基于差分相干的微弱GPS信號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,本論文對微弱GPS信號捕獲、導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特同步、判決門限選取以及信號處理算法效率等與信號接收相關(guān)的內(nèi)容進行了較為深入的研究。
　　首先,針對微弱GPS信號碼捕獲這一主題,考慮了C/A碼信號并行捕獲時的判決門限選取問題?；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,比值法不需計算弱信號條件下的噪聲功率就能很好地控制信號檢測的虛警概率。接下來推導(dǎo)了比值法用于微弱GPS信號C/A碼并行捕獲時的檢測概率和虛警概率的計算公式。針對信號捕獲時所需達到的虛警概率,通過Matlab數(shù)值仿真得到了采用不同的接收信號累積時間所需設(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C/A碼并行捕獲方案。從判決變量的統(tǒng)計特性出發(fā),詳細分析推導(dǎo)了該捕獲方案的檢測概率與虛警概率。通過Matlab數(shù)值仿真對該方案與兩種傳統(tǒng)的捕獲方案——相干非相干累積方案和非相干累積方案進行了比較。仿真結(jié)果說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)差分相干累積時間自適應(yīng)地設(shè)定判決門限,較固定累積時間方案減小了平均捕獲時間。
　　然后,考慮了GPS衛(wèi)星信號成功捕獲之后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特同步問題。為了解決現(xiàn)有商業(yè)接收機中常用的直方圖法和比特能量法在信號初步捕獲之后殘留的多

5、普勒頻率偏移較大時同步性能大大下降甚至失效的問題,基于多個導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特間的相關(guān)輸出進行差分相干、一個導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特長度內(nèi)的差分相干值進行相干累積,提出了一種適用于大頻偏、高動態(tài)、弱信號的導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特同步方法——差分相干累積算法。詳細分析了判決變量的統(tǒng)計特性,推導(dǎo)了邊緣檢測率的計算公式。在此基礎(chǔ)上,對差分相干累積算法進行改進,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進行差分相干處理的兩個相干積分輸出的延遲時間推廣至任意個C/A碼

6、周期而不是任意個導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特間隔,進一步提高了處理增益。
　　最后,從GPS接收機實時信號處理的角度考慮,僅對兩個相鄰的C/A碼周期的相關(guān)輸出值進行差分相干,并對間隔為導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特長度整數(shù)倍的差分相干值進行相干累積,提出了一種適用于大頻偏、弱信號的導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特實時同步方法——高效差分相干累積算法。同樣對該算法的判決變量的統(tǒng)計特性進行了分析,推導(dǎo)了邊緣檢測率的計算公式。由于微弱信號條件下GPS接收機的動態(tài)通常較低,而實時處理在某些場

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;二是僅僅對差分相干輸出進行相干累積可減小因非相干累積帶來的損失,使得該算法適合于微弱GPS信號條件下的導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特同步;三是每個C/A碼周期的相關(guān)輸出只與前一個周期的相關(guān)輸出進行差分相干這就為該算法帶來了最低的復(fù)雜度,便于實時處理。針對越來越多的GPS接收機采用差分相干累積進行信號捕獲,若將該同步方法用于