gps中频信号仿真与微弱信号捕获、跟踪方法研究

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1、绪论端采集GPS信号并将其转换为中频数字信号。软件处理部分，捕获模块捕获粗略的C／A码相位和载波频率，跟踪环路利用获得的C／A码相位和载波频率产生本地信号，从而从GPS信号中解调出定位计算所需的导航电文【2】【31。在GPS接收机中，信号捕获、跟踪模块的灵敏度决定了GPS接收机的灵敏度，因此研究能够捕获、跟踪微弱信号的算法就成为提高接收机灵敏度的关键。1．2．1微弱信号捕获技术在微弱信号的捕获技术上，典型的是通过延长积分(累加)时间从而获得高信号增益。通常有相干积分(累积)，非相干积分(累积)两种方式。将相关结果直接进行累加称为相干累加，“相干"的含义就是保留所有相位信息。相干累加

2、能显著提高信噪比，相干累加对信号和噪声有不同的作用：对信号来说，相干累加意味着信号幅度的成倍增长，信号功率更是呈平方倍数增长；而对零均值的噪声，相干累加则起了类似于平均的作用，噪声功率只是线性增长。因而相干累加次数越多、时间越长，信噪比提高越显著【4】。但是有两个因素限制积分累加时间，其一是1比特导航数据的传输时间，由于导航数据的传播速率为50bi低，经过20ms后可能会引起GPS信号产生180度的相位反转，因此一般捕获方法的积分累积时间不能超过20ms；其二是本地接收机时钟频率和收到的GPS信号频率不匹配，并且积分时间的增加将大大增加需要搜索的多普勒频点数，这也限制了积分时间。为

3、了解决GPS信号180度相位反转对积分时间的限制，研究人员引入了在雷达技术中使用的非相干积分(累加)技术。“非相干"的含义是去除相位信息，仅保留幅度信息。非相干累加是对相干累加的结果平方和，再进行第二次累加，进一步提高信噪比。但是，非相干累加存在所谓的“平方衰耗”使得信噪比的改善效果大打折扣。因为在非相干累加中，噪声和信号同时被平方，此因对信噪比的提高并不是最优并且平方衰耗对信噪比增益的抵消随着累加时间的增加而加大pJ。Mohammad．H等提出了在CDMA系统中，利用伪码差分相干积分实现对直接序列扩频调制信号捕获的方法【5】。所谓“差分"累加就是将当前相干累加值与前一时刻相干累加

4、的共轭相乘并求和。Mohammad．H分析了扩频序列全周期相关与部分周期相关的差分相干积分，差分相干积分的增益改善达到5dB。与相干累加相比，差分相干捕获算法中“差分"的处理使得算法对导航电文的比特翻转不敏感，差分后的“累加’’使算法对相干累加时间长度的要求降低，另外，差分相干捕获算法中相邻样点的噪声共轭相乘，因而对噪声的放大相对较小。因此，差分相干捕获算法对信噪比的改善效果优于非相干累加。在GPS系统中，采用差分累加与非相干累加方法相比，平均增益改善为1．5~2．OdB。3北京交通大学硕+学位论文Oh．SoonShin与KwangBok证明了CDMA系统中双驻留捕获算法使用差分相

5、干积分比非相干积分具有优势，分析指出差分相关积分即使在频偏与衰落的情况下也比非相干积分能够获得更大的增益【6】。巴晓辉等提出一种基于差分相干的自适应门限捕获算法，减小了因平方操作引起的平方增益损失，能在200ms内捕获到．147dBm的GPS信掣引。此外，Nesreen．I等人提出估计导航数据最佳组合的圆周相关法，这种方法首先估计出长积分时间内导航数据的最佳组合，消除导航数据造成的相位反转影响，实现积分时间内的同号相干积分累加。和相干、非相干积分法相比，估计导航数据最佳组合的圆周相关法具有更好的性能，但这种方法计算比较复杂，需要很大的运算量，不适用于软件接收机【9j。1．2．2微弱

6、信号跟踪技术MarkL．Psiaki，HeeJung提出基于扩展卡尔曼滤波技术的微弱GPS信号跟踪算法，对传统伪码跟踪环建立相关值测量模型，并利用载波跟踪环载波相位动态模型，建立扩展卡尔曼滤波器方程。利用扩展卡尔曼滤波与贝叶斯估计相结合，实现GPS载波与伪码跟踪。但是其在信号自相关函数特性的三角波峰点仅仅采用拟合的手段来避免EKF运算过程中雅可比方程的非连续性，这将导致信号跟踪的误兰【lO】【ll】Z￡O张婧采用平淡卡尔曼滤波器来取代替扩展卡尔曼滤波器从而避免了扩展卡尔曼滤波中计算雅可比矩阵的复杂计算过程。通过构造微弱信号的状态和测量模型，采用平淡卡尔曼滤波器来进行信号跟踪，此方法

7、能够较好地跟踪到载噪比低至27dB／Hz的信号，确保跟踪精度，同时具有较高的灵敏度。平淡卡尔曼滤波通过选择一组采样点，使其样本均值和协方差与状态随机变量的均值和协方差一致，将这些点进行非线性变换，从而获得变换点的均值和协方差【l引。在弱信号的某些应用中，多径效应会引入伪码跟踪环误差，将降低接收机的定位精度，严重时还会导致信号的失锁。自70年代初人们开始研究多径干扰对扩频测距系统伪码跟踪的影响以来，提出了很多消除多径误差的方法，例如基于天线设计的方法、基于多信道信号分析