复杂应用环境下高动态直接序列扩频信号快速捕获技术研究

Since the direct sequence spread spectrum (DSSS) acquisition technique has been widely used in the high-dynamic field such as satellite communication, unmanned aerial vehicle (UAV) communication, and positioning for satellite and UAV, the requirement for high speed acquisition is increasing. This subject aims at researching a challenging and crucial scientific problem, high-dynamic DSSS acquisition in complex application environment. In order to reduce the algorithm complexity and mean acquisition time, the techniques and approaches of high-dynamic DSSS acquisition are studied based on acquisition problems under different circumstances. In order to acquire the high-dynamic DSSS signal regardless of data modulation, the combined strategy based on cyclostationarity of the received signal to estimate the signal frequency and complex signal phase to estimate code phase is used so that influence between estimated parameters can be suppressed and acquisition efficiency can be improved. To accelerate high-dynamic signal acquisition in a low signal noise ratio (SNR) environment, the differential processing and relationship between frequency points are used to acquire the weak signal with Doppler and Doppler rate. In order to acquire the high-dynamic signal in rapid changes of SNR environment, the combinatorial optimization function is constructed based on the estimated SNR to select the integration time and the detection threshold adaptively. This subject can promote the development of DSSS technique in the high-dynamic field, and provide theoretical basis for the beidou in high dynamic application.

随着直接序列扩频（简称直扩）捕获技术在卫星通信、无人机通信及对卫星和无人机定位等高动态领域的广泛应用，人们对捕获速度要求越来越高。本项目针对复杂环境下高动态直扩接收信号快速捕获这一富有挑战性的重要基础科学问题展开研究。根据不同情况下的捕获问题，以降低算法复杂度和平均捕获时间为目标，开展高动态直扩信号捕获新技术与新方法的研究。采用组合循环平稳性频率预测与基于复信号相位的码相位估计策略，有效地抑制估计参数间相互影响、加快了忽略比特反转情况下的捕获速度；利用差分处理、邻近频点关系压缩捕获具有多普勒和多普勒变化率的弱信号，以加快低信噪比情况下的高动态直扩信号捕获速度；根据估计的信噪比构造组合优化函数，自适应地选取积分时间和阈值，进而估计信号参数，以实现信噪比剧烈变化情况下的高动态信号自适应捕获。此课题研究可以促进直扩捕获技术在高动态领域的发展，为北斗在高动态下的应用提供理论依据。

本项目针对复杂环境下高动态直扩接收信号快速捕获这一富有挑战性的重要基础科学问题展开研究。根据不同情况下的捕获问题，以降低算法复杂度和平均捕获时间为目标，开展高动态直扩信号捕获新技术与新方法的研究，以期促进直扩捕获技术在高动态领域的发展。本研究做出如下研究结果：.为了以低复杂度实现比特翻转情况下GNSS信号捕获，本研究提出了基于特殊块矩阵的捕获方法。由于提出方法有低的复杂度，所以提出方法可以被应用于多星伪随机码捕获中。而且对于多星应用，可以根据虚警概率设定阈值去进一步降低低信噪比情况下搜索复杂度。针对扩频信号快速检测技术，创新性地引入复信号相位估算技术解决具有数据比特翻转的GNSS信号码相位快速估计关键问题，提高了卫导软件接收机首次定位速度，为GNSS特别是北斗导航应用于挑战环境下快速定位提供理论依据。此外，该算法还可以应用于拒址环境下基于扩频信号快速定位系统中，提高信号检测速度。.为了进一步减少高动态弱信号情况下计算负担，创新性地引入两步压缩估计技术解决高动态扩频后相关信号频率参数快速估计关键问题。采用压缩因子在设定阈值检测中。利用这种方式，不用搜索所有可能的频率取值，而且估计精度可以通过简单实数运算实现。实验证明尽管提出方法的检测概率比对比方法低，但是仿真的平均捕获计算量指标，提出方法比对比方法基于快速傅里叶变换方法和离散chirp傅里叶变换要小很多。此技术方法适用于高动态卫导接收机信号捕获模块，为北斗导航应用于高动态领域提供理论依据。.为了改善高动态环境下频率参数估计精度，本课题组提出了一种两步频率参数估计方法。在第一步频率参数初始频率和调频斜率估计中，推导了初始频率和调频斜率搜索步长。在第二步精确估计中，基于最大似然估计进行精确的平均频率估计。实验表明，与传统方法对比，该提出方法提高高动态频率参数估计的检测概率，而且能提升频率参数估计精度。在实践中，该提出方法可以用于北斗信号开环频率参数估计中。