文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)03-0106-04
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。
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