弱信號(hào)條件下GPS接收機(jī)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(hào)條件對(duì)于GPS工作有效開(kāi)展的影響、對(duì)弱信號(hào)條件下GPS接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究的重要性三個(gè)方面概述主題出發(fā)，重點(diǎn)探討了弱信號(hào)條件下GPS接收機(jī)具體的關(guān)鍵技術(shù)，包括弱信號(hào)捕獲技術(shù)、互相關(guān)干擾抑制技術(shù)以及信號(hào)跟蹤技術(shù)等，以期為相關(guān)的理論研究和具體的實(shí)踐工作提供一定的借鑒。

關(guān)鍵詞：弱信號(hào) GPS接收機(jī) 關(guān)鍵技術(shù)

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

1 弱信號(hào)條件下GPS接收機(jī)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(guó)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(guó)的陸?？杖娺M(jìn)行實(shí)時(shí)性、全天候的導(dǎo)航服務(wù)，進(jìn)而開(kāi)展情報(bào)收集以及應(yīng)急通訊等活動(dòng)。隨著時(shí)間的推移，這項(xiàng)技術(shù)經(jīng)歷了近四十余年的發(fā)展，逐漸實(shí)現(xiàn)了在民用領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用，形成了多領(lǐng)域、多用途、多機(jī)型的高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)。

1.2 弱信號(hào)條件對(duì)于GPS工作有效開(kāi)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(duì)于普通的手持用戶來(lái)說(shuō)，市區(qū)的室內(nèi)是主要的應(yīng)用范圍。在以上環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)GPS信號(hào)驟減的現(xiàn)象，有時(shí)甚至只有24dB/Hz。對(duì)于普通的商用型接收機(jī)來(lái)說(shuō)，主要面向的信號(hào)強(qiáng)度是-130dBm。當(dāng)信號(hào)質(zhì)量的惡化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)常規(guī)接收機(jī)的工作范圍內(nèi)后，會(huì)對(duì)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(yùn)行。GPS接受設(shè)備在上述惡劣環(huán)境中，會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用情況不能完全協(xié)調(diào)用戶需求的情況，對(duì)應(yīng)用領(lǐng)域的拓展產(chǎn)生了嚴(yán)重的制約。

1.3 對(duì)弱信號(hào)條件下GPS接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展研究的重要性

中國(guó)是衛(wèi)星導(dǎo)航產(chǎn)品消費(fèi)的大國(guó)。僅僅從已經(jīng)被廣泛運(yùn)用并且發(fā)展成熟的GPS方面來(lái)說(shuō)，我國(guó)目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上較為常見(jiàn)的核心接收設(shè)備大部分都是從美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口的。在我國(guó)國(guó)內(nèi)廠家中很少見(jiàn)到有獨(dú)立開(kāi)發(fā)成功的先例，大部分都是以發(fā)達(dá)國(guó)家進(jìn)口產(chǎn)品進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，產(chǎn)生新產(chǎn)品。除此之外，我國(guó)對(duì)于高靈敏度的接收機(jī)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(guó)自主研發(fā)水平，對(duì)于弱信號(hào)條件下GPS接收機(jī)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(hào)接收處理技術(shù)，能夠提升接收機(jī)在弱信號(hào)條件下導(dǎo)航定位功能的可靠穩(wěn)定性。

2 弱信號(hào)條件下GPS接收機(jī)具體的關(guān)鍵技術(shù)研究

從我國(guó)目前的研究實(shí)踐來(lái)看，弱信號(hào)環(huán)境條件下對(duì)于GPS接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括高靈敏度GPS、射頻識(shí)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(shí)質(zhì)是利用較高的投入來(lái)實(shí)現(xiàn)接收機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)于微弱的GPS信號(hào)的跟蹤，也有部分因?yàn)榫葐?wèn)題無(wú)法實(shí)現(xiàn)用戶需求的達(dá)成。從目前的研究實(shí)踐來(lái)看，弱信號(hào)捕獲技術(shù)、互相關(guān)干擾抑制技術(shù)以及信號(hào)跟蹤技術(shù)都是較為先進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)，需要我們開(kāi)展更為深入的研究和探討。

2.1 弱信號(hào)捕獲技術(shù)

因?yàn)樵肼暤墓β室h(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)功率，所以對(duì)于利用碼分多址技術(shù)進(jìn)行頻譜擴(kuò)展的GPS信號(hào)來(lái)說(shuō)，在進(jìn)行捕獲時(shí)，在高處理增益方面，要注意有效利用擴(kuò)頻帶來(lái)的增益，還要長(zhǎng)時(shí)間累積單次捕獲結(jié)果。對(duì)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(hào)處理技術(shù)利用的必然選擇。在對(duì)弱信號(hào)進(jìn)行捕獲時(shí)，大部分都需要依靠FFT的頻域并行方式開(kāi)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(yùn)用的過(guò)程中能夠?qū)崿F(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的信號(hào)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(hào)捕獲活動(dòng)開(kāi)展的基礎(chǔ)，受到很多領(lǐng)域的廣泛青睞。對(duì)于后續(xù)的改進(jìn)方法來(lái)說(shuō)，大多數(shù)都是對(duì)于相干積分法進(jìn)行優(yōu)化和改善，主要的研發(fā)重點(diǎn)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(jī)在進(jìn)行擴(kuò)頻信號(hào)的捕獲時(shí)，需要運(yùn)用相關(guān)的方法，實(shí)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(jī)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(lái)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(qiáng)信號(hào)的跟蹤之后，估計(jì)強(qiáng)信號(hào)的幅度、相位以及頻率等基本信息，進(jìn)行強(qiáng)信號(hào)的重構(gòu)，而后在原來(lái)的信號(hào)中進(jìn)行消除，然后在這個(gè)基礎(chǔ)上處理弱信號(hào)。這種方法需要進(jìn)行大量存儲(chǔ)單元的運(yùn)用，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的存儲(chǔ)。這項(xiàng)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(hào)檢測(cè)器進(jìn)行相關(guān)的設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)信號(hào)到信號(hào)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?yàn)轭l繁的矩陣求逆操作會(huì)實(shí)現(xiàn)大量時(shí)間的耗費(fèi)，所以其實(shí)時(shí)性很差。

2.3 信號(hào)跟蹤技術(shù)

在高動(dòng)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(hào)頻率和相位急劇變化的預(yù)估和推斷。而在弱信號(hào)環(huán)境下，跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)了向高動(dòng)態(tài)應(yīng)用的借鑒。而在弱信號(hào)環(huán)境中，從有用信號(hào)功率下降中產(chǎn)生的最大干擾源，也就是熱噪聲方面來(lái)看，需要采用更加長(zhǎng)的積累時(shí)間進(jìn)行增益的獲取。因?yàn)閿?shù)據(jù)電文進(jìn)行符號(hào)跳變的頻率較高，而且無(wú)法進(jìn)行較為科學(xué)合理的預(yù)測(cè)，所以，工作人員只能初步找出電文數(shù)據(jù)位邊界，實(shí)現(xiàn)跨越數(shù)據(jù)位邊界的有效避免，盡量減少錯(cuò)誤解調(diào)結(jié)果的形成。在這個(gè)過(guò)程中，主要采用的方式是直方圖法以及K-P法。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)弱信號(hào)條件下GPS接收機(jī)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展更為深入的研究和探討，具有很高的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。

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