微弱GPS信號捕獲算法研究

1、引言 全球定位系統(GPS)能夠為用戶提供精確的位置，速度，時間等信息，已經得到了廣泛的應用。這種不斷增長的個人導航和定位服務的要求，對于一些低信噪比信號的GPS接收機工作提出了迫切的要求。如在隧道的情況下，由于衛星信號非常微弱，很難有效捕捉衛星信號，導致無法正常的定位。因此，在信噪比下GPS信號的捕獲有著廣闊的發展和應用前景[1]。
2、GPS信號捕獲算法分析與改進
2.1傳統的GPS信號捕獲算法介紹這里主要介紹基于FFT的并行捕獲算法[1,2]，通常情況下，由于輸入信號的C/A碼的起始位置是未知的，所以在進行捕獲之前，波形實現產生一個偽隨機碼，這里假設將接收到的模擬信號數字化為5000個點，然后與輸入的信號在數字域進行相乘，將相乘得到的結果進行快速傅里葉變換，從而得到其頻率。
當接收到的為10ms的電文，由于在進行卷積運算的時候，我們需要的電文長度為1ms，即只需要卷積1ms，此外，由于將每個信號數字化為5000點，故需要5000次操作。因此，對于10ms的電文，每次操作需要進行50000個乘積操作和50000次的FFT變換。在20Khz的范圍內，只需要201個頻率分量，那么需要從計算得到的1.005*10^6個計算結果中進行挑選。所以，當電文長度從1ms變為10ms的時候，計算量的增長是非常明顯的。尋找其C/A碼的起點位置的時間分辨率為200ns，其基本結構如圖1所示。
2.2傳統的GPS信號捕獲算法的仿真分析
由于C/A碼長lms，所以至少要用lms的電文來捕獲，但在實際中，1ms的電文仍有可能發生導航點相位偏移。因此，使用兩組連續的10ms電文來捕獲，就保證了在某一組電文中未含有相位偏移。
我們將一個信號分為10段，每段則對應與一個CA碼片[3]。C/A碼是由兩個10級反饋移位寄存器構成的Gold碼產生。其特征多項式分別為：將產生的GPS信號送入本地接收機，根據圖3提供的接收方法進行接收。此外，考慮在實際中，接收到信號的多普勒頻率偏移一般在，所以，在本仿真中，我們設置頻率搜索的范圍上下限為，搜索的步進為。下面的仿真結果為C/A碼相位捕獲結果，其中峰值的坐標代表捕獲得到的C/A碼相位抽樣碼片值。其峰值的坐標分別代表載波頻率捕獲的值。圖2是10db時候的捕獲情況。
從上面的仿真結果可以看到，對于一般的捕獲算法，當SNR=-10db的時候，系統基本無法工作。