弱信號條件下GPS接收機關(guān)鍵技術(shù)論述

褚秀春

摘要：本文從全球定位系統(tǒng)介紹、弱信號條件對于GPS工作有效開展的影響、對弱信號條件下GPS接收機關(guān)鍵技術(shù)開展研究的重要性三個方面概述主題出發(fā)，重點探討了弱信號條件下GPS接收機具體的關(guān)鍵技術(shù)，包括弱信號捕獲技術(shù)、互相關(guān)干擾抑制技術(shù)以及信號跟蹤技術(shù)等，以期為相關(guān)的理論研究和具體的實踐工作提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：弱信號 GPS接收機 關(guān)鍵技術(shù)

中圖分類號：P228 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）06-0230-01

1 弱信號條件下GPS接收機關(guān)鍵技術(shù)概述

1.1 全球定位系統(tǒng)介紹

全球定位系統(tǒng)（GPS）是第二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是在二十世紀(jì)七十年代美國研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，主要包括空間段、地面控制段以及用戶段。最初，全球定位系統(tǒng)主要應(yīng)用于為美國的陸海空三軍進(jìn)行實時性、全天候的導(dǎo)航服務(wù)，進(jìn)而開展情報收集以及應(yīng)急通訊等活動。隨著時間的推移，這項技術(shù)經(jīng)歷了近四十余年的發(fā)展，逐漸實現(xiàn)了在民用領(lǐng)域的廣泛運用，形成了多領(lǐng)域、多用途、多機型的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

1.2 弱信號條件對于GPS工作有效開展的影響

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的工作環(huán)境包括室內(nèi)、森林以及山谷、城市等。特別是對于普通的手持用戶來說，市區(qū)的室內(nèi)是主要的應(yīng)用范圍。在以上環(huán)境中，會出現(xiàn)GPS信號驟減的現(xiàn)象，有時甚至只有24dB/Hz。對于普通的商用型接收機來說，主要面向的信號強度是-130dBm。當(dāng)信號質(zhì)量的惡化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過常規(guī)接收機的工作范圍內(nèi)后，會對GPS定位導(dǎo)航工作產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，甚至阻礙其正常運行。GPS接受設(shè)備在上述惡劣環(huán)境中，會出現(xiàn)應(yīng)用情況不能完全協(xié)調(diào)用戶需求的情況，對應(yīng)用領(lǐng)域的拓展產(chǎn)生了嚴(yán)重的制約。

1.3 對弱信號條件下GPS接收機關(guān)鍵技術(shù)開展研究的重要性

中國是衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品消費的大國。僅僅從已經(jīng)被廣泛運用并且發(fā)展成熟的GPS方面來說，我國目前國內(nèi)市場上較為常見的核心接收設(shè)備大部分都是從美國、日本等發(fā)達(dá)國家進(jìn)口的。在我國國內(nèi)廠家中很少見到有獨立開發(fā)成功的先例，大部分都是以發(fā)達(dá)國家進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行二次開發(fā)，產(chǎn)生新產(chǎn)品。除此之外，我國對于高靈敏度的接收機技術(shù)的研究更是起步較晚，發(fā)展尚未成熟。為了促進(jìn)世界衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，提升我國自主研發(fā)水平，對于弱信號條件下GPS接收機關(guān)鍵技術(shù)的研究逐漸被提上日程。其中，在功率衰減嚴(yán)重、容易受到障礙物遮擋等影響的情況下，深入研究GPS信號接收處理技術(shù)，能夠提升接收機在弱信號條件下導(dǎo)航定位功能的可靠穩(wěn)定性。

2 弱信號條件下GPS接收機具體的關(guān)鍵技術(shù)研究

從我國目前的研究實踐來看，弱信號環(huán)境條件下對于GPS接收機的關(guān)鍵技術(shù)主要包括高靈敏度GPS、射頻識別、地圖匹配以及偽衛(wèi)星技術(shù)等。在其中，有一部分的解決方案的實質(zhì)是利用較高的投入來實現(xiàn)接收機在復(fù)雜環(huán)境下對于微弱的GPS信號的跟蹤，也有部分因為精度問題無法實現(xiàn)用戶需求的達(dá)成。從目前的研究實踐來看，弱信號捕獲技術(shù)、互相關(guān)干擾抑制技術(shù)以及信號跟蹤技術(shù)都是較為先進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，需要我們開展更為深入的研究和探討。

2.1 弱信號捕獲技術(shù)

因為噪聲的功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號功率，所以對于利用碼分多址技術(shù)進(jìn)行頻譜擴展的GPS信號來說，在進(jìn)行捕獲時，在高處理增益方面，要注意有效利用擴頻帶來的增益，還要長時間累積單次捕獲結(jié)果。對能量進(jìn)行累積，以此進(jìn)行較高增益的獲取，已經(jīng)成為高靈敏度GPS信號處理技術(shù)利用的必然選擇。在對弱信號進(jìn)行捕獲時，大部分都需要依靠FFT的頻域并行方式開展。相干積分、半比特積分法、非相干積分法以及差分相干法都是較為常用的方式。這幾種方法的運用的過程中能夠?qū)崿F(xiàn)較長時間的信號能量的累積。其中，相干積分法的特殊功能使其成為高靈敏度GPS信號捕獲活動開展的基礎(chǔ)，受到很多領(lǐng)域的廣泛青睞。對于后續(xù)的改進(jìn)方法來說，大多數(shù)都是對于相干積分法進(jìn)行優(yōu)化和改善，主要的研發(fā)重點在于電文數(shù)據(jù)位的翻轉(zhuǎn)效應(yīng)的解決上。

2.2 互相關(guān)干擾抑制技術(shù)

互相關(guān)干擾主要是CDMA系統(tǒng)中的多址干擾。GPS接收機在進(jìn)行擴頻信號的捕獲時，需要運用相關(guān)的方法，實現(xiàn)相同碼的自相關(guān)以及不同碼的互相關(guān)。所以，在GPS接收機中，互相關(guān)的影響廣泛存在，這是由GPS的C/A碼不理想的自身結(jié)構(gòu)造成的，不能夠以噪聲的形式進(jìn)行處理。從目前來看，主流的互相關(guān)干擾抑制技術(shù)包括連續(xù)干擾消除法、子空間投影法以及并行干擾消除法等。首先，連續(xù)干擾消除法主要是指，在進(jìn)行強信號的跟蹤之后，估計強信號的幅度、相位以及頻率等基本信息，進(jìn)行強信號的重構(gòu)，而后在原來的信號中進(jìn)行消除，然后在這個基礎(chǔ)上處理弱信號。這種方法需要進(jìn)行大量存儲單元的運用，以實現(xiàn)信號的存儲。這項技術(shù)應(yīng)該被廣泛應(yīng)用于偽衛(wèi)星技術(shù)中。其次，是子空間投影法。主要是指，利用匹配信號檢測器進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計工作，實現(xiàn)強信號到信號子空間的投影，進(jìn)行所有互相關(guān)干擾的消除。但是這種技術(shù)中，因為頻繁的矩陣求逆操作會實現(xiàn)大量時間的耗費，所以其實時性很差。

2.3 信號跟蹤技術(shù)

在高動態(tài)環(huán)境中，解鎖環(huán)技術(shù)以及卡爾曼濾波技術(shù)都能夠?qū)崿F(xiàn)與GPS的緊密結(jié)合，以此進(jìn)行信號頻率和相位急劇變化的預(yù)估和推斷。而在弱信號環(huán)境下，跟蹤技術(shù)實現(xiàn)了向高動態(tài)應(yīng)用的借鑒。而在弱信號環(huán)境中，從有用信號功率下降中產(chǎn)生的最大干擾源，也就是熱噪聲方面來看，需要采用更加長的積累時間進(jìn)行增益的獲取。因為數(shù)據(jù)電文進(jìn)行符號跳變的頻率較高，而且無法進(jìn)行較為科學(xué)合理的預(yù)測，所以，工作人員只能初步找出電文數(shù)據(jù)位邊界，實現(xiàn)跨越數(shù)據(jù)位邊界的有效避免，盡量減少錯誤解調(diào)結(jié)果的形成。在這個過程中，主要采用的方式是直方圖法以及K-P法。

3 結(jié)語

對弱信號條件下GPS接收機關(guān)鍵技術(shù)開展更為深入的研究和探討，具有很高的現(xiàn)實價值。

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