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1、GPS信号捕获算法的研究论文导读：这些算法在一定的情况下能较好的捕获GPS弱信号。最耗时的操作就是GPS的信号捕获。弱信号，GPS信号捕获算法的研究。关键词：GPS弱信号，扩频，捕获 目前，全球定位系统(Global Positioning System，GPS )在军事和民用方面得到了越来越广泛的运用，其目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务。在GPS接收机中，最耗时的操作就是GPS的信号捕获。捕获的目的是找到可视卫星、C/A码的相位以及多普勒频移。文献1提供了目前商用GPS接收机的捕获算法，接收信号的功率至少是-170dBW以上。这就限制了GPS在一些环境比
2、较恶劣的情况下的使用，如在隐蔽的街道，茂密的森林，多径干扰的情况。因此文献23，在非辅助信息下，提出了noncoherentpost detectionintegration(NCPDI)、differential postdetectionintegration-absolute value（DPDI-Abs）、differential post detection integration-real part（DPDI-Real）对弱GPS信号的算法。硕士论文，GPS弱信号。文献45提出了Double-Block ZeroPadding（DBZP）、AlternateHalf-Bits AN
3、HBS、Full-bits（FBS）算法。这些算法在一定的情况下能较好的捕获GPS弱信号。1捕获算法的原理GPS信号是基带数据信号经过Gold码（一种伪随机码）扩频后对载波进行BPSK调制的直扩信号。实际上，GPS接收机必须首先复现那颗将由接收机捕获的卫星所发射的PRN码。然后，必须移动这个复现码的相位，直到与卫星的PRN码发生相关为止。当接收机复现码的相位与输入的卫星码的相位相匹配时，有最大相关。当复现码的相位与输入的卫星码相位在任何一边的偏移超过1个码片时，有最小的相关。这就是GPS接收机捕获卫星信号时在码相位域内检测卫星信号的方式，更重的是要知道，GPS也必须在载波相位域内检测卫星，其方
4、法是复现载波频率加多普勒（一般要用这种方法最终获得对卫星信号载波相位的锁定）。这样，GPS信号的捕获过程是二维的（码和载波）信号复现过程12。1.1相干积分捕获算法现有商用GPS接收机的接收信号功率一般在-170dBW以上。-170dBW相当于信噪比为-29dB9，因为2MHz带宽的噪声功率为-141dBW6。在该信号功率情况下，常用的捕获算法结构如下图1：GPS接收机天线接收到的信号包含GPS信号和噪声构成，GPS信号是由50Hz导航数据位调制在1.023MHz码率下的1023个Gold码序列对载波频率L1=1575.42（只考虑在L1频段下的C/A码）MHz采用BPSK调制后的信号文献7。
5、信号经过本地载波分成同相分量和正交分量两条支路。然后分别与本地产生的PN码进行相关运算，其中j为相干积分周期数，N为1ms内采样的个数，L为1码元周期内的码元个数。硕士论文，GPS弱信号。相关积分为。该算法在进行相关运算能提高最有效的信噪比，因为在该相关运算操作下，信号的幅度得到累加即信号的功率得到平方提高，而噪声的功率却得到线性的累加，因此信号经相关过处理后信噪比增益与相关积分时间长度成正比。但该算法中j不能取得数据位的长度，否则数据位的反转会相互抵消相关的累加和，无法检测出信号。由于GPS信号的捕获是个二维搜索过程，相关积分时间越长，在频率上的所捕获的单元越多，计算量显著增加。因此单纯的相
6、关运算无法捕捉较弱的信号，必须采用相关运算与非相干积分相结合的算法以提高捕获的灵敏性，下面中提出了相应的改进算法：1.2 非相干捕获算法由于接收信号与本地载波存在频差，该频差的存在会导致相关积分累加和降低，其累加的幅度与频差的关系为 8,其中为相关积分时间长度，因此在一定条件（过大）下无法检测信号。因此文献23提出了相关积分与非相干累加相结合的方法和差分相关算法：检测后非相关算法（(NCPDI），基于检测后差分相关包络算法（DPDI-Abs）和基于检测后差分相关实部算法（DPDI-Real）为了简单分析问题，假设进行相关运算的时间都是码元周期的整数倍。相应的算法结构为图2：上图2(c)NCPD
7、I捕获策略是多普勒频差的情况下能量检测器的扩展,该算法中统计检测量为：在应用该算法的捕获情况下，能对弱信号进行较好的捕获，在文献9得到验证。但是该算法存在缺陷：非相干累加对相干累加的结果模的平方，再进行第二次累加，进一步提高信噪比，因此，相干累加的时间可以不必设得时间很长，对实际频差的容忍度也较高，频域搜索步长可以放大。但是，非相干累加存在所谓的“平方损失”使信噪比的改善效果大打折扣。因为在非相干累加中，噪声和信号同时被平方，应用较长的数据信号进行捕获时，由于噪声的幅度也被平方，非相干积分的损耗越来越大，不能进一步提高捕获性能，反而增加了大量的计算量。特别在输入信号信噪比在较低的情况下，能量损
8、耗越明显，不利用在微弱信号条件的应用9。进而提出了共轭差分算法模型：图2(a)中DPDI-Abs的统计检测量为,图2(b)中DPDI-Real的统计检测量为，在这两种检测统计量中可以发现，差分相关捕获算法中的“差分”的处理使得算法对导航电文的比特翻转不敏感，差分后的“累加”使算法对相干累加时间长度的要求降低，从而对频差的容忍度较高，捕获时间不会显著增长。另外，差分相关捕获算法中相邻样点的噪声共轭相乘，对噪声的放大相对较小。因此，差分相关捕获算法对信噪比的改善效果优于非相干累加。差分相关算法对弱信号的捕获是一种性能优良的算法。DPDI-Abs和DPDI-Real两种原理一样，后者计算复杂度低一点
9、，前者更符合工程中应用的包络检波。1.3二倍分组块补零（DBZP）二倍分组块补零方法是将捕获P(Y)码的方法应用到捕获微弱C/A信号，主要是指对连续积分将普通循环卷积和后积分傅立叶变换整合来产生不同的多普勒频移搜索， 具体算法流程图3如下：该算法是根据多普勒频移搜索精度，将接收到的m个C/A码长基带信号分块，每个C/A码长周期信号区分的子块数。将相邻子块基带信号合并与对应复现的C/A码补零后进行循环相关，保存第一个子块有用的序列。硕士论文，GPS弱信号。后面m-1个C/A码周期长度信号与前一个周期进行同样的操作运算，如上图3所述。硕士论文，GPS弱信号。硕士论文，GPS弱信号。将保存的序列值与
10、预设门限比较，超过门限，捕获成功，记录标记的码相位和多普勒频移。否则，再取m个C/A码周期的长度的信号进行同样的操作运算，将保存序列与上个保存序列对应的想加，在与门限进行比较。该算法存在缺陷：在所有的多普勒仓上的循环相关运算，仅采用了一个复制码，没有考虑多普勒对码长的影响，这就导致经过较长时间积分后码时延不匹配，相关运算结果随之下降，影响捕获效果。1.4间隔半数据位法(ANHBS)和全数据位法(FBS)间隔半数据位法和全数据位这两种算法都是尽可能利用数据的长度与对复现码进行相关运算进行循环相关运算，以提供信号的处理增益，获得较高的信噪比为后续的解调做好准备。由于接收的信号可能存在导航电文数据位
11、翻转，不能确定导航数据位的边界会降低相关结果，因此降低捕获率。间隔半数据位法在于将导航数据位长度(20ms)6).分成两组，每组10ms，这样必然有组数据相关没有发生数据位翻转。重复操作，将相干结果大的一组进行累加与门限比较，判断捕获成功。全数据位利用数据位的长度进行循环相关，将接收导航数据位长度的信号移位与才C/A码相关，选择相关结果最大与门限比较判断捕获。间隔半数据位法与全数据位法相比，进行相关运算长度较低，多普勒频移步长长于全数据位法的步长，而且采样点数是其一半，FFT运算较快。硕士论文，GPS弱信号。2 微弱信号捕获存在的困难与改进GPS弱信号的捕获存在各种因素的影响，如时钟频率误差，电离层传输时延，多普勒频移和人为干扰的影响，这些都影响了捕获的精度。为了提高捕获效率，需要在这些设备制造工艺上，重要的是在信号处理增益上等到显著的提高，因此，GPS弱信号的捕获需要有待进一步的研究与改进。一种较热的方向是应用捕获军方P(Y)码的算法(DBZP)应用到C/A码的捕获场景中，使得在微弱的GPS信号下有性能较好的捕获效果。参考文献1D.J.R Van Nee, A.Coenen New FastGPS