微弱GPS信號(hào)差分快速捕獲算法
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2．2 累積算法性能對(duì)比
由于3種累積方式的不同特性，在低信噪比環(huán)境下，單獨(dú)的使用一種累積方式，很難獲得理想的捕獲性能。為了平衡算法效率與信號(hào)捕獲效果，通常是將相干累積與另外兩種累積算法結(jié)合使用，或在基本的累積算法基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，以克服其存在不足，使弱信號(hào)累積算法具有更好的性能。
在改善檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量信噪比方面，相干累積的效果是最好的，差分相干累積捕獲算法其次，非相干累積最差。因?yàn)橄喔衫鄯e時(shí)信號(hào)功率呈平方倍增長(zhǎng)，噪聲功率僅是線(xiàn)性增長(zhǎng)，使得信噪比線(xiàn)性提高；差分相關(guān)捕獲算法對(duì)相鄰相干累積值的共軛相乘再累積會(huì)使信號(hào)部分增強(qiáng)，但信號(hào)和噪聲的交叉乘積項(xiàng)成為新的噪聲，它對(duì)信噪比的改善不及相干累積；而非相干累積把信號(hào)和噪聲作平方處理再累積，由于平方損失
(squaring loss)噪聲部分被放大，對(duì)信噪比的改善效果最差。若在低信噪比環(huán)境下應(yīng)用非相干累積算法，要么檢測(cè)性能很差，要么必須通過(guò)大幅增加累積次數(shù)來(lái)抬高信噪比，這樣會(huì)延長(zhǎng)捕獲時(shí)間。
在捕獲時(shí)間方面，相干累積由于sinc(π△fT)中△f的限制，頻域搜索的步長(zhǎng)較小，頻域搜索次數(shù)增多，整個(gè)搜索時(shí)間較長(zhǎng)。而差分相關(guān)捕獲算法和非相干累積算法都在相干累積后進(jìn)行了第二次累積以提高信噪比，因此，相干累積時(shí)間T可設(shè)得較短，△f的限制也可相應(yīng)放寬，頻域搜索步長(zhǎng)可加長(zhǎng)，捕獲時(shí)間比相干累積算法短。
在實(shí)際的算法設(shè)計(jì)中．都是以1 ms相關(guān)結(jié)果矩陣為基本單元。然后根據(jù)提高處理增益的累積方式，進(jìn)行累積處理。非相干累積的基礎(chǔ)是相干累積，同樣差分相干累積的基礎(chǔ)也是相干累積。
3 新算法的設(shè)計(jì)
通過(guò)對(duì)導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)的分析，可發(fā)現(xiàn)導(dǎo)航數(shù)據(jù)編碼規(guī)則中，通過(guò)特殊的運(yùn)算規(guī)則使得在幀同步字之前的交接字的最后兩個(gè)比特始終為00，來(lái)保證接收機(jī)收到的幀同步信息始終為10001011，因而在接收數(shù)據(jù)的幀同步位置可預(yù)知的接收比特為0010001011共10的比特。綜合考慮算法效率和捕獲靈敏度等綜合因素，利用導(dǎo)航數(shù)據(jù)中已知的與幀同步相關(guān)的信息和快速相干累積的思想，充分利用差分相關(guān)時(shí)可快速進(jìn)行一維搜索的特性，設(shè)計(jì)算法整體方案如圖1所示。本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/159694.htm
算法的具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：
1)每次控制讀取160 ms的GPS數(shù)字中頻數(shù)據(jù)，并進(jìn)行以10 ms為單位的數(shù)據(jù)直接疊加；
2)分別將兩組疊加數(shù)據(jù)與本地10比特幀同步信息進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)，當(dāng)接收數(shù)據(jù)當(dāng)中含有幀同步信息時(shí)，相關(guān)操作會(huì)獲得與之相對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理增益；
3)將上步獲得的數(shù)據(jù)與本地C／A碼進(jìn)行差分相關(guān)運(yùn)算，得到捕獲運(yùn)算結(jié)果；
4)分析捕獲結(jié)果，控制數(shù)據(jù)讀取的位置，從而找到幀同步碼提高信號(hào)處理增益；
5)輸出捕獲判決結(jié)果。
3．1 數(shù)據(jù)直接疊加
根據(jù)文獻(xiàn)中對(duì)傳統(tǒng)相干累積算法的改進(jìn)思路，這里對(duì)傳統(tǒng)的查分累積進(jìn)行了類(lèi)似的改進(jìn)，即先直接進(jìn)行數(shù)據(jù)直接疊加操作，在進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算。通過(guò)使用仿真GPS中頻數(shù)據(jù)對(duì)改進(jìn)后的捕獲相關(guān)運(yùn)算效果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，對(duì)于相干累積算法，改進(jìn)后的運(yùn)算時(shí)間僅為傳統(tǒng)算法的1／20，而捕獲峰值略有下降；對(duì)于差分累積算法，改進(jìn)后的運(yùn)算時(shí)間為傳統(tǒng)算法的1／10，而捕獲峰值無(wú)明顯變化。
3．2 捕獲判決
由算法的捕獲步驟可知，算法讀取數(shù)據(jù)后實(shí)際是對(duì)一組10比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行交替半比特相干累積，而導(dǎo)航數(shù)據(jù)比特翻轉(zhuǎn)要么在奇數(shù)組數(shù)據(jù)中，要么在偶數(shù)組數(shù)據(jù)中。對(duì)于存在數(shù)據(jù)比特翻轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)組，其最終捕獲運(yùn)算的結(jié)果幅值能量應(yīng)當(dāng)小于另外一組。對(duì)于捕獲結(jié)果的判決采用成熟的tang搜索算法，其流程如圖2所示。
當(dāng)捕獲程序?qū)π盘?hào)進(jìn)行粗捕獲，人為某一搜索單元可能存在衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，則使用tang搜索捕獲算法，在同一搜索單元多次搜索對(duì)信號(hào)進(jìn)行捕獲判決。算初始時(shí)設(shè)定一初值K，對(duì)設(shè)定的一組數(shù)據(jù)進(jìn)行多次捕獲判決記錄分析，當(dāng)捕獲幅值V超過(guò)捕獲門(mén)限Vt時(shí)K值加1，否則K值減1，當(dāng)K=A(A為一設(shè)定值)時(shí)，則人為該信號(hào)存在，并成功捕獲；當(dāng)K=0時(shí)，則人為該信號(hào)不存在，捕獲失敗。
3．3 差分碼的快速構(gòu)建
在使用差分相關(guān)算法進(jìn)行捕獲運(yùn)算時(shí)，由于要構(gòu)建新的差分碼是捕獲中新增的運(yùn)算量，因而這里采用文獻(xiàn)中的思想，基于塊處理方法，利用常規(guī)數(shù)字匹配濾波器捕獲結(jié)構(gòu)進(jìn)行新差分碼的生成。在n和，n-1時(shí)刻CDMF輸出表達(dá)式為：
其中，xi為接收到的數(shù)字信號(hào)，ai為本地偽碼序列。由于本算法采用的是GPS基帶數(shù)據(jù)保持不動(dòng)、本地偽碼序列作循環(huán)移位結(jié)構(gòu)，故式(5)應(yīng)改寫(xiě)為
由于C／A碼的周期性可得a0=aN，兩式相減，得到一個(gè)新序列為
顯而易見(jiàn)，差分碼di的取值范圍只有+2、-2和0 3種，當(dāng)差分碼為0時(shí)，是不需要乘法運(yùn)算的。在這里將差分碼di中非零各項(xiàng)的位置和數(shù)值分別用pj和ej表示，其中j=1～k，K為差分碼di(i=1～N)中非零項(xiàng)的個(gè)數(shù)。由文獻(xiàn)的推導(dǎo)，差分碼中數(shù)值為0的個(gè)數(shù)為2r-1-1(r為PN碼生成多項(xiàng)式的階數(shù))，所以本算法中所需乘法運(yùn)算的次數(shù)K=2r-1，約為CDMF所需數(shù)量的1／2。特別是當(dāng)每個(gè)碼片采樣為M點(diǎn)時(shí)，相乘累加運(yùn)算量降低為常規(guī)方法的I／2M，大大降低了系統(tǒng)所需乘法器的數(shù)量。經(jīng)過(guò)對(duì)GPS衛(wèi)星32個(gè)C／A碼序列的分別計(jì)算，K取值范圍為480～544，與GPS中頻信號(hào)采樣頻率和C／A碼初始相位無(wú)關(guān)。
評(píng)論