微弱GPS信號差分快速捕獲算法
加入技術(shù)交流群
2．2 累積算法性能對比
由于3種累積方式的不同特性，在低信噪比環(huán)境下，單獨的使用一種累積方式，很難獲得理想的捕獲性能。為了平衡算法效率與信號捕獲效果，通常是將相干累積與另外兩種累積算法結合使用，或在基本的累積算法基礎上進(jìn)行改進(jìn)，以克服其存在不足，使弱信號累積算法具有更好的性能。
在改善檢測統計量信噪比方面，相干累積的效果是最好的，差分相干累積捕獲算法其次，非相干累積最差。因為相干累積時(shí)信號功率呈平方倍增長(cháng)，噪聲功率僅是線(xiàn)性增長(cháng)，使得信噪比線(xiàn)性提高；差分相關(guān)捕獲算法對相鄰相干累積值的共軛相乘再累積會(huì )使信號部分增強，但信號和噪聲的交叉乘積項成為新的噪聲，它對信噪比的改善不及相干累積；而非相干累積把信號和噪聲作平方處理再累積，由于平方損失
(squaring loss)噪聲部分被放大，對信噪比的改善效果最差。若在低信噪比環(huán)境下應用非相干累積算法，要么檢測性能很差，要么必須通過(guò)大幅增加累積次數來(lái)抬高信噪比，這樣會(huì )延長(cháng)捕獲時(shí)間。
在捕獲時(shí)間方面，相干累積由于sinc(π△fT)中△f的限制，頻域搜索的步長(cháng)較小，頻域搜索次數增多，整個(gè)搜索時(shí)間較長(cháng)。而差分相關(guān)捕獲算法和非相干累積算法都在相干累積后進(jìn)行了第二次累積以提高信噪比，因此，相干累積時(shí)間T可設得較短，△f的限制也可相應放寬，頻域搜索步長(cháng)可加長(cháng)，捕獲時(shí)間比相干累積算法短。
在實(shí)際的算法設計中．都是以1 ms相關(guān)結果矩陣為基本單元。然后根據提高處理增益的累積方式，進(jìn)行累積處理。非相干累積的基礎是相干累積，同樣差分相干累積的基礎也是相干累積。
3 新算法的設計
通過(guò)對導航電文數據的分析，可發(fā)現導航數據編碼規則中，通過(guò)特殊的運算規則使得在幀同步字之前的交接字的最后兩個(gè)比特始終為00，來(lái)保證接收機收到的幀同步信息始終為10001011，因而在接收數據的幀同步位置可預知的接收比特為0010001011共10的比特。綜合考慮算法效率和捕獲靈敏度等綜合因素，利用導航數據中已知的與幀同步相關(guān)的信息和快速相干累積的思想，充分利用差分相關(guān)時(shí)可快速進(jìn)行一維搜索的特性，設計算法整體方案如圖1所示。本文引用地址：http://dyxdggzs.com/article/159694.htm
算法的具體實(shí)現步驟如下：
1)每次控制讀取160 ms的GPS數字中頻數據，并進(jìn)行以10 ms為單位的數據直接疊加；
2)分別將兩組疊加數據與本地10比特幀同步信息進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)，當接收數據當中含有幀同步信息時(shí)，相關(guān)操作會(huì )獲得與之相對應的信號處理增益；
3)將上步獲得的數據與本地C／A碼進(jìn)行差分相關(guān)運算，得到捕獲運算結果；
4)分析捕獲結果，控制數據讀取的位置，從而找到幀同步碼提高信號處理增益；
5)輸出捕獲判決結果。
3．1 數據直接疊加
根據文獻中對傳統相干累積算法的改進(jìn)思路，這里對傳統的查分累積進(jìn)行了類(lèi)似的改進(jìn)，即先直接進(jìn)行數據直接疊加操作，在進(jìn)行相關(guān)運算。通過(guò)使用仿真GPS中頻數據對改進(jìn)后的捕獲相關(guān)運算效果對比發(fā)現，對于相干累積算法，改進(jìn)后的運算時(shí)間僅為傳統算法的1／20，而捕獲峰值略有下降；對于差分累積算法，改進(jìn)后的運算時(shí)間為傳統算法的1／10，而捕獲峰值無(wú)明顯變化。
3．2 捕獲判決
由算法的捕獲步驟可知，算法讀取數據后實(shí)際是對一組10比特數據進(jìn)行交替半比特相干累積，而導航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，其最終捕獲運算的結果幅值能量應當小于另外一組。對于捕獲結果的判決采用成熟的tang搜索算法，其流程如圖2所示。
當捕獲程序對信號進(jìn)行粗捕獲，人為某一搜索單元可能存在衛星信號時(shí)，則使用tang搜索捕獲算法，在同一搜索單元多次搜索對信號進(jìn)行捕獲判決。算初始時(shí)設定一初值K，對設定的一組數據進(jìn)行多次捕獲判決記錄分析，當捕獲幅值V超過(guò)捕獲門(mén)限Vt時(shí)K值加1，否則K值減1，當K=A(A為一設定值)時(shí)，則人為該信號存在，并成功捕獲；當K=0時(shí)，則人為該信號不存在，捕獲失敗。
3．3 差分碼的快速構建
在使用差分相關(guān)算法進(jìn)行捕獲運算時(shí)，由于要構建新的差分碼是捕獲中新增的運算量，因而這里采用文獻中的思想，基于塊處理方法，利用常規數字匹配濾波器捕獲結構進(jìn)行新差分碼的生成。在n和，n-1時(shí)刻CDMF輸出表達式為：
其中，xi為接收到的數字信號，ai為本地偽碼序列。由于本算法采用的是GPS基帶數據保持不動(dòng)、本地偽碼序列作循環(huán)移位結構，故式(5)應改寫(xiě)為
由于C／A碼的周期性可得a0=aN，兩式相減，得到一個(gè)新序列為
顯而易見(jiàn)，差分碼di的取值范圍只有+2、-2和0 3種，當差分碼為0時(shí)，是不需要乘法運算的。在這里將差分碼di中非零各項的位置和數值分別用pj和ej表示，其中j=1～k，K為差分碼di(i=1～N)中非零項的個(gè)數。由文獻的推導，差分碼中數值為0的個(gè)數為2r-1-1(r為PN碼生成多項式的階數)，所以本算法中所需乘法運算的次數K=2r-1，約為CDMF所需數量的1／2。特別是當每個(gè)碼片采樣為M點(diǎn)時(shí)，相乘累加運算量降低為常規方法的I／2M，大大降低了系統所需乘法器的數量。經(jīng)過(guò)對GPS衛星32個(gè)C／A碼序列的分別計算，K取值范圍為480～544，與GPS中頻信號采樣頻率和C／A碼初始相位無(wú)關(guān)。
評論