室内微弱GPS 信号捕获技术研究

　　摘要：室内环境GPS定位技术的实质是低信噪比环境下信号的处理问题,本文对室内环境下利用GPS定位的关键技术:微弱GPS信号捕获、微弱GPS信号码跟踪、室内环境下位置解算以及辅助GPS定位等进行了一些介绍,对一些主要的GPS信号捕获算法进行了计算机仿真,对部分关键技术提出了改进方法,并在最后给出了高灵敏度软件接收机的设计方案。
　　关键词：低信噪比；GPS；室内环境；高灵敏度
　　
　　1．引言
　　室内环境GPS定位与导航技术的研究实质上是围绕室内环境下微弱GPS信号捕获、跟踪、处理及其应用展开的，室内环境GPS应用技术与接收机的弱信号捕获和跟踪能力、定位速度、定位精度、信号处理等方面的技术创新密切相关。室内环境GPS应用技术的丰富内涵与巨大的实用价值吸引了许多科研机构及相关单位的关注，室内环境的导航和定位技术已经成为GPS研究界的一个研究热点。因此，开展高精度GPS室内定位技术对于实现室内环境下的高精度GPS导航定位，扩展GPS技术的应用领域具有重要意义。
　　2．微弱GPS信号捕获技术
　　室内环境弱GPS信号捕获技术是指通过算法来提高接收机的处理增益，使其能够捕获一般GPS接收机所不能捕获的弱GPS信号，是高灵敏度GPS技术的核心。有两个因素限制积分累积时间，其一是GPS信号存在相位反转情况，一般捕获方法其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。
　　2.1相关累积和非相关累计
　　GPS信号的捕获过程就是一个在多普勒频点和伪码相位延迟上的二维搜索过程，当累积结果大于设定的门限就表示捕获成功，反之表明捕获失败。常用的改善检测统计量信噪比的方法有相干积分和非相干积分。由于C/A码的周期是1ms，把每个C/A码周期的处理结果直接进行累加称为非相关累计，通过这种方法其检测统计量信噪比可以得到提升。但是，非相关累计存在所谓的“平方损失”，使信噪比的改善效果大打折扣。相关累积的方法是对输入的信号按C/A码长度进行分段并对应叠加，形成1个C/A码周期长度的叠加信号，再做相关卷积。相关累积能够显著提高信噪比，但是，相关累积时间不能太长，原因有二：第一，由于GPS的导航电文每20ms可能发生比特翻转，在尚未确定比特起始位置时，相干累积时间不能超过20ms；第二，相关累积的结果乘有系数因子为：sin(π△fT)/(π△fT)，其中△f是接收信号载波与本地载波的频率差值。在△f一定的情况下，增大T会导致函数值变小，相关值衰减会更严重。为了能检测到相关峰，必须将相关峰的衰减限制在可容忍的范围内，在满足这个前提下增大相关累积时间T，就意味着要将实际频差△f控制在更小的范围内，这样就必须缩小频域搜索的步长，在频域搜索范围不变的情况下，就必须增加频域搜索次数，最终会大大延长搜索时间。在相关累积时间T的选择上，处理增益的提高与搜索时间很难兼顾。通常情况下我们可以采用相关累积结合非相关累计的方法来对GPS信号进行捕获。通过相关累积结合非相关累计的方法可以使GPS信号的信噪比得到一定的改善同时也可以在一定程度上克服相关累积和非相关累计的缺点。
　　2.2估计导航数据最佳组合的圆周相关法
　　圆周相关算法很适合软件接收机，基本过程为：对1ms输入数据寻找C/A码的起始点，采样频率为5MHz，输出信号的中心频率为1.25MHz，获取方法必须保证在10KHz频率范围内实现信号搜索，以覆盖多普勒频率，因此搜索的频率范围为1250±10KHz，分辨率是1KHz，产生21个频率分量。用Matlab对圆周相关算法进行仿真，得到GPS信号捕获结果如图1和图2所示，从图1中我们可以判断出，最大相关峰值出现在3169点处，该点为C/A码的起始点。从图2可以看出，最高的峰值出现在第15个频率点上。从仿真图可以看出，圆周相关算法能够很好的完成GPS信号C/A码的捕获工作。但圆周相关算法对弱信号的捕获效果不是很明显，通常情况下可以增加数据长度，在圆周相关算法基础上，采用相关累积和非相关累积的方法来提高信噪比。
　　
　　2.3差分相关捕获算法
　　相干累加方法的累加时间选择问题和非相干累加方法的“平方损失”问题，导致它们在低信噪比应用中存在比较大的局限性。而差分相关捕获算法则能较好地解决上述两个问题，既能明显改善检测统计量的信噪比，又不会显著增长捕获时间。与相干累加相比，差分相关捕获算法中“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，从而对频差容忍度较高，捕获时间不会显著增长。另外，差分相关捕获算法中相邻样点的噪声共轭相乘，对噪声的放大相对较小。因此，差分相关捕获算法对GPS弱信号有较好的捕获效果。用Matlab对差分相关算法的捕获率进行了仿真，在仿真过程中设定恒虚警率为10-4。图3为捕获率随载噪比变化曲线，图4为捕获率随累加次数变化曲线。
　　
　　
　　从图3中可以看到：随着载噪比的增高，捕获率迅速提高，并且差分相关捕获设置门限方式在低噪比30dBHz就有90%的捕获率，在32dBHz就有接近1的捕获率。从图4可以看到：捕获率随累加次数增加而单调上升，在累加次数在28次时，捕获率达到99%以上，此时性能已经比较令人满意了。
　　3．微弱GPS信号码跟踪技术
　　GPS信号经过捕获以后，就可以获得GPS信号粗略的载波多普勒频移和伪码时延这两个重要的参数，信号跟踪算法的主要目的就是要把这两个参数进行提纯，获得精确的载波频率和伪码延迟时间估计，并最终实现导航数据的解调。根据室内环境的信号特性，载波跟踪可采用载波相位跟踪环（PLL）或载波频率跟踪（FLL）。FLL的动态性能优于PLL，但是在相同信噪比条件下FLL的测量误差要大于PLL。在室内环境可以采用具有对相位反转不敏感的科斯塔斯环（Costas），提高载波相位跟踪环的精度和稳定性。
　　4．室内环境下位置解算技术
　　GPS卫星信号的载波多普勒频移和伪码时延的捕获和跟踪是GPS接收机的核心和关键，如准确的捕获和跟踪这两个参数，那么就可以精确的解调出GPS卫星信号的导航数据，进而可以获得卫星星历数据，利用定位解算数学模型可以实现卫星位置的计算、伪距估计、用户位置计算等功能。
　　5．辅助GPS定位技术
　　辅助GPS即Assisted-GPS（AGPS），其利用辅助通道进行辅助数据的传输，主要包括卫星轨道参数、卫星时钟修正、其他修正（如电离层参数修正）、本地时间估计、可见卫星情况、用户初始的位置估计、多普勒频移以及相应的初始码时延估计[5]等信息。其系统基本框图如图5所示：
　　
　　整个辅助系统由AGPS服务器、业务交换中心（MSC）、基站（BS）等组成。AGPS服务器连接高性能的GPS接收机，可以提取高精度的各种GPS卫星、轨道、修正参数，并利用精确的GPS预测模型预测相应的参数，通过MSC、BS的无线网络模块将各种参数发射出去。用户端的GPS接收机通过辅助通道，能接收无线网络的辅助数据，结合自己接收到的GPS卫星信号，可以缩短捕获时间，提高定位精度，可以实现室内与室外的无缝导航。
　　6．高灵敏度软件接收机整体设计方案
　　在室内环境下，高灵敏度软件接收机整体方案如图6所示。信号首先经过GPS射频前端模拟电路，经过RF前端，输入信号的幅值被适度放大，频率转换为期望的输出频率；A/D转化器将上述输出信号数字化；通过USB控制器将数字化后的信号输入到计算机进行处理；接收机的数字部分由接收机的数字化通道和导航解算模块组成，分别完成信号捕获、跟踪、星历提取以及伪距计算、卫星位置计算、用户位置计算等功能。每一颗可视卫星都有与之对应的数字化接收通道，所有的高灵敏度、高精度GPS算法都是在接收通道内完成，包括微弱GPS信号的捕获算法、码边缘同步算法以及干扰消除算法等，数字接收通道内的信号处理算法是软件接收机的核心。
　　7．总结
　　在室内环境，一般的GPS接收机不能捕获和跟踪到导航卫星信号，这大大限制了GPS的应用领域。而采用高灵敏度GPS技术则能够实现室内环境的高精度导航和定位。从而可以极大的扩展GPS技术的应用领域，无论在军事还是民用方面都具有非常重要的应用意义和广阔的市场前景。总之，随着卫星导航系统的飞速发展，GPS室内定位技术必将受到人们的更多关注。
　　参考文献:
　　[1]刘毓,田世君,席光文等.浅谈高灵敏度GPS室内定位技术[J].网络通信技术
　　[2]王晓明,殷耀国,杨自明.全球导航卫星系统的现代化进展[J].全球定位系统,2006,31(4):39-42.
　　[3]曾庆化,刘建业,彭文明等.我国卫星导航系统相关技术发展分析[J].航天控制,2006,24(4):91-96.