基于差分相干的微弱GPS信號(hào)捕獲與比特同步研究.pdf

1、考慮到GPS系統(tǒng)日益廣泛地應(yīng)用于各種室內(nèi)環(huán)境,本論文對(duì)微弱GPS信號(hào)捕獲、導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特同步、判決門限選取以及信號(hào)處理算法效率等與信號(hào)接收相關(guān)的內(nèi)容進(jìn)行了較為深入的研究。
　　首先,針對(duì)微弱GPS信號(hào)碼捕獲這一主題,考慮了C/A碼信號(hào)并行捕獲時(shí)的判決門限選取問(wèn)題?；谄骄嚓P(guān)技術(shù)和差分相干累積方法相結(jié)合的微弱GPS信號(hào)C/A碼并行捕獲技術(shù),提出了一種采用最大相關(guān)能量值與第二大相關(guān)能量值的比值作為判決變量的判決門限設(shè)定方法——比值法。

2、與傳統(tǒng)的閾值法相比,比值法不需計(jì)算弱信號(hào)條件下的噪聲功率就能很好地控制信號(hào)檢測(cè)的虛警概率。接下來(lái)推導(dǎo)了比值法用于微弱GPS信號(hào)C/A碼并行捕獲時(shí)的檢測(cè)概率和虛警概率的計(jì)算公式。針對(duì)信號(hào)捕獲時(shí)所需達(dá)到的虛警概率,通過(guò)Matlab數(shù)值仿真得到了采用不同的接收信號(hào)累積時(shí)間所需設(shè)定的相應(yīng)的判決門限值。仿真結(jié)果表明:該門限設(shè)定方法適用于微弱GPS信號(hào)條件下C/A碼的并行捕獲。
　　其次,結(jié)合平均相關(guān)技術(shù)、差分相干累積方法和自適應(yīng)門限設(shè)定技術(shù)

3、,提出了一種判決門限自適應(yīng)變化的微弱GPS信號(hào)C/A碼并行捕獲方案。從判決變量的統(tǒng)計(jì)特性出發(fā),詳細(xì)分析推導(dǎo)了該捕獲方案的檢測(cè)概率與虛警概率。通過(guò)Matlab數(shù)值仿真對(duì)該方案與兩種傳統(tǒng)的捕獲方案——相干非相干累積方案和非相干累積方案進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果說(shuō)明該方案的捕獲性能優(yōu)于兩種傳統(tǒng)捕獲方案。該方案采用以下措施很好地兼顧了處理增益與算法復(fù)雜度:一是采用高采樣頻率與平均相關(guān)技術(shù)相結(jié)合的辦法使得算法在復(fù)雜度增加有限的同時(shí)大大地提高了C/A碼初

4、步捕獲的精度,降低了接收碼與本地再生碼之間的相關(guān)損耗,提高了處理增益;二是采用差分相干累積較非相干累積降低了平方損耗,提高了處理增益,并且對(duì)多普勒頻率偏移具有很好的魯棒性;三是采用了前述的判決門限設(shè)定方法,可以根據(jù)差分相干累積時(shí)間自適應(yīng)地設(shè)定判決門限,較固定累積時(shí)間方案減小了平均捕獲時(shí)間。
　　然后,考慮了GPS衛(wèi)星信號(hào)成功捕獲之后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特同步問(wèn)題。為了解決現(xiàn)有商業(yè)接收機(jī)中常用的直方圖法和比特能量法在信號(hào)初步捕獲之后殘留的多

5、普勒頻率偏移較大時(shí)同步性能大大下降甚至失效的問(wèn)題,基于多個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特間的相關(guān)輸出進(jìn)行差分相干、一個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特長(zhǎng)度內(nèi)的差分相干值進(jìn)行相干累積,提出了一種適用于大頻偏、高動(dòng)態(tài)、弱信號(hào)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特同步方法——差分相干累積算法。詳細(xì)分析了判決變量的統(tǒng)計(jì)特性,推導(dǎo)了邊緣檢測(cè)率的計(jì)算公式。在此基礎(chǔ)上,對(duì)差分相干累積算法進(jìn)行改進(jìn),提出一種廣義差分相干累積算法。廣義差分相干累積算法對(duì)進(jìn)行差分相干處理的兩個(gè)相干積分輸出的延遲時(shí)間推廣至任意個(gè)C/A碼

6、周期而不是任意個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特間隔,進(jìn)一步提高了處理增益。
　　最后,從GPS接收機(jī)實(shí)時(shí)信號(hào)處理的角度考慮,僅對(duì)兩個(gè)相鄰的C/A碼周期的相關(guān)輸出值進(jìn)行差分相干,并對(duì)間隔為導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特長(zhǎng)度整數(shù)倍的差分相干值進(jìn)行相干累積,提出了一種適用于大頻偏、弱信號(hào)的導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特實(shí)時(shí)同步方法——高效差分相干累積算法。同樣對(duì)該算法的判決變量的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了分析,推導(dǎo)了邊緣檢測(cè)率的計(jì)算公式。由于微弱信號(hào)條件下GPS接收機(jī)的動(dòng)態(tài)通常較低,而實(shí)時(shí)處理在某些場(chǎng)

7、合顯得非常重要。高效差分相干累積算法正是基于這方面的考慮,因而采用了下述措施:一是通過(guò)差分相干處理使得該算法能適應(yīng)大的多普勒頻率偏移;二是僅僅對(duì)差分相干輸出進(jìn)行相干累積可減小因非相干累積帶來(lái)的損失,使得該算法適合于微弱GPS信號(hào)條件下的導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特同步;三是每個(gè)C/A碼周期的相關(guān)輸出只與前一個(gè)周期的相關(guān)輸出進(jìn)行差分相干這就為該算法帶來(lái)了最低的復(fù)雜度,便于實(shí)時(shí)處理。針對(duì)越來(lái)越多的GPS接收機(jī)采用差分相干累積進(jìn)行信號(hào)捕獲,若將該同步方法用于