微弱GPS信号捕获算法研究 GPS信号捕获算法

　　摘要：本文提出了一种改进的分段叠加捕获算法。其具体做法是将接收到的信号分为多段，然后对每段信号进行叠加，再对叠加后的信号做C/A码相关和FFT操作，该算法能够识别-20db信噪比下的GPS信号。论文对该算法进行了仿真与分析，说明该算法具有较高的应用价值。
　　关键词：GPS信号 捕获 C/A码 FFT
　　中图分类号：TN911.4 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0089-02
　　
　　1、引言
　　全球定位系统(GPS)能够为用户提供精确的位置，速度，时间等信息，已经得到了广泛的应用。这种不断增长的个人导航和定位服务的要求，对于一些低信噪比信号的GPS接收机工作提出了迫切的要求。如在隧道的情况下，由于卫星信号非常微弱，很难有效捕捉卫星信号，导致无法正常的定位。因此，在信噪比下GPS信号的捕获有着广阔的发展和应用前景[1]。
　　2、GPS信号捕获算法分析与改进
　　2.1 传统的GPS信号捕获算法介绍
　　这里主要介绍基于FFT的并行捕获算法[1,2]，
　　通常情况下，由于输入信号的C/A码的起始位置是未知的，所以在进行捕获之前，波形实现产生一个伪随机码，这里假设将接收到的模拟信号数字化为5000个点，然后与输入的信号在数字域进行相乘，将相乘得到的结果进行快速傅里叶变换，从而得到其频率。
　　当接收到的为10ms的电文，由于在进行卷积运算的时候，我们需要的电文长度为1ms，即只需要卷积1ms，此外，由于将每个信号数字化为5000点，故需要5000次操作。因此，对于10ms的电文，每次操作需要进行50000个乘积操作和50000次的FFT变换。在20Khz的范围内，只需要201个频率分量，那么需要从计算得到的1.005*10^6个计算结果中进行挑选。所以，当电文长度从1ms变为10ms的时候，计算量的增长是非常明显的。寻找其C/A码的起点位置的时间分辨率为200ns，其基本结构如图1所示。
　　2.2 传统的GPS信号捕获算法的仿真分析
　　由于C/A码长lms，所以至少要用lms的电文来捕获，但在实际中，1ms的电文仍有可能发生导航点相位偏移。因此，使用两组连续的10ms电文来捕获，就保证了在某一组电文中未含有相位偏移。
　　我们将一个信号分为10段，每段则对应与一个CA码片[3]。C/A码是由两个10级反馈移位寄存器构成的Gold码产生。其特征多项式分别为：
　　将产生的GPS信号送入本地接收机，根据图3提供的接收方法进行接收。此外，考虑在实际中，接收到信号的多普勒频率偏移一般在，所以，在本仿真中，我们设置频率搜索的范围上下限为，搜索的步进为。
　　下面的仿真结果为C/A码相位捕获结果，其中峰值的坐标代表捕获得到的C/A码相位抽样码片值。其峰值的坐标分别代表载波频率捕获的值。
　　图2是10db时候的捕获情况。
　　从上面的仿真结果可以看到，对于一般的捕获算法，当SNR=-10db的时候，系统基本无法工作。
　　2.3 改进的GPS信号捕获算法
　　通过上一节的仿真可以看到，当SNR=-10db的时候，系统基本无法正常工作[4]。
　　搜索GPS信号在本质上就是搜索CA码相关峰的过程，但是当噪声较大的时候，相关峰的峰值相对于噪声来讲，就会变小，通过相关峰的叠加，来增强相关峰的信噪比。根据这个思想，本文将提出一种改进的GPS捕获算法，综合考虑信号捕获速度、硬件资源、以及性能方面等问题。算法采用分段FFT的方法进行运算，算法基本结构如图3所示。
　　其中每条支路的算法与传统的算法相同，唯一不同是将一个信号做多段的FFT变换处理。假设这里分段数目为K，那么每个相关器的相关时间为。每个相关器处理的C/A码长度为，然后再对处理后的数据进行FFT变换。由于每个FFT对应的点数仅仅为原来的，故其硬件资源较直接的并行FFT算法要节约。
　　在这种情况下，获得的信号频谱非常差，甚至难以搜索到其峰值。考虑相干累加对噪声没有放大作用，因此，这里通过相干累加来进行处理。得到分段后的FFT，。然后得到的相干累加后的的结果如下式所示：
　　然后对得到的结果取模。当获得超过门限的峰值，则说明此时信号已经捕获，就得到对码相位和多普勒频移估计值，这样做的优点是可以获得峰值更为明显的谱线。
　　2.4 改进后的GPS信号捕获算法的仿真分析
　　这里采用相同的中频信号进行测试，将信噪比加到-20db开始测试，其测试结果如图所示。图4是SNR=-20db的时候的捕获情况。
　　通过上面仿真，可以看到在低信噪比条件下，通过运算，系统还能够捕获GPS信号。相关峰的值与均值的比值较小，噪声毛刺较大，相比较零噪声时的虚部较小结果，强噪声情况下相关结果虚部变大，这说明随着噪声的增强，捕获的概率在逐渐减小，虚警概率在逐渐增加。这里的相关峰，即通过前面加窗的方法进行搜峰，即可得到相关峰的峰值幅度和位置。
　　上面提出的低信噪比信号捕获的方案，在MATLAB中对该方案进行了仿真分析，仿真证明该方案在低信噪比下系统的工性能良好，通过相干累加后的GPS信号捕获算法具有更高的性能，传统的算法只能在信噪比为-10db以内的情况下工作，而改进后的算法可以达到-20db。
　　3、结语
　　针对目前软件GPS接收机运算能力有限，工作环境的局限性，本文提出了一种改进的GPS信号捕获算法，使其能够在低信噪比环境下正常工作。这种新的GPS信号捕获算法是基于分段处理和频谱叠加的思想，使其能够在恶劣的环境下获得明显的算法相关峰，本文通过MATLAB对系统进行了仿真，仿真发现系统能够在SNR=-20db的环境正常工作。
　　本文的研究成果在微弱信号下GPS信号的捕获方面具有较大的参考价值。
　　参考文献
　　[1]Elliott D.Kaplan and Christopher J.Hegarty著[M].寇艳红译.GPS原理与应用.第二版.北京:电子工业出版社,2007.111~224
　　[2]赵昀,张其善.软件GPS接收机架构与捕获算法实现.北京航空航天大学学报.2006,53-56.
　　[3]丁继成,赵琳,余小辉.应用频率误差修正的高灵敏度GPS信号捕获技术[J].哈尔滨工程大学学报, 2009,3(8):887-892.
　　[4]张欣译.弱信号全球导航卫星系统接收机[M].北京:国防工业出版社,2008,253-256.
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