新的微弱GPS信號快速捕獲算法

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　　當(dāng)前GPS作為全球性衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用范圍越來越廣，而其在弱信號環(huán)境下的接收技術(shù)研究，受到緊急救援和未來軍事需求的刺激已經(jīng)成為研究熱點。其中，高靈敏度接收技術(shù)在GPS接收機中的應(yīng)用，由于不受環(huán)境和條件的限制尤為受到重視。在高靈敏度GPS接收機中，由于捕獲算法處在基帶處理的最前端，因此高效的微弱GPS信號捕獲算法是提高高靈敏度GPS接收機性能的關(guān)鍵。通常的弱信號環(huán)境比室外信號強度低約20～30 dB，載噪比小于28 dB-Hz，故被視為弱信號，高靈敏度GPS接收機主要通過信號處理算法來獲得高的信號處理增益。本文分析了主要信號累積技術(shù)的優(yōu)缺點，討論了弱信號環(huán)境下GPS信號檢測值的概率統(tǒng)計分布特性，在此基礎(chǔ)上結(jié)合快速相干累積算法，提出了利用幀同步信息的微弱GPS信號捕獲算法，并分析了其可行性。通過仿真驗證和實際數(shù)據(jù)測試，證明算法可行有效。

　　1 GPS信號模型及特性

　　實際到達接收機的中頻數(shù)字信號中包含著L1及L2載波的完整信息，在弱信號的C/A碼捕獲研究中，忽略P碼及L2載波進行分析，可采用下式：

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　　式中：

　　為信號幅值;D(·)為數(shù)據(jù)位;τ為數(shù)據(jù)位延遲;C(·)為PRN碼;η為碼速率多普勒變化率;τ0為輸入信號的碼相位延遲;ωm為載波標(biāo)稱頻率;ωd為載波多普勒頻移;φ0為載波初始相位;n(·)為等效輸入的帶限白噪聲。

　　按照基本的捕獲流程，接收的數(shù)字中頻信號經(jīng)過載波剝離和C/A碼進行相關(guān)，再進行相干累積和非相干累積后輸出一個幅值V，當(dāng)幅值V超過預(yù)定的捕獲門限時判決捕獲成功。其中，信號經(jīng)過相干累積后I，Q支路可表示為：

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　　式中：a為信號的幅值;τp為本地搜索C/A碼與接收C/A碼之間的相位差;fe為接收載波與本地載波之間的頻率差;φe為兩載波之間的相位差;Tcoh為相干累積時長;nI和nQ分別代表I支路和Q支路上的噪聲，其功率σn2為：

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　　即噪聲功率與相干累積時長成反比，從一個方面揭示了弱信號捕獲算法中，相干累積能提高信噪比的原因。

　　理論上捕獲門限可以根據(jù)虛警概率和信號檢測幅值概率的分布關(guān)系，計算出理論上的捕獲門限，但由于實際當(dāng)中信號檢測幅值的概率分布關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，因而實際當(dāng)中對捕獲門限很少根據(jù)理論進行設(shè)置，而是通過相對捕獲門限來完成捕獲判決。

　　根據(jù)捕獲幅值的統(tǒng)計特性可知，在弱GPS信號環(huán)境下根據(jù)單次的捕獲結(jié)果進行門限判決，產(chǎn)生誤判的概率非常大。如果對多次捕獲的結(jié)果進行統(tǒng)計比較，進行相對捕獲判決就可以克服這種不足，從而提高捕獲算法性能。

　　2 信號累積算法性能分析

　　在微弱GPS信號捕獲算法中，信號累積技術(shù)是提高處理增益的關(guān)鍵。當(dāng)前提高信號處理增益的基本方法為信號累積技術(shù)，可分為三類：相干累積、非相干累積和差分累積。其中，信號經(jīng)相干累積處理獲取的增益效果最佳，但應(yīng)用受到導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特翻轉(zhuǎn)的限制，如累積過程中遇到數(shù)據(jù)比特翻轉(zhuǎn)性能會有所下降;非相干累積和差分累積的提出就是為了克服和減少這種影響，但需付出不同程度的信噪比損失作為代價，并且原始信號越差，它們的信噪比損失越大，因此只能與相干累積結(jié)合使用。目前微弱GPS信號的捕獲算法均是以信號累積理論為基礎(chǔ)，如半比特捕獲算法和全比特捕獲算法，通過估計數(shù)據(jù)比特跳變來進行長相干累積的捕獲算法，以及在對三種數(shù)據(jù)累積技術(shù)分析比較的基礎(chǔ)上提出相干累積與差分檢測相結(jié)合的方法等，這些算法的改進均是為了提高對微弱GPS信號的捕獲性能，使高靈敏度GPS接收機實用化。因而，在此盡量延長相干累積的時間，從而最大限度地提高信號的處理增益，捕獲更加微弱的GPS信號。