新的微弱GPS信號快速捕獲算法
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捕獲方案基本流程如下：
(1)數據讀取。將中頻采樣數據按固定的8比特160 ms的長(cháng)度，逐次讀取，每次延遲1 ms的數據位。
(2)快速累積。對數據進(jìn)行交替半比特相干累積，并將結果分為奇偶兩組。
(3)相關(guān)運算。將第(2)步所得兩組數據分別與本地幀同步碼進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)運算。
(4)碼并行捕獲。與幀同步碼相關(guān)后的數據進(jìn)行碼并行捕獲運算，嘗試尋找接收數據的C／A碼初相與載波頻點(diǎn)。
(5)數據分析。估計數據比特的翻轉位置，判斷幀同步碼是否出現。
(6)捕獲判決。如果當前數據組的捕獲峰值超過(guò)捕獲門(mén)限，則輸出對當前衛星的捕獲結果；否則等待幀同步信息出現，再比較捕獲峰值是否超過(guò)捕獲門(mén)限。如捕獲時(shí)間超過(guò)6 s，則結束對當前衛星的搜索。
(7)延遲控制。默認情況數據讀取起始位置比上次延遲20 ms。當數據分析估計出數據比特翻轉位置時(shí)，則根據估計結果，對讀取數據的位置在默認值上進(jìn)行整數個(gè)毫秒的調整。
(8)互相關(guān)抑制。當某顆衛星的檢測信號峰值遠遠大于捕獲門(mén)限時(shí)，則認為接收信號中存在著(zhù)強衛星信號，為了減少該信號在捕獲過(guò)程中對其他弱GPS信號的影響，在成功捕獲該強GPS信號后，對其進(jìn)行互相關(guān)抑制。
精細捕獲是為了驗證相對捕獲的準確性，進(jìn)一步提高捕獲的精度。由于，當信號中出現幀同步碼時(shí)才會(huì )有較高的相關(guān)能量值和峰值，因而進(jìn)行的精細捕獲所用數據是包含幀同步信息的一段，并且正確估計了比特翻轉的位置，所以精細捕獲就可以通過(guò)進(jìn)一步延長(cháng)相干累積時(shí)間來(lái)捕獲較弱的GPS信號。
4 方案具體實(shí)現
4．1 可見(jiàn)衛星預測
GPS接收機冷啟動(dòng)捕獲衛星信號時(shí)，搜索衛星是一個(gè)耗時(shí)的過(guò)程。弱信號環(huán)境下的衛星搜索將會(huì )耗費更多的時(shí)間，因而通過(guò)對衛星可見(jiàn)性的預測來(lái)減少搜索衛星的數目，對高靈敏度GPS接收機具有較大實(shí)際意義。
由于高靈敏度GPS的應用多數是低速運動(dòng)的環(huán)境，加上當前GPS衛星軌道的穩定性大為提高。因而假定接收機在某個(gè)大的地域之內，根據已知的衛星歷書(shū)(最長(cháng)有效期為半年)得到GPS衛星的仰角，從而估計出可見(jiàn)衛星的顆數。根據仰角可得到最佳衛星搜索的次序，從而提高衛星搜索的效率。經(jīng)過(guò)對衛星可見(jiàn)性的預測，僅需搜索十幾顆衛星，比默認的盲搜索衛星的數目大為減少。
4．2 相干累積時(shí)長(cháng)限制
由前面的式(2)和式(3)可知，接收載波與復制載波間的頻率差fe會(huì )在檢測量V中引入值為|sinc(feTcoh)|的損耗，這會(huì )增大信號檢測的漏警率和降低信號捕獲的靈敏度。通常將相干積分的頻率誤差損耗限制在3dB之內，此時(shí)對應|sinc0.443 |=0．7071，即|feTcoh|0．443。在僅考慮多普勒頻移造成的頻率差時(shí)：
由此計算出相干累積時(shí)長(cháng)Tcoh不應超過(guò)0．69s。
4．3 數據分析
本捕獲方案中，通過(guò)對多段數據直接進(jìn)行疊加，再利用幀同步信息的自相關(guān)特性來(lái)提高信號的處理增益，但未知數據翻轉依然限制著(zhù)相干累積的性能。根據文獻提出的比特翻轉估計方法，通過(guò)比較相關(guān)運算的幅值能量大小來(lái)估計數據比特翻轉位置。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/155855.htm
由圖4可知，當對一組8 b數據進(jìn)行交替半比特相干累積后，數據比特翻轉要么在奇數組數據中，要么在偶數組數據中。對于存在數據比特翻轉的數據組，其相關(guān)運算的幅值能量應當小于另外一組。
式中：pow(n)為第n組數據的相干累積后幅值能量。
由于幀同步信息具有自相關(guān)特性，當處理的一組數據中含有幀同步碼時(shí)，捕獲運算的相關(guān)幅值能量pow(n)應明顯高于其他組。同時(shí)由于對接收信號進(jìn)行了幀同步碼和C／A碼兩級相關(guān)運算，捕獲結果的峰值也應當高于其他數據組。因此根據pow(n)和捕獲運算峰值的大小，可以在完成捕獲的同時(shí)估計出幀同步信息的位置。
4．4 互相關(guān)抑制
目前主要的四類(lèi)互相關(guān)抑制技術(shù)有：多門(mén)限檢測法、多峰檢測法、扣除法、子空間投影法。對互相關(guān)的處理思想，要么是判斷相關(guān)結果主峰是否是由互相關(guān)引起的，從而決定對結果的取舍；要么通過(guò)一定的方法計算出強信號的互相關(guān)結果，進(jìn)而從信號中消除互相關(guān)干擾的影響。文獻提出的互相關(guān)減去法，都是基于對強信號相關(guān)值進(jìn)行估計后，再將其從接收信號相關(guān)值中減去的方式來(lái)消除互相關(guān)的影響，需要計算強信號的多個(gè)相關(guān)值，計算量很大?？鄢▌t是在載波和偽碼剝離前，基帶數字信號處理模塊先在接收信號中扣除強信號成分。該方法的思路和實(shí)現比較簡(jiǎn)單，可以利用后級跟蹤環(huán)路的信息進(jìn)行實(shí)現。
總體而言，在GPS弱信號捕獲中，互相關(guān)干擾的抑制存在著(zhù)較大的難度。由于本捕獲方案中使用了多級的捕獲門(mén)限設置，因而具有一定的抗互相關(guān)干擾的能力。所以在這里采用扣除法的思想，通過(guò)重構強信號的方法將接收信號中的強信號成分消除?；ハ嚓P(guān)干擾消去法的基本原理如圖5所示。
5 性能仿真與實(shí)測結果
在Matlab環(huán)境下進(jìn)行仿真分析，可以準確地控制仿真數據的信噪比，從而準確地評估算法的性能。GPS數字中頻的產(chǎn)生，噪聲帶寬Bn按C／A碼信號頻譜主峰帶寬2．046 MHz選取，從而在信號中加入功率為-140 dBW的高斯白噪聲，通過(guò)控制信號幅值產(chǎn)生任意信噪比的仿真信號。仿真信號的中頻頻率為1．25 MHz，采樣頻率為5MHz，捕獲程序從仿真數據任意位置開(kāi)始讀取數據。當信噪比SNR=-42dB時(shí)，本方案對6s的仿真數據進(jìn)行捕獲?？煽闯?，當捕獲運算中沒(méi)有進(jìn)行數據分析和結果處理時(shí)，無(wú)法找到明顯的峰值，如圖6所示；通過(guò)數據比特翻轉位置估計和數據分析，捕獲結果可以獲得明顯的相關(guān)峰值，如圖7所示。
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