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(shù)據(jù)讀取。將中頻采樣數(shù)據(jù)按固定的8比特160 ms的長度，逐次讀取，每次延遲1 ms的數(shù)據(jù)位。
(2)快速累積。對數(shù)據(jù)進行交替半比特相干累積，并將結(jié)果分為奇偶兩組。
(3)相關(guān)運算。將第(2)步所得兩組數(shù)據(jù)分別與本地幀同步碼進行滑動相關(guān)運算。
(4)碼并行捕獲。與幀同步碼相關(guān)后的數(shù)據(jù)進行碼并行捕獲運算，嘗試尋找接收數(shù)據(jù)的C／A碼初相與載波頻點。
(5)數(shù)據(jù)分析。估計數(shù)據(jù)比特的翻轉(zhuǎn)位置，判斷幀同步碼是否出現(xiàn)。
(6)捕獲判決。如果當前數(shù)據(jù)組的捕獲峰值超過捕獲門限，則輸出對當前衛(wèi)星的捕獲結(jié)果；否則等待幀同步信息出現(xiàn)，再比較捕獲峰值是否超過捕獲門限。如捕獲時間超過6 s，則結(jié)束對當前衛(wèi)星的搜索。
(7)延遲控制。默認情況數(shù)據(jù)讀取起始位置比上次延遲20 ms。當數(shù)據(jù)分析估計出數(shù)據(jù)比特翻轉(zhuǎn)位置時，則根據(jù)估計結(jié)果，對讀取數(shù)據(jù)的位置在默認值上進行整數(shù)個毫秒的調(diào)整。
(8)互相關(guān)抑制。當某顆衛(wèi)星的檢測信號峰值遠遠大于捕獲門限時，則認為接收信號中存在著強衛(wèi)星信號，為了減少該信號在捕獲過程中對其他弱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，進一步提高捕獲的精度。由于，當信號中出現(xiàn)幀同步碼時才會有較高的相關(guān)能量值和峰值，因而進行的精細捕獲所用數(shù)據(jù)是包含幀同步信息的一段，并且正確估計了比特翻轉(zhuǎn)的位置，所以精細捕獲就可以通過進一步延長相干累積時間來捕獲較弱的GPS信號。
4 方案具體實現(xiàn)
4．1 可見衛(wèi)星預測
GPS接收機冷啟動捕獲衛(wèi)星信號時，搜索衛(wèi)星是一個耗時的過程。弱信號環(huán)境下的衛(wèi)星搜索將會耗費更多的時間，因而通過對衛(wèi)星可見性的預測來減少搜索衛(wèi)星的數(shù)目，對高靈敏度GPS接收機具有較大實際意義。
由于高靈敏度GPS的應用多數(shù)是低速運動的環(huán)境，加上當前GPS衛(wèi)星軌道的穩(wěn)定性大為提高。因而假定接收機在某個大的地域之內(nèi)，根據(jù)已知的衛(wèi)星歷書(最長有效期為半年)得到GPS衛(wèi)星的仰角，從而估計出可見衛(wèi)星的顆數(shù)。根據(jù)仰角可得到最佳衛(wèi)星搜索的次序，從而提高衛(wèi)星搜索的效率。經(jīng)過對衛(wèi)星可見性的預測，僅需搜索十幾顆衛(wèi)星，比默認的盲搜索衛(wèi)星的數(shù)目大為減少。
4．2 相干累積時長限制
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會在檢測量V中引入值為|sinc(feTcoh)|的損耗，這會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(nèi)，此時對應|sinc0.443 |=0．7071，即|feTcoh|0．443。在僅考慮多普勒頻移造成的頻率差時：
由此計算出相干累積時長Tcoh不應超過0．69s。
4．3 數(shù)據(jù)分析
本捕獲方案中，通過對多段數(shù)據(jù)直接進行疊加，再利用幀同步信息的自相關(guān)特性來提高信號的處理增益，但未知數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)依然限制著相干累積的性能。根據(jù)文獻提出的比特翻轉(zhuǎn)估計方法，通過比較相關(guān)運算的幅值能量大小來估計數(shù)據(jù)比特翻轉(zhuǎn)位置。本文引用地址：http://www.104case.com/article/155855.htm
由圖4可知，當對一組8 b數(shù)據(jù)進行交替半比特相干累積后，數(shù)據(jù)比特翻轉(zhuǎn)要么在奇數(shù)組數(shù)據(jù)中，要么在偶數(shù)組數(shù)據(jù)中。對于存在數(shù)據(jù)比特翻轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)中含有幀同步碼時，捕獲運算的相關(guān)幅值能量pow(n)應明顯高于其他組。同時由于對接收信號進行了幀同步碼和C／A碼兩級相關(guān)運算，捕獲結(jié)果的峰值也應當高于其他數(shù)據(jù)組。因此根據(jù)pow(n)和捕獲運算峰值的大小，可以在完成捕獲的同時估計出幀同步信息的位置。
4．4 互相關(guān)抑制
目前主要的四類互相關(guān)抑制技術(shù)有：多門限檢測法、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(jié)果主峰是否是由互相關(guān)引起的，從而決定對結(jié)果的取舍；要么通過一定的方法計算出強信號的互相關(guān)結(jié)果，進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)值進行估計后，再將其從接收信號相關(guān)值中減去的方式來消除互相關(guān)的影響，需要計算強信號的多個相關(guān)值，計算量很大。扣除法則是在載波和偽碼剝離前，基帶數(shù)字信號處理模塊先在接收信號中扣除強信號成分。該方法的思路和實現(xiàn)比較簡單，可以利用后級跟蹤環(huán)路的信息進行實現(xiàn)。
總體而言，在GPS弱信號捕獲中，互相關(guān)干擾的抑制存在著較大的難度。由于本捕獲方案中使用了多級的捕獲門限設置，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，通過重構(gòu)強信號的方法將接收信號中的強信號成分消除。互相關(guān)干擾消去法的基本原理如圖5所示。
5 性能仿真與實測結(jié)果
在Matlab環(huán)境下進行仿真分析，可以準確地控制仿真數(shù)據(jù)的信噪比，從而準確地評估算法的性能。GPS數(shù)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(shù)據(jù)任意位置開始讀取數(shù)據(jù)。當信噪比SNR=-42dB時，本方案對6s的仿真數(shù)據(jù)進行捕獲。可看出，當捕獲運算中沒有進行數(shù)據(jù)分析和結(jié)果處理時，無法找到明顯的峰值，如圖6所示；通過數(shù)據(jù)比特翻轉(zhuǎn)位置估計和數(shù)據(jù)分析，捕獲結(jié)果可以獲得明顯的相關(guān)峰值，如圖7所示。
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