新的微弱GPS信号快速捕获算法
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。本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/155855.htm
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。
5 性能仿真与实测结果
在Matlab环境下进行仿真分析，可以准确地控制仿真数据的信噪比，从而准确地评估算法的性能。GPS数字中频的产生，噪声带宽Bn按C／A码信号频谱主峰带宽2．046 MHz选取，从而在信号中加入功率为-140 dBW的高斯白噪声，通过控制信号幅值产生任意信噪比的仿真信号。仿真信号的中频频率为1．25 MHz，采样频率为5MHz，捕获程序从仿真数据任意位置开始读取数据。当信噪比SNR=-42dB时，本方案对6s的仿真数据进行捕获。可看出，当捕获运算中没有进行数据分析和结果处理时，无法找到明显的峰值，如图6所示；通过数据比特翻转位置估计和数据分析，捕获结果可以获得明显的相关峰值，如图7所示。
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