微弱GPS信号差分快速捕获算法

摘要：微弱GPS信号的捕获算法，是高灵敏度GPS接收机实用化的关键技术，但通常有效提高GPS信号捕获灵敏度的信号累积技术会消耗大量时间。通过对当前主要弱信号累积技术和捕获算法的分析，在总结其利弊的基础上提出了利用差分累积的微弱GPS信号快速捕获算法，并通过仿真验证了算法性能，利用实际采样数据证实了算法的有效性。关键词：GPS弱信号；捕获；差分累积 当前GPS作为全球性卫星导航系统在各领域的应用受到普遍关注，尤其是在弱信号环境下的接收定位技术研究，受到紧急救援和军事作战需求的刺激已经成为研究热点，其中的高灵敏度接收技术，由于不受环境和条件的限制尤为受到重视。在高灵敏度GPS接收机中，由于信号的捕获处在基带处理的最前端，因此高效的微弱GPS信号捕获算法是提高高灵敏度GPS接收机性能的关键。通常的弱GPS信号比室外信号强度低约20～30 dB，或在载噪比小于28 dB-Hz则被视为弱信号，普通GPS接收机在这种情况下无法工作，高灵敏度GPS接收机主要通过信号处理算法来获得高的信号处理增益。针对高灵敏度接收机在弱信号的捕获过程中耗费大量时间的问题，文章分析了主要信号累积技术的优缺点，讨论了弱信号环境下GPS信号检测值的概率统计分布特性，利用差分相关所独有的一维搜索特性，结合快速相干累积算法提出了一种新的微弱GPS信号快速捕获算法，并分析了其可行性。通过仿真验证和实际数据测测试，证明算法可行有效。1 GPS弱信号模型 到达GPS接收机天线的信号经低噪声放大、带通滤波、变频、A／D转换后得到包含各种干扰的数字中频信号。考虑弱信号捕获当中以研究C／A码为主，忽略P码，则中频信号仿真的数学模型为。 为收信号幅值；Di(t)为卫星i的导航电文；Ci(t)为第i颗卫星对应的C／A码；MP(t)为多径干扰；tion为电离层延时；Td为卫星时钟偏差、星历误差等引起的时延；传输时延表现在接收的信号中导航数据、C／A码和载波相位发生相应变化。同时可根据文献中给出的多普勒频移模型和噪声模型，可对微弱GPS信号的特性进行深入分析，从而设计更有效的捕获算法。2 GPS弱信号累积算法的性能分析 在微弱GPS信号捕获算法中，信号累积技术是提高处理增益的关键。当前基本的信号累积技术可分为3类：相干累积、非相干累积和差分累积，其中信号经相干累积处理获取的增益效果最佳，但其应用受到导航数据比特翻转的限制，如累积过程中遇到数据比特翻转性能会有所下降；非相干累积和差分累积的提出就是为了克服和减少这种影响，但需付出不同程度的信噪比损失作为代价，并且原始信号越差它们的信噪比损失越大，因此只能与相干累积结合使用。目前微弱GPS信号捕获算法均是以信号累积理论为基础，如半比特捕获算法和全比特捕获算法，通过估计数据比特跳变来进行长相干累积的捕获算法，以及在对三种数据累积技术分析比较的基础上提出的相干累积与差分检测相结合的方法等，这些算法的改进均是为了提高对微弱GPS信号的捕获性能，以使高灵敏度GPS接收机实用化。因而，在这里我们尽量延长相干累积的时间，从而最大限度的提高信号的处理增益，捕获更加微弱的GPS信号。2．1 差分累积 差分累积作为一种新的弱信号累积技术，其在高灵敏度接收机中的应用逐渐受到关注。差分累积的相关运算采用比较新颖的差分式相关，然后再将多个周期的相关结果进行对应叠加。差分相关法又称延时相乘法，由于该算法是在复数模型下推导运算的，因而实际当中，首先将传统的I、Q两个支路下变频后的数据，以SIF,I(n)+jSIF,Q(n)的形式构造一个复数型数字中频信号。 差分相关首先将复数数字中频与其延迟后的复数共轭相乘，同时接收机的复制C／A码也与其延迟后的复数共轭相乘，然后用这两个结果进行相关运算。假设某颗卫星的数字中频信号SIF(n)可表示为 是不随时间变化的常数，因而差分后的信号中载波频率也被消除。基于以上原因，差分相关后的数据累积不再受到20 ms导航数据比特的限制，同时由于差分信号中不含载波，在对卫星信号搜索时，可以直接获得接收信号的码相位。载波分量经过差分运算后变为常量，使得相关运算后的数据累积结果不再受多普勒频移的影响，不会因多普勒频差的存在而降低相关峰值。差分相关运算将卫星信号的二维搜索确认过程，变为仅在一维内搜索，因而极大的提高了对卫星信号的搜索确认速度。

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