褚秀春

[摘 要]软件GPS接收机是一种常见的用于GPS定位系统中的工具软件，但是由于在实际使用过程中经常存在弱信号的情况，因此，为了提高软件GPS接收机弱信号的捕获能力，本文重点研究了软件GPS接收机弱信号捕获的方法，这一过程是建立在对非相干积分的损耗和增益的分析基础上的。

[关键词]弱信号；GPS接收机；关键技术

中图分类号：TN967.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0205-01

现今的GPS接收机大多是通过软件的方式来组建，因此所具有的灵活性也较高。软件GPS接收机的工作流程是首先对天线输出的模拟信号进行数字化分析，然后通过数字信号处理从而得到必要的数字信息。这种工作流程的优点就是可以相对容易地从一种形式变化到另一种形式。并且由于软件方式基本不受到硬件条件的限制，软件程序可以很好的处理各种采样频率的数字化信号，因而可以轻松开发出新的算法。

1 高灵敏度GPS信号捕获

在实际的情况中，一般在室内经常处于弱信号状态，国外对于弱信号环境下GPS定位于导航技术方面的研究已经进行了很多年，并且卓有成效，很多国家和企业也因此申请了相关技术的专利。例如我们常见的诺基亚公司的“GPS辅助数据发送方法和系统”；“无线通信网中GPS卫星信号捕获的辅助系统和方法”是属于高通公司的；还有施耐普特拉克公司的专利技术“快速捕获的高灵敏度GPS接收机”等等。

国内对于GPS技术方面的研究大部分集中在静态定位和动态定位应用技术以及定位误差方面，但是关于经常出现弱信号的环境，例如室内、城市和森林等，对于GPS技术的研究涉足较少。有些单位（其中包括哈尔滨工业大学、上海交通大学、北京航空航天大学、中科院天文台、电子科技大学以及中科院微电子研究所等）进行了部分高灵敏度GPS信号捕获以及定位方面的研究，只是由于技术等方面的限制，所涉及的研究深度还远远达不到国际领先水平，研究的层次还只是停留在理论阶段，并没有开展实际运用的研究。

一般意义上来说，弱信号环境下GPS定位于导航技术的核心在于高灵敏度捕获技术。众所周知，GPS信号捕获的方式是搜索，搜索过程的最终目的是为了确定可视卫星、C/A码时延以及载波多普勒频移。就目前的技术来说，大多采用基于FFT的频域并行的方式来搜索卫星的C/A码时延以及载波多普勒频移。这种方法大致分为两类，一种是频域FFT算法，这种算法的工作原理是基于FFT频域并行检测，借助于FFT的运算代价的结果来获取每次检测时更大的频率搜索范围，从而进一步改善捕获时间。第二种方法称之为时域FFT算法。这个算法的工作机理是利用时域卷积等效于频域相乘的关系，捕获的码相位是通过本地扩频码于信号变换到频域进行并行。这一过程的运行很好的取代了传统的串行捕获码相位，可以进一步缩短捕获时间，但是需要注意的是FFT循环卷积有一个问题就是相关功率的损失。

1.1 相干积分

这里所谓的相干积分是基于雷达处理信号的，应该在包络检测之前将相关的结果进行累加，并且注意保留信号中的相位信息，而且累加后的信号功率的增长速度是呈平方的，但是噪声功率的增长并不十分显著，只是停留在线性增长。所以，随着累加次数的增加，时间的不断延长，低信噪比的提高也愈加显著。但是需要注意的是，实际的情况中存在两个因素会对相关累积时间产生限制作用，一是导航数据经过20ms后可能造成GPS信号的相位反转高达一百八十度。二是随着相关累积时间的增加同时会造成多普勒频点数需要搜索量的大幅增加。综上，积累的时间长度最大值在技术角度上讲是一个电文数据位周期，如若不然，将会由于数据位极性的变化导致不必要损失的增加。

1.2 非相关积分

由于相关积分引起了电文数据位的变化，是由缺陷和漏洞的，为了弥补这一缺陷造成的影响，非相关积分法应运而生。非相关积分法的工作流程是发生在包络检测之时，把相干积分结果进行平方处理之后再完成累加工作，然后由于正负电文数据被平方处理，可以最大程度上消除电文数据位翻转所带来的影响，并且没有保留原有的相位信息。这样的平方处理还会去除相位误差的副作用，单纯从理论角度上来说可以无限延长积分时间。

2 多径抑制技术

一般来说，GPS接收机的误差来源复杂多样，包括电流层误差、对流层误差、星钟误差。定轨误差、接收机热噪声、多径误差等。这些误差中前四项属于系统误差，其消除方式是差分系统或者是建模。但是对于多径误差而言，由于卫星与接收机都处于不断运动的过程中，在不同的地点和时刻接收机的多径情况也是不尽相同的，从而引起了多径误差不具有空间相关性的特点，因而不可以通过差分技术来消除，也无法完成对于不同位置天线的建立模型。

2.1 空域处理技术

一般情况下，空域处理最为常用的方法就是利用抑径板来进行地面反射信号的屏蔽；或者采用天线定位技术（即将天线放在不易接收反射信号的地方）；还可以借助于扼流圈来进行水平的反射波的抑制作用；较为先进的一种方法就是使用具有强方向性的天线，这种天线是借助天线阵列生成的，这种天线的明显优势在于在直接信号的到达方向有很高的增益，但是在其他方向则会衰减多径信号。

2.2 时域处理技术

正如前文所说的那样，空域处理技术的要求是需要知道全部或者部分信号的传播路径特性，从而进行直接信号的分离工作，工作起来容易受到限制。在此基础上，国外许多科学家提出了窄相关技术，其工作原理是采用0.1码片宽度的窄相关器来成功消除长延迟多径信号。这项技术的发现推动了后继多径抑制技术的发展，例如之后基于窄相关技术的MEDLL技术、PAC技术以及Strobe技术等。窄相关器可以很大程度上降低多径误差和测量噪声时造成的伪距误差，可是在定位解中的多径引起的误差仍然无法全部消除。

除了上文提起的那些方法之外，现今还有很多技术在市场上流通，比如非线性估计理论、现代信号处理的小波技术、锁频环辅助码环跟踪方法、空时联合处理技术、MUSIC方法、拓展卡尔曼滤波和粒子波率方法以及神经网络等方法。

3 总结

综上所述，本文重点论述了以常规的GPS软件接收机信号捕获技术为基础的弱信号的捕获。可以通过高灵敏度GPS信号捕获，借助于非相干积分方法可以迅速提高接收机的灵敏度，但是需要在出现多普勒频移的信号时进行频率补偿，为了可以明显提高信噪比。大量的实验数据表明检测性能在频率补偿后有了很大的改善。

参考文献

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