新的微弱GPS信号快速捕获算法

　　0 引言

　　当前GPS作为全球性卫星导航系统的应用范围越来越广，而其在弱信号环境下的接收技术研究，受到紧急救援和未来军事需求的刺激已经成为研究热点。其中，高灵敏度接收技术在GPS接收机中的应用，由于不受环境和条件的限制尤为受到重视。在高灵敏度GPS接收机中，由于捕获算法处在基带处理的最前端，因此高效的微弱GPS信号捕获算法是提高高灵敏度GPS接收机性能的关键。通常的弱信号环境比室外信号强

　　度低约20～30 dB，载噪比小于28 dB-Hz，故被视为弱信号，高灵敏度GPS接收机主要通过信号处理算法来获得高的信号处理增益。本文分析了主要信号累积技术的优缺点，讨论了弱信号环境下GPS信号检测值的概率统计分布特性，在此基础上结合快速相干累积算法，提出了利用帧同步信息的微弱GPS信号捕获算法，并分析了其可行性。通过仿真验证和实际数据测试，证明算法可行有效。

　　1 GPS信号模型及特性

　　实际到达接收机的中频数字信号中包含着L1及L2载波的完整信息，在弱信号的C/A码捕获研究中，忽略P码及L2载波进行分析，可采用下式：

　　式中：为信号幅值;D(·)为数据位;τ为数据位延迟;C(·)为PRN码;η为码速率多普勒变化率;τ0为输入信号的码相位延迟;ωm为载波标称频率;ωd为载波多普勒频移;φ0为载波初始相位;n(·)为等效输入的带限白噪声。

　　按照基本的捕获流程，接收的数字中频信号经过载波剥离和C/A码进行相关，再进行相干累积和非相干累积后输出一个幅值V，当幅值V超过预定的捕获门限时判决捕获成功。其中，信号经过相干累积后I，Q支路可表示为：

　　式中：a为信号的幅值;τp为本地搜索C/A码与接收C/A码之间的相位差;fe为接收载波与本地载波之间的频率差;φe为两载波之间的相位差;Tcoh为相干累积时长;nI和nQ分别代表I支路和Q支路上的噪声，其功率σn2为：

　　即噪声功率与相干累积时长成反比，从一个方面揭示了弱信号捕获算法中，相干累积能提高信噪比的原因。

　　理论上捕获门限可以根据虚警概率和信号检测幅值概率的分布关系，计算出理论上的捕获门限，但由于实际当中信号检测幅值的概率分布关系相当复杂，因而实际当中对捕获门限很少根据理论进行设置，而是通过相对捕获门限来完成捕获判决。

　　根据捕获幅值的统计特性可知，在弱GPS信号环境下根据单次的捕获结果进行门限判决，产生误判的概率非常大。如果对多次捕获的结果进行统计比较，进行相对捕获判决就可以克服这种不足，从而提高捕获算法性能。