高靈敏度GPS捕獲技術研究綜述

摘要：介紹了高靈敏度GPS捕獲技術的概念，按照提升靈敏度方式的不同將當前高靈敏度GPS捕獲技術分為信噪比提升方法、互相關干擾抑制方法和輔助GPS捕獲方法，分析了三種方法各自的特點及提高靈敏度所采用的途徑，論述了高靈敏度GPS捕獲技術的國內外研究現狀，指出了高靈敏度GPS捕獲技術的關鍵技術和未來的發展趨勢。

關鍵詞：GPS；高靈敏度；信噪比；互相關干擾；輔助GPS

中圖分類號：TN911.25；P228.4 文獻標識碼：A 文章編號：1673-5048（2014）02-0019-08

0、引言

GPS全球衛星導航系統以其全球性、全天候、高精度等特點，在航空、航天、航海、大地測量、工程測量、交通、資源勘探等領域得到了廣泛應用。由于GPS在軍事和民用方面都存在著極高的應用價值，世界各國都加大了對自身的衛星導航系統研究、建設和開發。俄羅斯開發的GLONASS衛星導航系統于2011年底實現全球覆蓋，歐盟正在逐步研制以高質量民用服務為主的伽利略衛星導航系統。捕獲技術作為GPS導航定位的首個環節，其優劣直接關系到GPS接收機的性能。

目前，正常狀態下的GPS捕獲技術已經發展得比較成熟。但是，當用戶處于信息化戰場、叢林、城市峽谷、立交橋、隧道、森林和室內等微弱信號或強干擾環境下，GPS信號由于一些自然或人為原因受到嚴重削弱，給GPS信號捕獲帶來麻煩，使GPS信號的品質嚴重惡化，可用性大幅下降。這時，普通的GPS接收機將難以對衛星信號進行成功捕獲，而高靈敏度GPS捕獲技術就是解決在弱信號、高動態、強干擾等復雜環境下GPS接收機能夠正常捕獲信號的技術。

高靈敏度GPS捕獲技術與傳統的捕獲技術相比，有以下幾方面優勢：

（1）在低信噪比環境下，縮短了GPS接收機的首次定位時間，同時延長了捕獲過程的積分時間，提高了信噪比；

（2）在弱信號環境下，能夠提高接收機的捕獲性能：

（3）有效消除了捕獲過程中強信號對弱信號的互相關干擾，提高了接收機捕獲靈敏度；

（4）限制了高動態環境下的多普勒頻移和偽隨機碼動態延時，縮短了重捕獲時間，提高了接收機捕獲動態性能。

由于高靈敏度GPS捕獲技術的高度優越性以及巨大的應用潛力，已成為GPS技術研究的一個重要發展方向，本文對其研究現狀和發展趨勢進行綜述。

1、高靈敏度GPS捕獲技術研究現狀

20世紀末，高靈敏度GPS捕獲技術開始受到關注，美國的SiRF公司和瑞士的U-blox公司對此已有十多年的研究歷史，并且取得了一些重要成果。SiRF五代芯片可以達到-148 dBm的捕獲靈敏度，而U-blox公司推出的G6000芯片也可以達到-144 dBm的捕獲靈敏度。日本NEC公司生產的GPS接收機能夠捕獲到-152 dBm的GPS信號，并且在建筑物內可以精確定位。另外，國外一些著名高校和研究機構也在高靈敏度GPS捕獲技術領域開展了廣泛的研究。其中，加拿大的卡爾加里大學PLAN研究小組在高靈敏度捕獲算法以及硬件研制方面處于世界領先地位。

國內衛星導航領域研究起步較晚，目前的GPS芯片大多來自國外，國內主要進行二次開發，側重于普通環境下GPS接收機的應用研究，如大地測量、車輛導航等，對復雜微弱信號環境下的GPS技術研究涉及得很少。近年來，國內一些高校雖然也開展了一些高靈敏度GPS捕獲技術研究，但是，總的來說還處在理論研究階段，離實際工程應用還有較大距離。

目前，導航比特符號翻轉、多普勒頻移以及強信號對弱信號的互相關干擾是限制捕獲靈敏度提高的三大因素。按提高捕獲靈敏度的方式不同，可以將高靈敏度GPS捕獲技術分為信噪比提升、互相關干擾抑制和輔助GPS捕獲等三種方法。

1.1 信噪比提升方法

信噪比提升方法是指在控制導航比特符號翻轉以及多普勒搜索頻點數增加的條件下，有效延長相干累積和非相干累積時間，提高累積增益，從而達到提高信噪比的目的。相干累積是提升信噪比最顯著的手段，但相干累積時間的增加會導致搜索的多普勒頻點數增加，同時導航電文的存在以及比特邊界的未知也限制了相干累積時間，另外，接收機的晶振穩定性抑制了最大相干累積時間。非相干累積可以有效地避免相干累積存在的這些問題，但由于平方損耗的影響，增益提升隨著累積時間的增加效果越發不明顯，還會遇到計算量和存儲資源等問題，需要以快速算法提高信噪比。因此，目前的研究熱點集中在快速有效地延長累積時間以及捕獲速度優化方法等方面。

1.1.1 快速有效地延長累積時間

延長累積時間的基本方法包括相干累積和非相干累積。2000年，Chansarkar M等。分析了在無輔助信息情況下，長時間相干累積方法捕獲的局限性及其理論限制。2001年，Psiaki M L等對相干累積和非相干累積的理論可用性進行了進一步探討，指出相干累積受累積時間限制，非相干累積受“平方損耗”影響。Choi I H等等對非相干累積的方法進行修正，使平方損耗小于常規的方法。針對非相干累積的平方損耗問題，卡爾加里大學的Shanmugam S K等提出了一種提升方法——差分相干累積，并通過硬件資源和重構的GPSC/A碼實現了弱信號捕獲。差分相干累積用在GPS信號捕獲時，可以有效避免比特極性的影響。1 ms相干累積值延遲差分后就可以進行長時間相干積分，但是差分過程會造成信噪比的損耗。根據Yu Wei等的分析，差分相干累積比非相干累積會有1.2～1.6 dB的性能提升。近年來，許多學者致力于研究不同基本方法的組合模式，Esteves P等提出了差分相干一非相干結合捕獲算法，并可以根據信號強弱自適應調整積分時間，為室內或峽谷定位提供了可能。

導航比特符號翻轉是限制累積時間延長最主要的因素，學者對如何快速有效地去除導航比特符號翻轉做了大量的研究。2000年，Lin D M等提出了一種半比特捕獲算法，將20 ms數據分成兩塊，每一塊獨立地進行10 ms相干積分，再將相干積分的結果進行多次非相干積分，避免了比特符號翻轉的影響。2004年，Ziedan N I等提出估計導航數據最佳組合的圓周相關法，這種方法首先估計出長積分時間內導航數據的最佳組合，消除導航數據造成的相位反轉影響，實現累積時間內的同號相干積分累加。和相干、非相干積分法相比，估計導航數據最佳組合的圓周相關法具有更好的性能，但這種方法計算比較復雜，需要很大的運算量，不適用于軟件接收機。2006年，ChuangMing-Yu等提出了一種自適應捕獲算法，它實質上是一種尋找比特符號翻轉沿的方法，根據信噪比調整非相干累積次數，提高了復雜環境下捕獲信號的累積時間。2012年，Ding Ren-Tian等提出了一種低復雜度的捕獲算法，利用匹配濾波原理，去除了導航比特符號翻轉帶來的影響。

1.1.2 捕獲速度優化方法

高靈敏度捕獲技術若要真正實用，不能只停留在對累積時間的要求上。真正成熟可靠的高靈敏度接收機，還要實現盡量快速定位，要求盡量短的首次定位時間（TFFF）。首次定位時間主要依賴于采取的捕獲算法能達到的平均捕獲時間。頻率搜索范圍、頻率槽的大小或者搜索單元的數目、每個搜索單元駐留時間都關系著平均捕獲時間。而且，延長累積時間會導致在捕獲信號過程中進行大量的相關運算，從而導致接收機負擔極重。

為了解決此問題，一些學者從減少相關運算次數、優化捕獲算法等層面展開研究。1991年，Van Nee D J R等首次提出提高捕獲速度是優化捕獲技術十分重要的問題，并提出了一種基于FFF/IFFT的時域并行搜索方法，極大地降低了時域并行中的運算復雜度。2001年，針對提升信噪比最顯著的相干累積方法，Lin D M等提出了雙塊補零（DBZP）法，利用更少的運算量來處理相干累積，此方法已廣泛應用于高靈敏度捕獲技術中。Starzyk J A等提出了一種通過減少循環相關點數來減少運算的方法，將屬于同一碼片的采樣值相加，來減少點數。2006年，Burgi C用了超大量的并行相關器，同時搜索所有衛星的PRN碼相位和多普勒頻率，完成快速首次定位。O’Hanlon Bw等采用DSP結合大規模相關器陣列完成相關運算和累積時間，實現快速捕獲。莫建文等在2011年提出了一種新的高靈敏度捕獲思路，利用隨機共振進行微弱信號檢測，避免了傳統的增加積分時間來提高捕獲靈敏度，同時采用FFF譜分析方法，實現了信號的高靈敏度快速捕獲。2012年，Tamazin M等將快速正交搜索法用在了信號捕獲方面，減小了均方誤差，提高了信噪比。

此外，一些學者利用統計學原理對不同信噪比提升方法的性能進行了理論上的分析對比。O’Dfiscoll C詳細分析了弱信號并行捕獲中殘留載波多普勒、碼多普勒和導航數據調制對捕獲判決量的影響之后，推導了采用不同積分方法的判決量統計特性，為判決門限的設置奠定理論基礎。BofioD 針對非相干累積，提出了一種更好的評價其性能的指標參數——等價相干輸出信噪比。對于差分相干累積，其判決量的統計特性的分析較為繁雜。Rodfiguez J A A等對一種特殊形式的差分相干累積判決量的統計特性進行了分析。YuWei等不僅對差分相干累積進行了高斯近似的分析，還給出了差分相干累積的蒙特卡羅仿真結果，即差分相干累積相對于非相干累積能夠提高約1.6 dB的捕獲靈敏度。陜西科技大學的陳景霞等根據統計學知識，提出一種采用序貫概率比檢測GPS高靈敏度捕獲方法，能夠適應不同強度信號的捕獲，有效縮短強信號的捕獲時間，提高了信噪比。卡爾加里大學的O’Dfiscoll c利用統計學理論，詳細地分析了考慮噪聲以及導航比特符號翻轉時，不同捕獲方法的捕獲概率與載噪比、累積時間之間的關系。

1.2 互相關干擾抑制方法

在強、弱信號共存的條件下，某些信號被遮擋，而其他的可見衛星信號可以直達接收機，當這些強信號和弱信號的功率差超過24 dB時，某些碼相位和載波頻率上，強信號和弱信號對應的互相關值會超過弱信號的自相關值，信號不能被檢測，導致捕獲失敗，限制了接收機靈敏度的提高。因此，需要通過跟蹤獲得的強信號信息，重構強信號，以此為基礎估計并消除互相關，以檢測到弱信號。互相關干擾抑制方法的實現流程如圖1所示。

Holtzman J M在1994年做出了開拓性的工作，提出了連續干擾消除法，即在跟蹤到強信號后，對強信號的幅度、相位、頻率進行估計，根據估計結果重構強信號，并從原信號中減去，再進行弱信號處理。此方法需要大量的存儲單元用于信號的存儲。連續干擾消除法已用于GPS偽衛星技術中。Zhao L等在2003年提出了子空間投影法，通過設計匹配信號檢測器，將強信號投影到信號的子空間，可以有效地抑制互相關干擾。2007年，Morton Y T等對該算法的性能進行了詳細分析，指出該算法需要頻繁矩陣求逆操作，實時性較差。互相關干擾方面的權威專家新南威爾士大學的Glennon E P于2005年提出了一種新的GPS互相關抑制方法，這種方法改變碼周期中1和-1的個數，均衡了碼的特性。2006年，GlennonE p又提出了一種互延遲并行互相關干擾消除法。在該算法中，首先估計互相關干擾，然后從弱信號的自相關結果中減去互相關干擾部分，從而消除強信號對弱信號檢測結果的影響。該算法能有效消除互相關效應的影響，但是，對每個弱信號衛星的檢測需要重建所有強信號通道，而通道太多難以硬件實現。2010年，Sousa F 針對互相關干擾對捕獲性能的影響，對子空間投影法做了一系列的改進，可以較好地將強、弱信號進行分離，達到抑制互相關干擾的目的。

此外，國內學者對互相關干擾抑制方法也有一定的研究。唐衛濤等提出采用Q路濾波法，能夠完全消除互相關干擾，但同時也會使信噪比下降3 dB左右。梁坤等將頻差因子引入信號互相關檢測中，并與并行互相關消除法結合，無需考慮量化位數的影響，且計算量較小，理論上取得了較好的效果。2011年，宋新剛等利用一個通道重構所有強信號，并從自相關結果中去除互相關部分，在強弱信號相差30 dB的條件下，有效地消除了互相關干擾。

1.3 輔助GPS捕獲方法

輔助GPS捕獲方法主要指從良好信號環境下的定位服務器獲取輔助信息，以實現信號的捕獲。應用最廣的輔助GPS捕獲方法是慣導（SINS）輔助GPS捕獲技術。在高動態環境下，載體和GPS衛星之間的高速運動使得信號產生了很大的多普勒頻移，對信號捕獲頻域的搜索帶寬提出了較高的要求，使得搜索頻點數增加，導致數據處理量增大。由于慣導系統具有自主性強、連續性好等特點，能夠即時提供載體的位置、速度和姿態等信息，使接收機可以預估出高速運動產生的多普勒頻移，進而減少頻率搜索和縮短捕獲時間。慣導輔助GPS捕獲方法的實現流程如圖2所示。

由跟蹤環鎖定檢測器啟動信號粗捕獲模塊。粗捕獲模塊根據慣導提供的速度和位置信息及歷書，可以解算出載體和衛星之間的多普勒頻移；利用慣導位置信息結合歷書的輔助，可以計算出偽距，從而得到碼偏移。將估計的頻偏量和碼相位偏移作為搜索范圍的中心，并根據慣導信息的不確定性設定搜索邊界，控制本地載波和碼NCO在此范圍內搜索，從而大大減小載波頻率和碼相位兩個方向的搜索范圍，提高信號捕獲的速度。完成粗捕獲過程，并將結果送給精捕獲部分。在慣導預計的多普勒頻點附近進行時長為一個導航數據位的相干積分，完成精捕獲。

2001年，Djuknic G M等首次提出了輔助GPS捕獲的概念，并表示輔助GPS捕獲技術可以預估碼和多普勒頻率的位置，以消除導航比特符號翻轉的影響和延長累積時間。2003年，Choi I H等指出，可以利用慣性導航提供的導航數據輔助GPS捕獲，提高捕獲動態能力。卡爾加里大學的Gao Guo-Jiang等針對復雜微弱信號環境，詳細地闡述了慣導輔助GPS捕獲技術的原理，指出可以大大減小多普勒的搜索范圍。2007年，Liu Zhi-Xing等提出了定時移動網絡輔助GPS捕獲技術，可以縮短首次定位時間和減小PN碼的搜索范圍，以延長相干累積時間。2008年，Dovis F等提出了一種輔助高靈敏度GPS捕獲方法，通過輔助信息，提高靈敏度的同時，降低了捕獲復雜度，可以提高相干累積時間到2 s。2011年，SoghoyanA等開發了一套NI LabVIEW輔助GPS仿真器，為弱信號環境下的接收機提供星歷參數，并在FP-GA上對性能進行了驗證。2012年，Shafiee M等提出了一種無線網絡輔助GPS捕獲方法，利用無線網絡提供參考時間，大大縮短了首次定位時間，提高了捕獲靈敏度。同年，Sadrieh S N等提出了雙接收機輔助GPS捕獲方法，利用正常環境下接收機的解算多普勒和鐘差，對復雜環境下的接收機捕獲過程進行輔助，實驗表明可以提高200 ms的相干積分時間。

國內學者對輔助GPS捕獲方法的研究主要集中在慣導輔助方面。南京航空航天大學的袁俊剛、北京航空航天大學的張敏虎、沈陽理工大學的趙晴等人，都提出了利用慣導速度信息輔助GPS方法，可以有效縮小多普勒頻率搜索范圍，縮短捕獲時間，同時提高捕獲靈敏度。

2、高靈敏度GPS捕獲技術性能分析

信噪比提升方法、互相關干擾抑制方法和輔助GPS捕獲方法針對不同的環境、采取不同的途徑來提高GPS的捕獲靈敏度。表1對高靈敏度捕獲技術的不同方法進行了性能對比。通過對比可以發現，信噪比提升方法主要解決的兩大問題是去除導航比特符號翻轉以及提高捕獲增益，其針對的主要是弱信號環境提高捕獲靈敏度的問題。互相關干擾方法主要解決的是強信號對弱信號造成的干擾問題，所研究的方法集中在如何去除強信號和弱信號的互相關方面，也有方法兼顧了導航比特符號翻轉問題。輔助GPS捕獲方法主要是解決高動態環境下的GPS信號捕獲問題，處理方法集中在減小多普勒搜索范圍以及縮短首次定位時間等方面。

圖3更直觀地展示了高靈敏度GPS捕獲技術的發展歷程、特點和相應的高靈敏度產品，并且預測了未來高靈敏度捕獲技術的發展方向。從20世紀80年代開始，高靈敏度GPS捕獲技術的研究逐漸展開，起初主要針對信噪比。

提升方法展開研究，提出了最基本的相干累積和非相干累積方法，并對方法進行改進以及開展新的捕獲方法研究。20世紀90年代，信噪比提升方法方面最有代表性的研究成果為基于FFT快速捕獲算法的出現。另外，研究學者也開始重視強信號干擾問題及互相關干擾問題。進入21世紀，隨著人們所處環境的復雜化，高靈敏度捕獲技術成為導航領域研究的熱點，研究成果也不斷出現，很多公司都推出自己的高靈敏度GPS芯片，如表2所示。另外，輔助GPS捕獲方法也發展到利用無線通信網絡提供衛星鐘差、參考頻率、比特符號翻轉

3、高靈敏度GPS捕獲技術發展趨勢

隨著計算機、信號處理等技術的不斷發展以及各類導航系統的不斷完善，高靈敏度GPS捕獲技術日趨成熟。但由于用戶所處的環境越來越復雜，目前，在高靈敏度GPS捕獲技術方面發展主要有以下幾個方面：

（1）高靈敏度GPS捕獲技術深入研究

高靈敏度GPS捕獲技術中，無論信噪比提升方法、互相關干擾抑制方法還是輔助GPS捕獲方法，都面臨著一個共同問題——導航比特符號翻轉。能否快速準確地去除導航比特符號翻轉的影響，成為決定捕獲方案性能的關鍵。從目前的研究情況來看，已有的半比特算法、全比特算法以及圓周相關算法，捕獲增益提高不夠明顯，計算過于繁瑣，降低了捕獲的靈活性。尤其是在信號極弱的環境下，導航比特符號翻轉無法避免地會限制捕獲靈敏度。因此，如何設計出快速準確估計導航比特符號翻轉的方法，并應用于高靈敏度捕獲技術，將是未來研究的熱點。

（2）高靈敏度GPS捕獲技術的硬件實現

捕獲環節是接收機處理的第一個步驟，其靈敏度直接關系到GPS接收機整體的性能。目前，射頻前端產品以及GPS接收機性能的不斷完善，為高靈敏度捕獲技術的硬件實現打下了良好的基礎。但是，目前針對高靈敏度GPS捕獲技術的硬件實現方法，以及弱信號和高動態環境的高靈敏度GPS接收機的開發還相對較少。雖然國外某些公司已經開發出幾款高靈敏度GPS接收機，但缺乏技術細節，難以采用。因此，有必要進一步進行高靈敏度捕獲技術的硬件實現方法的研究。

（3）高靈敏度雙頻接收機捕獲技術研究

隨著GPS現代化進程，用戶波段新添加了L2C以及被稱作“生命安全”的L5波段，L2C和L5波段信號具有先進的碼結構以及提供電離層、對流層誤差修正等特點，與傳統的L1波段信號組成雙頻接收機，可以大幅度提高定位精度，歐洲航天局已經推出了L5波段的研究規劃，雙頻接收機成為近幾年的研究熱點。

目前，雙頻接收機的研究仍處在開發和調試階段，雖然Grant H等人率先開展了弱信號條件下L5波段信號捕獲技術研究，但是，如何在微弱信號環境下對L5波段信號進行有效捕獲，以及如何提高雙頻接收機的捕獲靈敏度，還需進行大量的研究工作。

4、結束語

高靈敏度GPS捕獲技術作為高靈敏度接收機設計的一個重要環節，在導航領域的研究中處在不可替代的地位。高靈敏度GPS捕獲技術的發展趨勢決定了導航接收機的發展趨勢，在工程應用方面，盡可能對成熟的高靈敏度捕獲方法進行改進，使其具備更廣泛的應用范圍，同時，需重視前沿技術的理論研究，為工程應用提供技術儲備。