高灵敏度GPS捕获技术研究综述
莫凡 王新龙
摘要：介绍了高灵敏度GPS捕获技术的概念，按照提升灵敏度方式的不同将当前高灵敏度GPS捕获技术分为信噪比提升方法、互相关干扰抑制方法和辅助GPS捕获方法，分析了三种方法各自的特点及提高灵敏度所采用的途径，论述了高灵敏度GPS捕获技术的国内外研究现状，指出了高灵敏度GPS捕获技术的关键技术和未来的发展趋势。
关键词：GPS；高灵敏度；信噪比；互相关干扰；辅助GPS
中图分类号：TN911.25；P228.4 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）02-0019-08
0、引言
GPS全球卫星导航系统以其全球性、全天候、高精度等特点，在航空、航天、航海、大地测量、工程测量、交通、资源勘探等领域得到了广泛应用。由于GPS在军事和民用方面都存在着极高的应用价值，世界各国都加大了对自身的卫星导航系统研究、建设和开发。俄罗斯开发的GLONASS卫星导航系统于2011年底实现全球覆盖，欧盟正在逐步研制以高质量民用服务为主的伽利略卫星导航系统。捕获技术作为GPS导航定位的首个环节，其优劣直接关系到GPS接收机的性能。
目前，正常状态下的GPS捕获技术已经发展得比较成熟。但是，当用户处于信息化战场、丛林、城市峡谷、立交桥、隧道、森林和室内等微弱信号或强干扰环境下，GPS信号由于一些自然或人为原因受到严重削弱，给GPS信号捕获带来麻烦，使GPS信号的品质严重恶化，可用性大幅下降。这时，普通的GPS接收机将难以对卫星信号进行成功捕获，而高灵敏度GPS捕获技术就是解决在弱信号、高动态、强干扰等复杂环境下GPS接收机能够正常捕获信号的技术。
高灵敏度GPS捕获技术与传统的捕获技术相比，有以下几方面优势：
（1）在低信噪比环境下，缩短了GPS接收机的首次定位时间，同时延长了捕获过程的积分时间，提高了信噪比；
（2）在弱信号环境下，能够提高接收机的捕获性能：
（3）有效消除了捕获过程中强信号对弱信号的互相关干扰，提高了接收机捕获灵敏度；
（4）限制了高动态环境下的多普勒频移和伪随机码动态延时，缩短了重捕获时间，提高了接收机捕获动态性能。
由于高灵敏度GPS捕获技术的高度优越性以及巨大的应用潜力，已成为GPS技术研究的一个重要发展方向，本文对其研究现状和发展趋势进行综述。
1、高灵敏度GPS捕获技术研究现状
20世纪末，高灵敏度GPS捕获技术开始受到关注，美国的SiRF公司和瑞士的U-blox公司对此已有十多年的研究历史，并且取得了一些重要成果。SiRF五代芯片可以达到-148 dBm的捕获灵敏度，而U-blox公司推出的G6000芯片也可以达到-144 dBm的捕获灵敏度。日本NEC公司生产的GPS接收机能够捕获到-152 dBm的GPS信号，并且在建筑物内可以精确定位。另外，国外一些著名高校和研究机构也在高灵敏度GPS捕获技术领域开展了广泛的研究。其中，加拿大的卡尔加里大学PLAN研究小组在高灵敏度捕获算法以及硬件研制方面处于世界领先地位。
国内卫星导航领域研究起步较晚，目前的GPS芯片大多来自国外，国内主要进行二次开发，侧重于普通环境下GPS接收机的应用研究，如大地测量、车辆导航等，对复杂微弱信号环境下的GPS技术研究涉及得很少。近年来，国内一些高校虽然也开展了一些高灵敏度GPS捕获技术研究，但是，总的来说还处在理论研究阶段，离实际工程应用还有较大距离。
目前，导航比特符号翻转、多普勒频移以及强信号对弱信号的互相关干扰是限制捕获灵敏度提高的三大因素。按提高捕获灵敏度的方式不同，可以将高灵敏度GPS捕获技术分为信噪比提升、互相关干扰抑制和辅助GPS捕获等三种方法。
1.1 信噪比提升方法
信噪比提升方法是指在控制导航比特符号翻转以及多普勒搜索频点数增加的条件下，有效延长相干累积和非相干累积时间，提高累积增益，从而达到提高信噪比的目的。相干累积是提升信噪比最显著的手段，但相干累积时间的增加会导致搜索的多普勒频点数增加，同时导航电文的存在以及比特边界的未知也限制了相干累积时间，另外，接收机的晶振稳定性抑制了最大相干累积时间。非相干累积可以有效地避免相干累积存在的这些问题，但由于平方损耗的影响，增益提升随着累积时间的增加效果越发不明显，还会遇到计算量和存储资源等问题，需要以快速算法提高信噪比。因此，目前的研究热点集中在快速有效地延长累积时间以及捕获速度优化方法等方面。
1.1.1 快速有效地延长累积时间
延长累积时间的基本方法包括相干累积和非相干累积。2000年，Chansarkar M等。分析了在无辅助信息情况下，长时间相干累积方法捕获的局限性及其理论限制。2001年，Psiaki M L等对相干累积和非相干累积的理论可用性进行了进一步探讨，指出相干累积受累积时间限制，非相干累积受“平方损耗”影响。Choi I H等等对非相干累积的方法进行修正，使平方损耗小于常规的方法。针对非相干累积的平方损耗问题，卡尔加里大学的Shanmugam S K等提出了一种提升方法——差分相干累积，并通过硬件资源和重构的GPSC/A码实现了弱信号捕获。差分相干累积用在GPS信号捕获时，可以有效避免比特极性的影响。1 ms相干累积值延迟差分后就可以进行长时间相干积分，但是差分过程会造成信噪比的损耗。根据Yu Wei等的分析，差分相干累积比非相干累积会有1.2～1.6 dB的性能提升。近年来，许多学者致力于研究不同基本方法的组合模式，Esteves P等提出了差分相干一非相干结合捕获算法，并可以根据信号强弱自适应调整积分时间，为室内或峡谷定位提供了可能。
导航比特符号翻转是限制累积时间延长最主要的因素，学者对如何快速有效地去除导航比特符号翻转做了大量的研究。2000年，Lin D M等提出了一种半比特捕获算法，将20 ms数据分成两块，每一块独立地进行10 ms相干积分，再将相干积分的结果进行多次非相干积分，避免了比特符号翻转的影响。2004年，Ziedan N I等提出估计导航数据最佳组合的圆周相关法，这种方法首先估计出长积分时间内导航数据的最佳组合，消除导航数据造成的相位反转影响，实现累积时间内的同号相干积分累加。和相干、非相干积分法相比，估计导航数据最佳组合的圆周相关法具有更好的性能，但这种方法计算比较复杂，需要很大的运算量，不适用于软件接收机。2006年，ChuangMing-Yu等提出了一种自适应捕获算法，它实质上是一种寻找比特符号翻转沿的方法，根据信噪比调整非相干累积次数，提高了复杂环境下捕获信号的累积时间。2012年，Ding Ren-Tian等提出了一种低复杂度的捕获算法，利用匹配滤波原理，去除了导航比特符号翻转带来的影响。
1.1.2 捕获速度优化方法
高灵敏度捕获技术若要真正实用，不能只停留在对累积时间的要求上。真正成熟可靠的高灵敏度接收机，还要实现尽量快速定位，要求尽量短的首次定位时间（TFFF）。首次定位时间主要依赖于采取的捕获算法能达到的平均捕获时间。频率搜索范围、频率槽的大小或者搜索单元的数目、每个搜索单元驻留时间都关系着平均捕获时间。而且，延长累积时间会导致在捕获信号过程中进行大量的相关运算，从而导致接收机负担极重。
为了解决此问题，一些学者从减少相关运算次数、优化捕获算法等层面展开研究。1991年，Van Nee D J R等首次提出提高捕获速度是优化捕获技术十分重要的问题，并提出了一种基于FFF/IFFT的时域并行搜索方法，极大地降低了时域并行中的运算复杂度。2001年，针对提升信噪比最显著的相干累积方法，Lin D M等提出了双块补零（DBZP）法，利用更少的运算量来处理相干累积，此方法已广泛应用于高灵敏度捕获技术中。Starzyk J A等提出了一种通过减少循环相关点数来减少运算的方法，将属于同一码片的采样值相加，来减少点数。2006年，Burgi C用了超大量的并行相关器，同时搜索所有卫星的PRN码相位和多普勒频率，完成快速首次定位。OHanlon Bw等采用DSP结合大规模相关器阵列完成相关运算和累积时间，实现快速捕获。莫建文等在2011年提出了一种新的高灵敏度捕获思路，利用随机共振进行微弱信号检测，避免了传统的增加积分时间来提高捕获灵敏度，同时采用FFF谱分析方法，实现了信号的高灵敏度快速捕获。2012年，Tamazin M等将快速正交搜索法用在了信号捕获方面，减小了均方误差，提高了信噪比。
此外，一些学者利用统计学原理对不同信噪比提升方法的性能进行了理论上的分析对比。ODfiscoll C详细分析了弱信号并行捕获中残留载波多普勒、码多普勒和导航数据调制对捕获判决量的影响之后，推导了采用不同积分方法的判决量统计特性，为判决门限的设置奠定理论基础。BofioD 针对非相干累积，提出了一种更好的评价其性能的指标参数——等价相干输出信噪比。对于差分相干累积，其判决量的统计特性的分析较为繁杂。Rodfiguez J A A等对一种特殊形式的差分相干累积判决量的统计特性进行了分析。YuWei等不仅对差分相干累积进行了高斯近似的分析，还给出了差分相干累积的蒙特卡罗仿真结果，即差分相干累积相对于非相干累积能够提高约1.6 dB的捕获灵敏度。陕西科技大学的陈景霞等根据统计学知识，提出一种采用序贯概率比检测GPS高灵敏度捕获方法，能够适应不同强度信号的捕获，有效缩短强信号的捕获时间，提高了信噪比。卡尔加里大学的ODfiscoll c利用统计学理论，详细地分析了考虑噪声以及导航比特符号翻转时，不同捕获方法的捕获概率与载噪比、累积时间之间的关系。
1.2 互相关干扰抑制方法
在强、弱信号共存的条件下，某些信号被遮挡，而其他的可见卫星信号可以直达接收机，当这些强信号和弱信号的功率差超过24 dB时，某些码相位和载波频率上，强信号和弱信号对应的互相关值会超过弱信号的自相关值，信号不能被检测，导致捕获失败，限制了接收机灵敏度的提高。因此，需要通过跟踪获得的强信号信息，重构强信号，以此为基础估计并消除互相关，以检测到弱信号。互相关干扰抑制方法的实现流程如图1所示。
Holtzman J M在1994年做出了开拓性的工作，提出了连续干扰消除法，即在跟踪到强信号后，对强信号的幅度、相位、频率进行估计，根据估计结果重构强信号，并从原信号中减去，再进行弱信号处理。此方法需要大量的存储单元用于信号的存储。连续干扰消除法已用于GPS伪卫星技术中。Zhao L等在2003年提出了子空间投影法，通过设计匹配信号检测器，将强信号投影到信号的子空间，可以有效地抑制互相关干扰。2007年，Morton Y T等对该算法的性能进行了详细分析，指出该算法需要频繁矩阵求逆操作，实时性较差。互相关干扰方面的权威专家新南威尔士大学的Glennon E P于2005年提出了一种新的GPS互相关抑制方法，这种方法改变码周期中1和-1的个数，均衡了码的特性。2006年，GlennonE p又提出了一种互延迟并行互相关干扰消除法。在该算法中，首先估计互相关干扰，然后从弱信号的自相关结果中减去互相关干扰部分，从而消除强信号对弱信号检测结果的影响。该算法能有效消除互相关效应的影响，但是，对每个弱信号卫星的检测需要重建所有强信号通道，而通道太多难以硬件实现。2010年，Sousa F 针对互相关干扰对捕获性能的影响，对子空间投影法做了一系列的改进，可以较好地将强、弱信号进行分离，达到抑制互相关干扰的目的。
此外，国内学者对互相关干扰抑制方法也有一定的研究。唐卫涛等提出采用Q路滤波法，能够完全消除互相关干扰，但同时也会使信噪比下降3 dB左右。梁坤等将频差因子引入信号互相关检测中，并与并行互相关消除法结合，无需考虑量化位数的影响，且计算量较小，理论上取得了较好的效果。2011年，宋新刚等利用一个通道重构所有强信号，并从自相关结果中去除互相关部分，在强弱信号相差30 dB的条件下，有效地消除了互相关干扰。
1.3 辅助GPS捕获方法
辅助GPS捕获方法主要指从良好信号环境下的定位服务器获取辅助信息，以实现信号的捕获。应用最广的辅助GPS捕获方法是惯导（SINS）辅助GPS捕获技术。在高动态环境下，载体和GPS卫星之间的高速运动使得信号产生了很大的多普勒频移，对信号捕获频域的搜索带宽提出了较高的要求，使得搜索频点数增加，导致数据处理量增大。由于惯导系统具有自主性强、连续性好等特点，能够即时提供载体的位置、速度和姿态等信息，使接收机可以预估出高速运动产生的多普勒频移，进而减少频率搜索和缩短捕获时间。惯导辅助GPS捕获方法的实现流程如图2所示。
由跟踪环锁定检测器启动信号粗捕获模块。粗捕获模块根据惯导提供的速度和位置信息及历书，可以解算出载体和卫星之间的多普勒频移；利用惯导位置信息结合历书的辅助，可以计算出伪距，从而得到码偏移。将估计的频偏量和码相位偏移作为搜索范围的中心，并根据惯导信息的不确定性设定搜索边界，控制本地载波和码NCO在此范围内搜索，从而大大减小载波频率和码相位两个方向的搜索范围，提高信号捕获的速度。完成粗捕获过程，并将结果送给精捕获部分。在惯导预计的多普勒频点附近进行时长为一个导航数据位的相干积分，完成精捕获。
2001年，Djuknic G M等首次提出了辅助GPS捕获的概念，并表示辅助GPS捕获技术可以预估码和多普勒频率的位置，以消除导航比特符号翻转的影响和延长累积时间。2003年，Choi I H等指出，可以利用惯性导航提供的导航数据辅助GPS捕获，提高捕获动态能力。卡尔加里大学的Gao Guo-Jiang等针对复杂微弱信号环境，详细地阐述了惯导辅助GPS捕获技术的原理，指出可以大大减小多普勒的搜索范围。2007年，Liu Zhi-Xing等提出了定时移动网络辅助GPS捕获技术，可以缩短首次定位时间和减小PN码的搜索范围，以延长相干累积时间。2008年，Dovis F等提出了一种辅助高灵敏度GPS捕获方法，通过辅助信息，提高灵敏度的同时，降低了捕获复杂度，可以提高相干累积时间到2 s。2011年，SoghoyanA等开发了一套NI LabVIEW辅助GPS仿真器，为弱信号环境下的接收机提供星历参数，并在FP-GA上对性能进行了验证。2012年，Shafiee M等提出了一种无线网络辅助GPS捕获方法，利用无线网络提供参考时间，大大缩短了首次定位时间，提高了捕获灵敏度。同年，Sadrieh S N等提出了双接收机辅助GPS捕获方法，利用正常环境下接收机的解算多普勒和钟差，对复杂环境下的接收机捕获过程进行辅助，实验表明可以提高200 ms的相干积分时间。
国内学者对辅助GPS捕获方法的研究主要集中在惯导辅助方面。南京航空航天大学的袁俊刚、北京航空航天大学的张敏虎、沈阳理工大学的赵晴等人，都提出了利用惯导速度信息辅助GPS方法，可以有效缩小多普勒频率搜索范围，缩短捕获时间，同时提高捕获灵敏度。
2、高灵敏度GPS捕获技术性能分析
信噪比提升方法、互相关干扰抑制方法和辅助GPS捕获方法针对不同的环境、采取不同的途径来提高GPS的捕获灵敏度。表1对高灵敏度捕获技术的不同方法进行了性能对比。通过对比可以发现，信噪比提升方法主要解决的两大问题是去除导航比特符号翻转以及提高捕获增益，其针对的主要是弱信号环境提高捕获灵敏度的问题。互相关干扰方法主要解决的是强信号对弱信号造成的干扰问题，所研究的方法集中在如何去除强信号和弱信号的互相关方面，也有方法兼顾了导航比特符号翻转问题。辅助GPS捕获方法主要是解决高动态环境下的GPS信号捕获问题，处理方法集中在减小多普勒搜索范围以及缩短首次定位时间等方面。
图3更直观地展示了高灵敏度GPS捕获技术的发展历程、特点和相应的高灵敏度产品，并且预测了未来高灵敏度捕获技术的发展方向。从20世纪80年代开始，高灵敏度GPS捕获技术的研究逐渐展开，起初主要针对信噪比。
提升方法展开研究，提出了最基本的相干累积和非相干累积方法，并对方法进行改进以及开展新的捕获方法研究。20世纪90年代，信噪比提升方法方面最有代表性的研究成果为基于FFT快速捕获算法的出现。另外，研究学者也开始重视强信号干扰问题及互相关干扰问题。进入21世纪，随着人们所处环境的复杂化，高灵敏度捕获技术成为导航领域研究的热点，研究成果也不断出现，很多公司都推出自己的高灵敏度GPS芯片，如表2所示。另外，辅助GPS捕获方法也发展到利用无线通信网络提供卫星钟差、参考频率、比特符号翻转
3、高灵敏度GPS捕获技术发展趋势
随着计算机、信号处理等技术的不断发展以及各类导航系统的不断完善，高灵敏度GPS捕获技术日趋成熟。但由于用户所处的环境越来越复杂，目前，在高灵敏度GPS捕获技术方面发展主要有以下几个方面：
（1）高灵敏度GPS捕获技术深入研究
高灵敏度GPS捕获技术中，无论信噪比提升方法、互相关干扰抑制方法还是辅助GPS捕获方法，都面临着一个共同问题——导航比特符号翻转。能否快速准确地去除导航比特符号翻转的影响，成为决定捕获方案性能的关键。从目前的研究情况来看，已有的半比特算法、全比特算法以及圆周相关算法，捕获增益提高不够明显，计算过于繁琐，降低了捕获的灵活性。尤其是在信号极弱的环境下，导航比特符号翻转无法避免地会限制捕获灵敏度。因此，如何设计出快速准确估计导航比特符号翻转的方法，并应用于高灵敏度捕获技术，将是未来研究的热点。
（2）高灵敏度GPS捕获技术的硬件实现
捕获环节是接收机处理的第一个步骤，其灵敏度直接关系到GPS接收机整体的性能。目前，射频前端产品以及GPS接收机性能的不断完善，为高灵敏度捕获技术的硬件实现打下了良好的基础。但是，目前针对高灵敏度GPS捕获技术的硬件实现方法，以及弱信号和高动态环境的高灵敏度GPS接收机的开发还相对较少。虽然国外某些公司已经开发出几款高灵敏度GPS接收机，但缺乏技术细节，难以采用。因此，有必要进一步进行高灵敏度捕获技术的硬件实现方法的研究。
（3）高灵敏度双频接收机捕获技术研究
随着GPS现代化进程，用户波段新添加了L2C以及被称作“生命安全”的L5波段，L2C和L5波段信号具有先进的码结构以及提供电离层、对流层误差修正等特点，与传统的L1波段信号组成双频接收机，可以大幅度提高定位精度，欧洲航天局已经推出了L5波段的研究规划，双频接收机成为近几年的研究热点。
目前，双频接收机的研究仍处在开发和调试阶段，虽然Grant H等人率先开展了弱信号条件下L5波段信号捕获技术研究，但是，如何在微弱信号环境下对L5波段信号进行有效捕获，以及如何提高双频接收机的捕获灵敏度，还需进行大量的研究工作。
4、结束语
高灵敏度GPS捕获技术作为高灵敏度接收机设计的一个重要环节，在导航领域的研究中处在不可替代的地位。高灵敏度GPS捕获技术的发展趋势决定了导航接收机的发展趋势，在工程应用方面，尽可能对成熟的高灵敏度捕获方法进行改进，使其具备更广泛的应用范围，同时，需重视前沿技术的理论研究，为工程应用提供技术储备。
