应用延迟累加的微弱GPS信号捕获算法_李源明

第４５卷　第１期测　绘　学　报Ｖｏｌ．４５，Ｎｏ．１　２０１６年１月Ａｃｔａ　Ｇｅｏｄａｅｔｉｃａ　ｅｔ　Ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃａ　Ｓｉｎｉｃａ　Ｊａｎｕａｒｙ，２０１６引文格式：李源明，李晶，张朋，等．应用延迟累加的微弱ＧＰＳ信号捕获算法［Ｊ］．测绘学报，２０１６，４５（１）：４４－４９．ＤＯＩ：１０．１１９４７／ｊ．ＡＧＣＳ．２０１６．２０１４０２２４．ＬＩ　Ｙｕａｎｍｉｎｇ，ＬＩ　Ｊｉｎｇ，ＺＨＡＮＧ　Ｐｅｎｇ，ｅｔ　ａｌ．Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　Ｗｅａｋ　ＧＰＳ　Ｓｉｇｎａｌ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄｅｌａｙ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄ［Ｊ］．Ａｃｔａ　Ｇｅｏｄａｅｔｉｃａ　ｅｔ　Ｃａｒｔｏｇｒａｐｈｉｃａ　Ｓｉｎｉｃａ，２０１６，４５（１）：４４－４９．ＤＯＩ：１０．１１９４７／ｊ．ＡＧＣＳ．２０１６．２０１４０２２４．应用延迟累加的微弱ＧＰＳ信号捕获算法李源明１，２，李　晶１，张　朋２，郑　勇２１．宇航动力学国家重点实验室，陕西西安７１００４３；２．中国人民解放军６３７５１部队，陕西西安７１００４３Ｉｍｐｒｏｖｅｄ　Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｆｏｒ　Ｗｅａｋ　ＧＰＳ　Ｓｉｇｎａｌ　Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　Ｄｅｌａｙ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ＭｅｔｈｏｄＬＩ　Ｙｕａｎｍｉｎｇ１，２，ＬＩ　Ｊｉｎｇ１，ＺＨＡＮＧ　Ｐｅｎｇ２，ＺＨＥＮＧ　Ｙｏｎｇ２１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４３，Ｃｈｉｎａ；２．Ｎｏ．６３７５１Ｕｎｉｔ　ｏｆ　ＰＬＡ，Ｘｉ’ａｎ　７１００４３，ＣｈｉｎａＡｂｓｔｒａｃｔ：Ａ　ｎｅｗ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｐｒｏｐｏｓｅｄ　ｔｏ　ｓｏｌｖｅ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｌｅｍ　ｏｆ　ＧＰＳ　ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｔｈａｔ　ｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ　ａｒｅ　ｕｎａｖａｉｌａｂｌｅ　ｔｏ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｕｎｄｅｒ　ａ　ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．Ｔｈｉｓ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｉｓ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｄｏｕｂｌｅ　ｂｌｏｃｋ　ｚｅｒｏ　ｐａｄｄｉｎｇ（ＤＢＺＰ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ａｎｄ　ｉｔ　ａｄｏｐｔｓ　ｔｈｅ　ｄｅｌａｙ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ｍｅｔｈｏｄ　ｔｏ　ｒｅｔａｉｎｔｈｅ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｔｅｍｐｏｒａｒｉｌｙ　ｗｈｉｃｈ　ａｒｅ　ｄｉｓｃａｒｄｅｄ　ｉｎ　ＤＢＺＰ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｗａｉｔｉｎｇ　ｆｏｒ　ｄｅｌａｙｉｎｇ　１ｍｓ，ｔｈｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅ　ｔｈｅ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｒｅｔａｉｎｅｄ　ｔｅｍｐｏｒａｒｉｌｙ　ａｎｄ　ｃｏｍｐａｒｅ　ｔｈｅ　ｃｏｈｅｒｅｎｔ　ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ　ｖａｌｕｅ．Ｔｈｅ　ｄａｔａ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ　ａｒｅ　ｉｎｃｒｅａｓｅｄ　ｂｙ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｒａｔｅ　ｏｆ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｎ　ｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｐｒｅｍｉｓｅ　ｏｆ　ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ　ｌｉｔｔｌｅ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｃａｎ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ　ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　ｇａｉｎ　ａｎｄ　ｉｔ　ｉｓ　ａｂｌｅ　ｔｏ　ｃａｐｔｕｒｅ　ｔｈｅ　ｓｉｇｎａｌｓ　ｗｈｏｓｅ　ｃａｒｒｉｅｒ－ｔｏ－ｎｏｉｓｅ　ｒａｔｉｏ（Ｃ／Ｎ０）ｉｓ　１７ｄＢ－Ｈｚ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ　ｃａｎ　ａｃｈｉｅｖｅ　ｔｏ　９１％．Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｅａｋ　ｓｉｇｎａｌ　ｃａｐｔｕｒｅ；ｄｅｌａｙ－ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ；ＤＢＺＰ；ｓｕｐｅｒｉｍｐｏｓｅ；ＦＦＴＦｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｓｕｐｐｏｒｔ：Ｏｐｅｎ　Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃ　Ｄｙｎａｍｉｃｓ（Ｎｏ．２０１４ＡＤＬ０４０４）摘　要：针对在弱信号环境下传统算法无法进行捕获的问题，提出了一种改进算法。

该算法在双块零拓展（ｄｏｕｂｌｅ　ｂｌｏｃｋ　ｚｅｒｏ　ｐａｄｄｉｎｇ，ＤＢＺＰ）算法的基础上，采用延迟累加的方法，首先将ＤＢＺＰ算法相关运算结果中被舍弃的部分暂存，然后对延迟１ｍｓ的接收信号进行相关运算，得到相应的相关运算结果，将其与存储的运算结果进行相干累加，并将相干累加结果作为捕获模块输出与门限值进行比较。

改进算法在增加极少运算量的前提下，通过提高相关运算结果的利用率，增加了数据观测量。

仿真结果表明，改进算法能够提高捕获算法处理增益，在捕获载噪比为１７ｄＢ－Ｈｚ的信号时，检测概率能够达到９１％。

关键词：弱信号捕获；延迟累加；双块零拓展；叠加；ＦＦＴ中图分类号：Ｐ２２８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１－１５９５（２０１６）０１－００４４－０６基金项目：宇航动力学国家重点实验室开放课题（２０１４ＡＤＬ０４０４） ＧＰＳ接收机由于其快捷、稳定的定位功能，在现代社会中已经成为重要的组成部分［１－３］。

目前，随着对导航技术的深入研究［４－５］，高灵敏技术已经成为高性能ＧＰＳ接收机的主要特征之一［６－８］。

国内外研究表明，只有当ＧＰＳ接收机搜索到至少４颗导航卫星时，才能够成功定位［９］。

然而，现实环境中存在各种干扰，致使普通导航接收机无法搜索到所需的卫星［１０］。

因此，用于复杂环境下的导航接收机，其捕获模块的指标要求相当严格［１１］。

如果没有良好的弱信号捕获能力，ＧＰＳ接收机将无法适应复杂的应用环境［１２］。

近年来，国内外学者针对ＧＰＳ弱信号捕获的问题提出了不同的算法。

文献［１３—１４］提出了一种遍历码时延和多普勒频移的算法，这种算法硬第１期李源明，等：应用延迟累加的微弱ＧＰＳ信号捕获算法件简单，但是运算量非常大。

文献［１５］设计了一种循环相关算法，该算法在同一时间对所有码时延进行处理，可以减少运算量，但是其对弱信号的捕获能力较差。

文献［１６—１７］通过延迟－乘积的方式消除了所有多普勒频移仓，同样能够减少运算量，但是该方法更适合捕获码分多址（ｃｏｄｅｄｉｖｉｓｉｏｎ　ｍｕｌｔｉｐｌｅ　ａｃｃｅｓｓ，ＣＤＭＡ）信号。

此外，文献［１８］通过与本地多普勒补偿信号进行相关运算，在采用长时间相干累计的同时，减少了处理时间，但是该运算存在功率损失。

以上研究工作表明，在保证较少运算量及较高捕获灵敏度的情况下，设计一种既能够捕获弱信号又能够保证较快运算速度的算法具有极其重要的意义。

本文针对ＧＰＳ弱信号捕获难题，首先简要介绍了ＤＢＺＰ（ｄｏｕｂｌｅ　ｂｌｏｃｋ　ｚｅｒｏ　ｐａｄｄｉｎｇ）算法的原理，通过分析得出该算法具有较好的弱信号捕获能力和快速的运算速度，但是该算法具有相关运算结果利用率低的缺点。

针对这一问题，本文在ＤＢＺＰ算法的基础上，提出了一种改进算法。

该算法采用延迟累加的方法，不仅能够提高相关运算结果的利用效率，而且能够更好地适应弱信号环境。

１　基于ＤＢＺＰ的改进捕获方法本文介绍的改进算法主要基于ＤＢＺＰ方法，因此有必要介绍ＤＢＺＰ算法的具体实现过程，其流程如图１所示。

根据文献［１９］可知，该算法在估计导航数据位的基础上，能够进行长时间的相干累计，这样就保证了其对弱信号的捕获性能。

此外，在相关运算之前，对基带信号和本地信号均进行了分块处理，这样进行ＦＦＴ的点数就很少，导致捕获过程的整体运算量得到极大地减少。

相比现有很多弱信号捕获算法捕获时间很长的问题，ＤＢＺＰ算法的优势非常明显。

图１　ＤＢＺＰ算法原理图Ｆｉｇ．１　Ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ＤＢＺＰ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ５４Ｊａｎｕａｒｙ　２０１６Ｖｏｌ．４５Ｎｏ．１ＡＧＣＳ　ｈｔｔｐ：∥ｘｂ．ｓｉｎｏｍａｐｓ．ｃｏｍ 在ＤＢＺＰ算法中，每次相关运算结果输出的２　Ｎ个点，总是只保留前Ｎ个点，舍弃后Ｎ个点。

这种方法进行了２　Ｎ个点的相关运算，但仅仅将相关运算结果的前Ｎ个点视为有用数据，只保留一半的运算结果，降低了运算结果的利用效率。

改进算法采用延迟叠加的方法，将初始相关结果的后Ｎ个点暂存起来，然后将基带信号进行延迟，重复运算步骤，得到新的相关运算结果，将结果中的前Ｎ个点与之前暂存的Ｎ个点进行叠加，作为捕获结果输出，算法具体流程如图２所示。

图２　改进算法流程Ｆｉｇ．２　Ｔｈｅ　ｓｃｈｅｍａｔｉｃ　ｄｉａｇｒａｍ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ　ａｌｇｏｒｉｔｈｍ主要步骤如下。

第１步：采用Ｔ－ｍｓ接收信号，将其分为ｍ＋１块，定义每个子块的大小为Ｎ，将相邻的两个子块组合，构成ｍ个２　Ｎ长度的双块。

第２步：将本地复现的Ｃ／Ａ码分为ｍ块，每个子块的大小均为Ｎ，用零元素将每个子块拓展成２　Ｎ长度的双块。

第３步：将对应的双块进行相关运算，得到ｍ个２　Ｎ点的相关运算结果，将其中第ｋ个相关运算结果前Ｎ点和后Ｎ点相关序列结果分别保存，记为ｒｋ（ｎ）和ｒ′ｋ＋１（ｎ）。

第４步：将本地复现的Ｃ／Ａ码循环延迟１个子块，重复第２步到第３步，得到ｍ×ｍ个相关运算结果。

第５步：将接收信号延迟１ｍｓ，采用同样长度的信号。

重复第１步到第４步，输出的２　Ｎ个点相关值分别记为ｒｋ＋１（ｎ）与ｒ′ｋ＋２（ｎ）。

将叠加结果ｒｋ＋１（ｎ）＋ｒ′ｋ＋１（ｎ）作为累加输出存入ｍ×ｍ矩阵中。

第６步：将得到的ｍ×ｍ个相关子块结果对应元素取模值，取其中的最大累积值。

将最大累积结果与阈值比较。

若有元素模值大于预先设定的阈值即认为信号被捕获，元素对应的位置标定了的Ｃ／Ａ码相位与多普勒频率；若没有元素模值大于预先设定的阈值，则重新读取新的Ｔ－ｍｓ基带信号，重复步骤第１步到第５步。

从算法过程中可以看出，改进算法通过保留相关运算结果的后Ｎ个点，提高了相关运算结果的利用率，增加了数据观测量。

此外，对于相关运算结果，通过重叠叠加的方法增加了相关累加的过程。

因此，根据理论分析，相比ＤＢＺＰ算法，改进算法在增加一次相加运算的前提下，增加了数据观测量和相干累加时间，用很少的运算量换取了较大的处理增益，捕获结果应具有更高的相关峰值，且其捕获性能也应更加优越。