新的微弱GPS信号快速捕获算法

3 弱信号捕获方案设计

通过对导航电文的格式和编码规则分析，可确定每6 s出现一次的帧同步信息始终为10001011，因而利用已知的具有良好自相关特性的帧同步信息进行弱信号捕获是一个理想选择。总体方案设计如图3所示。

算法中使用了相对捕获的概念，即通过对多次相关峰值的比较，作为粗捕获结果，以此来估计是否存在卫星信号，再根据粗捕获结果进行小范围内的精细捕获。同时利用文献中提出的数据比特翻转估计方法，再与帧同步相关运算相结合，从而使比特翻转估计精度大为提高，可实现更长时间的相干累积，获得较高的信号处理增益。算法突出的特点是捕获过程中对不同强度信号采用不同的捕获流程，强信号快速直接捕获，对相对弱的信号通过较长时间的累积来获得信号。

捕获方案基本流程如下：

(1)数据读取。将中频采样数据按固定的8比特160 ms的长度，逐次读取，每次延迟1 ms的数据位。

(2)快速累积。对数据进行交替半比特相干累积，并将结果分为奇偶两组。

(3)相关运算。将第(2)步所得两组数据分别与本地帧同步码进行滑动相关运算。

(4)码并行捕获。与帧同步码相关后的数据进行码并行捕获运算，尝试寻找接收数据的C／A码初相与载波频点。

(5)数据分析。估计数据比特的翻转位置，判断帧同步码是否出现。

(6)捕获判决。如果当前数据组的捕获峰值超过捕获门限，则输出对当前卫星的捕获结果；否则等待帧同步信息出现，再比较捕获峰值是否超过捕获门限。如捕获时间超过6 s，则结束对当前卫星的搜索。

(7)延迟控制。默认情况数据读取起始位置比上次延迟20 ms。当数据分析估计出数据比特翻转位置时，则根据估计结果，对读取数据的位置在默认值上进行整数个毫秒的调整。

(8)互相关抑制。当某颗卫星的检测信号峰值远远大于捕获门限时，则认为接收信号中存在着强卫星信号，为了减少该信号在捕获过程中对其他弱GPS信号的影响，在成功捕获该强GPS信号后，对其进行互相关抑制。
精细捕获是为了验证相对捕获的准确性，进一步提高捕获的精度。由于，当信号中出现帧同步码时才会有较高的相关能量值和峰值，因而进行的精细捕获所用数据是包含帧同步信息的一段，并且正确估计了比特翻转的位置，所以精细捕获就可以通过进一步延长相干累积时间来捕获较弱的GPS信号。

4 方案具体实现

4．1 可见卫星预测

GPS接收机冷启动捕获卫星信号时，搜索卫星是一个耗时的过程。弱信号环境下的卫星搜索将会耗费更多的时间，因而通过对卫星可见性的预测来减少搜索卫星的数目，对高灵敏度GPS接收机具有较大实际意义。
由于高灵敏度GPS的应用多数是低速运动的环境，加上当前GPS卫星轨道的稳定性大为提高。因而假定接收机在某个大的地域之内，根据已知的卫星历书(最长有效期为半年)得到GPS卫星的仰角，从而估计出可见卫星的颗数。根据仰角可得到最佳卫星搜索的次序，从而提高卫星搜索的效率。经过对卫星可见性的预测，仅需搜索十几颗卫星，比默认的盲搜索卫星的数目大为减少。

4．2 相干累积时长限制

由前面的式(2)和式(3)可知，接收载波与复制载波间的频率差fe会在检测量V中引入值为|sinc(feTcoh)|的损耗，这会增大信号检测的漏警率和降低信号捕获的灵敏度。通常将相干积分的频率误差损耗限制在3dB之内，此时对应|sinc0.443 |=0．7071，即|feTcoh|<0．443。在仅考虑多普勒频移造成的频率差时：

由此计算出相干累积时长Tcoh不应超过0．69s。

4．3 数据分析

本捕获方案中，通过对多段数据直接进行叠加，再利用帧同步信息的自相关特性来提高信号的处理增益，但未知数据翻转依然限制着相干累积的性能。根据文献提出的比特翻转估计方法，通过比较相关运算的幅值能量大小来估计数据比特翻转位置。

由图4可知，当对一组8 b数据进行交替半比特相干累积后，数据比特翻转要么在奇数组数据中，要么在偶数组数据中。对于存在数据比特翻转的数据组，其相关运算的幅值能量应当小于另外一组。

式中：pow(n)为第n组数据的相干累积后幅值能量。

由于帧同步信息具有自相关特性，当处理的一组数据中含有帧同步码时，捕获运算的相关幅值能量pow(n)应明显高于其他组。同时由于对接收信号进行了帧同步码和C／A码两级相关运算，捕获结果的峰值也应当高于其他数据组。因此根据pow(n)和捕获运算峰值的大小，可以在完成捕获的同时估计出帧同步信息的位置。

4．4 互相关抑制

目前主要的四类互相关抑制技术有：多门限检测法、多峰检测法、扣除法、子空间投影法。对互相关的处理思想，要么是判断相关结果主峰是否是由互相关引起的，从而决定对结果的取舍；要么通过一定的方法计算出强信号的互相关结果，进而从信号中消除互相关干扰的影响。文献提出的互相关减去法，都是基于对强信号相关值进行估计后，再将其从接收信号相关值中减去的方式来消除互相关的影响，需要计算强信号的多个相关值，计算量很大。扣除法则是在载波和伪码剥离前，基带数字信号处理模块先在接收信号中扣除强信号成分。该方法的思路和实现比较简单，可以利用后级跟踪环路的信息进行实现。

总体而言，在GPS弱信号捕获中，互相关干扰的抑制存在着较大的难度。由于本捕获方案中使用了多级的捕获门限设置，因而具有一定的抗互相关干扰的能力。所以在这里采用扣除法的思想，通过重构强信号的方法将接收信号中的强信号成分消除。互相关干扰消去法的基本原理如图5所示。