《電子技術(shù)應(yīng)用》
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GPS弱信號(hào)的半比特差分捕獲算法
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第3期
裘 勛， 盧艷娥
空軍工程大學(xué) 電訊工程學(xué)院，陜西 西安710077
摘要： 針對(duì)微弱信號(hào)情況下，傳統(tǒng)的信號(hào)捕獲方法不能很好地捕獲到衛(wèi)星信號(hào)的問(wèn)題,提出一種半比特差分捕獲算法，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱GPS信號(hào)的捕獲。同時(shí)與半比特交替算法進(jìn)行了比較。通過(guò)對(duì)一組GPS數(shù)據(jù)信息的捕獲仿真實(shí)驗(yàn)，比較捕獲效果。結(jié)果顯示，這種新算法可以捕獲到微弱的GPS信號(hào)，提高了接收機(jī)的靈敏度。
關(guān)鍵詞： GPS 捕獲 半比特 差分相干
中圖分類(lèi)號(hào)： TN967.1
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)03-0106-04
Half bits differential acquisition algorithm for GPS weak signals
Qiu Xun， Lu Yan′e
College of Telecommunication Engineering, Air Force Engineering University, Xi’an 710077, China
Abstract： Signal acquisition is the key phase of GPS signal processing. Sometimes, GPS signals are too weak to be received or processed by traditional methods for GPS signals. Nowadays，differential coherent method as a new method for acquisition has been widely used. This paper presents a half bits differential acquisition algorithm for weak signals, and compares the algorithm with alternating half bits algorithm. A GPS data is used to simulate these algorithms, and make a comparison between them. The result shows that the new algorithm can capture the GPS weak signals successfully, and improve the sensitivity of receivers.
Key words : GPS; acquisition; half bits; difference coherent

    普通GPS接收機(jī)只能在信號(hào)接收條件較好的情況下工作，而在城市峽谷、隧道、高樓內(nèi)等環(huán)境下，由于遮擋物的穿透損耗，信號(hào)強(qiáng)度往往都會(huì)有較大的衰減，使得普通的接收機(jī)不能正常捕獲GPS信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位功能[1]。究其原因，在開(kāi)放的天空下，GPS信號(hào)較強(qiáng)，載噪比C/N0(carrier noise ratio)一般高于44 dB-Hz，而在室內(nèi)環(huán)境下，C/N0均在44 dB-Hz以下。隨著軟件無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，研制具有弱GPS信號(hào)捕獲能力的高靈敏度GPS軟件接收機(jī)越來(lái)越有必要。

    目前，實(shí)現(xiàn)弱GPS信號(hào)的捕獲算法有很多。參考文獻(xiàn)[2]介紹了兩種微弱信號(hào)的捕獲算法：半比特交替算法和全比特法；參考文獻(xiàn)[3]介紹了一種最大似然比特同步算法；參考文獻(xiàn)[4]介紹了一種估計(jì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)最佳組合的圓周相關(guān)法。上述這些算法的目的都在于消除導(dǎo)航數(shù)據(jù)位20 ms跳變的影響,加長(zhǎng)相干累積時(shí)間,提高信噪比，從而實(shí)現(xiàn)捕獲。
    本文首先分析了半比特交替算法和差分相干法，然后結(jié)合兩種方法的特點(diǎn),提出了半比特差分捕獲算法,并在最后對(duì)半比特交替算法和半比特差分捕獲算法進(jìn)行仿真比較。
1 微弱信號(hào)的捕獲算法
1.1 微弱信號(hào)捕獲原理
    對(duì)于正常的GPS信號(hào)，只需1 ms長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)(即一個(gè)C/A碼周期)就可以實(shí)現(xiàn)捕獲，而當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度較弱時(shí)，就無(wú)法有效地檢測(cè)到信號(hào)。這時(shí)可以把相鄰C/A碼周期的相關(guān)值累加起來(lái),進(jìn)行相干積分，提高信噪比增益，從而檢測(cè)出微弱信號(hào)，這就是微弱信號(hào)的捕獲原理。
    相干積分利用了C/A碼的強(qiáng)自相關(guān)性[5]。對(duì)某段長(zhǎng)度的輸入信號(hào)與本地生成的某顆衛(wèi)星C/A碼，相對(duì)不同的碼相位間進(jìn)行相關(guān)計(jì)算，如果最大相關(guān)峰值超過(guò)預(yù)設(shè)閾值，則說(shuō)明捕獲到了這顆衛(wèi)星。
    相干積分的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
    
   

2 改進(jìn)的捕獲算法
    在半比特交替算法中用到了相干累積和非相干累積，但是這兩種積分方式有著不可避免的缺點(diǎn)。相干累積由于受導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變的影響，一般累積長(zhǎng)度不得大于20 ms，否則累計(jì)值就有可能抵消減小；非相干累積雖然克服了數(shù)據(jù)跳變的影響，但是平方運(yùn)算會(huì)帶來(lái)平方損耗，有可能使加長(zhǎng)非相干積分時(shí)間所帶來(lái)的提升信噪比優(yōu)點(diǎn)抵不上由此帶來(lái)的超長(zhǎng)捕獲時(shí)間的缺點(diǎn)。
　　半比特差分捕獲算法充分結(jié)合了半比特交替算法和差分相干法的特點(diǎn)，避免了非相干累積，克服了噪聲的平方增益，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：
    取相互延遲1 ms的11組導(dǎo)航數(shù)據(jù)，對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行10 ms長(zhǎng)度的分塊，則只有一組的相鄰分塊處在同一數(shù)據(jù)位，將每組分塊標(biāo)記為Ymn(m=1,2,3,…,11,n=1,2,3…），分組分塊過(guò)程如圖3所示。然后，將每組的奇數(shù)分塊與它后面的一個(gè)偶數(shù)分塊差分相關(guān)，即與偶數(shù)分塊的復(fù)數(shù)共軛相乘，同時(shí)接收機(jī)內(nèi)部復(fù)制的C/A碼也與其延后10 ms的復(fù)數(shù)共軛相乘，最后再讓兩者進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算并分組求和，其過(guò)程表示如下：
    

 


    從圖4可以看出,在載噪比為30 dB-Hz的情況下，兩種方法都能順利捕獲信號(hào)，其中半比特差分算法的捕獲效果較好，對(duì)噪聲的抑制明顯，原因在于半比特交替算法本質(zhì)上還是非相干累積,進(jìn)行平方運(yùn)算時(shí)，噪聲也成倍增長(zhǎng)。
    圖5為兩種方法對(duì)25 dB-Hz信號(hào)的捕獲效果。從圖5可以看出，在載噪比為25 dB-Hz的情況下，兩種方法能夠捕獲信號(hào)，但是半比特交替算法的信噪比已經(jīng)大大降低，而半比特差分算法的對(duì)噪聲抑制較好，捕獲效果明顯。

    圖6為兩種方法對(duì)20 dB-Hz信號(hào)的捕獲效果。從圖6可以看出，在載噪比為20 dB-Hz的情況下，半比特交替算法不能捕獲信號(hào)，半比特差分算法仍能捕獲到信號(hào)，噪聲抑制較好。

    兩種算法在不同載噪比條件下的檢測(cè)概率如圖7所示，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為100 ms。在相同檢測(cè)概率條件下，半比特差分算法的捕獲能力要優(yōu)于半比特交替算法。在70%的檢測(cè)概率條件下，半比特差分算法相比半比特交替算法性能要優(yōu)化大約6 dB-Hz。在載噪比為20 dB-Hz的條件下，半比特差分算法的檢測(cè)概率為87%。

    本文介紹了一種捕獲弱GPS信號(hào)的半比特差分算法，并通過(guò)仿真與半比特交替算法進(jìn)行了比較。半比特交替算法可以捕獲載噪比為25 dB-Hz的弱信號(hào),而半比特差分算法可以捕獲載噪比為20 dB-Hz的弱信號(hào),新算法有效地提高了GPS軟件接收機(jī)的捕獲靈敏度。
參考文獻(xiàn)
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