踪方法，性能得到一定的改进，可以达到预期的效果。

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