GPS(全球定位系统)

GPS(全球定位系统)，是美国国防部为陆，海，空三军研制的新一代卫星导航定位系统，它是以24颗人造卫星作为基础，全天候地向全球各地用户提供时实的三维定位、三维测速和全球同步时间等信息,是目前最先进的导航系统[1]。

GPS主要由三大部分组成：GPS卫星，地面支持系统与用户设备部分。其中用户设备即GPS信号接收机，GPS接收机的主要功能就是根据卫星的截止角所选择的待检测卫星，然后对这些卫星进行跟踪，当接收机捕获到卫星信号以后，就能够通过捕获得到的信号测试出卫星的距离变化率，并解调出卫星轨道参数等。根据计算得到的这些数据，GPS接收机中的微计算机就可按定位解算的方法进行定位分析计算，计算出用户所在地理位置的经纬度、速度等信息。

随着GPS应用领域的不断扩大，应用技术水平的不断提高，GPS产业所获得经济效益也在迅速增加，但与此同时，也产生了相关的问题：一般情况下接收机在信号功率达到-130dBm且静止情况下都能够完成GPS信号识别的任务，但是在实际情况中，如船舶导航、车辆导航定位和大地测量等情况下，这种标准便很难满足正常工作的需求[2]。GPS 接收机应具备接收信号动态范围大、信噪比低、更新速率高等特点，才可以满足军事、航空航天等高动态定位用户的需要。由于国内的低信噪比非静态的GPS接收机技术还非常薄弱，远远不能满足国防现代化建设的需要。

本课题针对这一需求重点研究低信噪比环境下GPS接收机的捕获环节，试图采用改进的方法来更好的实现低信噪比条件下的GPS信号的识别，更加具体的说就是如何捕获才能节约硬件资源、节省时间且稳定的获取GPS信号，这就是本课题研究的目标。因此，通过对低信噪比环境下GPS信号的捕获研究，这对我们的GPS研究具有十分重要的意义。

1.2 国内外研究方向

1.2.1 全球GPS技术的发展现状

随着GPS技术的发展，它的应用领域越来越广泛，带动了智能交通技术、地质测量技术、军事战略技术等很多相关领域的发展。在GPS信号严重衰减的环境下，进行导航和定位具有很强的军事和民用价值，因此该项技术已经成为世界上的一个研究热点，很多国家的研究机构对此非常重视[3]。

·美国GPS系统：近年来对GPS系统进行了一系列的更新。首先从2000年停止了“SA”政策，并将C/A码增设到GPS卫星L2频率信号上；2005年前，在GPS新型工作卫星Block IIF上增设第三频率1176.45MHz，以提高GPS动态和静态定位精度；2007年美国空军将金额为2500万美元和1800万美元的合同分别授予洛克希德·马丁公司和波音公司，用于完善GPS III计划。除了显示更稳定的频标和提高信号可靠性等措施外，GPS III将具有先进的抗干扰能力，并采用了一个新的军用信号—M码，另外为民用用户提供了一个新的信号。

·欧洲伽利略计划：为打破美国全球定位系统独霸天下的局面，1998年，欧盟决定建立一个独立于GPS的、专门为全球民用用户设计的卫星导航系统。CALILEO系统计划将包括由30颗卫星组成的星座和遍布全球的地面控制区段。CALILEO系统最重要的目标就是与GPS系统完全兼容，为了确保两个系统间的互操作性，主要考虑的是信号结构、大地坐标参考框架以及时间参考系。该系统已于2008年开始运行。

·俄罗斯“格洛纳斯”：全球导航卫星系统（GLONASS）是俄罗斯自行研发类似于GPS的系统。它都中轨道卫星星座、地面控制区段和用户设备组成。GLONASS正在进行修补，系统正在致力于广泛的现代化。GLONASS的在轨卫星已经达到了18颗，计划在2011年达到24颗。

·中国北斗导航卫星系统：北斗卫星定位系统由三颗北斗定位卫星、地面控制中心为主的地面部份、北斗用户终端三部分组成。北斗系统是由中国政府拥有和运营的军民两用系统。它是由中国建立的区域导航定位系统，北斗定位系统可以为我国全境和周边部分邻国提供定位、导航和简易通信服务，向用户提供全天候的即时定位服务，授时精度可达数十纳秒(ns)的同步精度。该系统于1988-1989年，利用2颗通信卫星进行了定位的试验；1994年，北斗导航试验卫星立项，全面启动了导航试验卫星的建设工作；2000年10月中国发射了第一颗北斗卫星，2000年12月发射了第二颗；2003年5月发射了第三颗北斗卫星。

·日本QZSS计划：起初，QZSS(“准天顶“系统)是日本通信研究实验室关于联合产业成果的一个提案，在日本有许多国家和财团的项目已经逐渐形成了对GPS的星基增强系统的设想，其资金和市场基础可以通过提供导航和通信两种能力来开拓，QZSS计划是第一个由政府与产业共同支持推进的计划，其目的是与GPS升级相配合，在线提供导航服务。关于地面支持，日本整个卫星导航服务的监测由1200个站点提供，这些站点能够接收GPS信号，从QZSS发来的GPS增强信号，以及由未来的QZSS卫星提供的任何独立的测距信号。

1.2.2 弱信号GPS信号捕获技术的研究现状

近年来随着GPS技术的深入发展和广泛应用，用户对其要求也越来越高。无论在高楼林立的城市峡谷，还是树木遮挡的森林公路，甚至室内等接收信号十分微弱的环境下，实现微弱信号的接收成为一个技术难点。

由于微弱GPS信号其噪声功率远大于信号功率，所以其捕获方式一般都需要通过高处理增益，并对每次的结果进行长时间的累加，目前对于这方面的研究算法基本都是基于FFT变换来实现的。目前几种主流的GPS信号捕获算法主要包括如下几种[4,5,6]：

·相干积分法。该算法是将相关结果直接进行累加，其信号功率呈平方倍数增长，而噪声功率只是线性增长，因而累加时间越长，其信噪比提高越显著。但是该算法受导航电文数据边界的未知性限制。

·差分相干法。该算法由Zarrabizadeh于1997年首先出，由Choi H于2002年应用到GPS信号捕获中。在捕获灵敏度方面，该算法比相干积分法高1.5~2dB。但是该算法的检测性能仍处于进一步的研究中。

·多相关器法。该算法由斯坦福大学的Robert Eric于2001年提出，而后由surendran于2008年将该技术应用到了GPS技术。该技术提高了GPS技术的灵敏度但代价是消耗大量的硬件资源。

·half-bit积分法。该算法由James于1997年提出，将20ms的数据分为两段，只使用其中的10ms。但这个算法由于其积分时间长度受限，捕获灵敏度也非常有限。

目前存在的各类研究方法，其基本原理均是在捕获时进行长时间的信号能量累积。针对目前的研究现状，本文提出了一种改进的分段叠加捕获算法，在不显著增长捕获时间的基础上，改进算法的处理增益明显得到了改善，从而提升系统捕获微弱GPS信号的能力。

GPS系统是由美国军方提出并资助发展的全球定位系统，该系统可以向全球范围的用户提供连续，精准的三维位置，三维速度等信息。GPS导航电文以数据形式对载波码和伪随机进行二次调制，发射形式是以无线电波的连续向地面发射，用户通过接收机截获卫星信号，从而获得导航定位信息。相比其他国家的导航系统，GPS系统是目前全世界最先进的系统[7]。

2.1 GPS系统的总体架构

GPS具有定位精度高、观测时间短、测站间无需通视、可供三维坐标、操作简易、应用广泛等特点。GPS系统主要由三大部分组成：空间星座部分（空间区段），地面控制部分（控制区段）和用户接收部分（设备区段）。

2.1.1空间星座部

如图2.1GPS系统的星座部分是由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成，其高度为20183km，这24颗卫星均匀分布在6个等间隔的、相对轨道面倾角为55º的近圆轨道上[8]。

GPS卫星的轨道周期为半个恒星日，即11小时58分钟。从地球质心到卫星的额定距离为26600km，即轨道半径。每颗GPS工作卫星都发射用于导航定位的信号，然后GPS用户利用这些信号来进行工作的。这样的空间布局，可以保证在地球上的任意点、任意时刻均可同时观测到至少4颗卫星，最多时可以见到11颗，从而为全球用户提供24小时的导航定位功能[8]。

GPS卫星共发送两种伪随机码：一种为粗捕获码C/A码；一种为精密测距码P码，它的生成相比C/A码要复杂的多。P码产生的基本原理类似于C/A码，它是通过4个12位的移位寄存器的PRN序列产生，这4个移位寄存器分别称为X1A，X1B，X2A和X2B。其中X1A和X1B产生伪随机噪声码序列PRN1，X2A和X2B产生另一个伪随机噪声码序列PRN2，PRN1与PRN2的乘积生成P码，其码长N=2.35*1014 bit，约为267天，而实际上P码是采用其7天的截短序列，即将P码分成38段，每一节的周期为7天，不同的卫星使用，所以每个卫星的P码的码结构不同，但码长和周期相同[14,15]。

伪随机噪声码的周期越长，其平移序列就越多，越不容易被对方破译，保密性能越好。但在盲目搜索的情况下，设搜索速度为50bit/s，则P码要花1432000天。可见，P码搜捕是很困难的。故此，在信号中还调制了另一种搜捕码——C/A码，然后通过交接字(hand over word，HOW)完成C/A码到P码的转换过程。而Y码，则是系统在投入使用后用以替代P码工作的伪随机噪声码，这种码具有反电子欺骗的功能。

P码的特征总结为：

·脉冲频率：f1=10.23MHz；

·码长为N=2.35*1014bit；

·码元宽度：t=1/f1,等效距离29.3m；

·周期：T=267天。码率：10.23Mbit/s；

·码率：10.23Mbit/s；

·将P码周期分为长度为7天的38段，其中32段分给32颗不同的卫星，其余为备用；按50bit/s搜索速度，约需要1400000天才能完成[16]。

P码的高频率，码元的单位周期很小，如果代码序列比对误差是码元宽带的1 /100，相应的测距误差是0.29cm，仅是C/A码的1/ 10，所以p码又称精密。

2.2.4 GPS卫星导航电文

卫星导航电文包括卫星星历、时钟改正参数、电离层延迟改正参数、遥测码，以及由C/A码确定P码信号时的交接码等参数。电文以二进制码的形式发送，码率为每秒50bit，每个二进制码为20ms。电文按帧传送，每帧电文包含1500个二进制码元，周期为30s[17]。每帧又分为5个子帧，每个子帧都包含300个二进制码，其最后6个比特是奇偶校验位，用以检查传送的信号是否出错，并能纠正单个错误，通常又称为纠错码。完整的导航信息由25帧数据组成。由于播送速度为50bit/s，所以全部播完要12.5min，其结构如图：

如图2.5所示，个子帧的主要内容有[18,19]：

·遥测字(TLW)

遥测字在每个子帧的开始，它包含同步信号，为子祯提供了一个同步点，来破译导航电文。在它30比特中，同步码第1-8比特，为子帧编码脉冲同步提供了起点，使用户很容易解释的导航电文；第9-22比特是遥测电文，包括地面监测系统的数据状态信息，诊断信息等等。第二十三和第二十四比特是连接码；第25-30比特是奇偶校验码，这是用来检测和纠正错误的。

·交接字(HOW)

在子帧中，交接字的位置紧接着遥测字，它的作用是为用户提供获取P码的Z计数。Z计数实质上是一个时间计数，它的单位是从每周开始的时候开始播放的D码子帧数，给出了一个子祯开始那一瞬的GPS时间。转化码的第十八位比特显示出是否会有滚动动量矩阵缺载现象出现在电文注入后；第十九位比特指示是否是时间同步数据帧；第20~22位帧识别标志；而连接码是第23~24比特；奇偶校验码是第25~30比特。

·数据块I

第I数据块是指第1子帧中的第3-10字码，它的主要内容有：卫星的健康状况、时延差改正、标识码、数据龄期、星期序号、卫星时钟改正系数等。

·数据块II

数据块2包含发射信号卫星本身的星历参数，它们通常采用开普勒参数表示，由第2子帧和第3子帧组成，其内容为GPS卫星星历，它是GPS卫星为导航、定位播发的主要电文，可向用户提供有关计算卫星运行位置的信息。星历参数包括15个卫星轨道参数，对应于参考历元，以及星历参数的数据年龄。

·数据块III

第3数据块包括第4子帧和第5子帧，其内容包括所有GPS卫星的历书数据。卫星历书数据的内容实际上事数据块1和数据块2中参数的截断形式，它为用户提供低精度的卫星位置、钟改正参数、卫星工作状态和卫星识别标志等信息，可以帮助用户选择工作正常和位置适当的卫星，并且较快地捕获到所选择的卫星。与数据块1，2不同的是，第四和第五子帧中交替出现25次完成。

卫星导航信息由卫星钟精确控制，各子帧与GPS的时间保持同步，同步精度在1ms以内。各个GPS卫星钟的时间与GPS的时间同步精度亦控制在1ms以内。因此知道系统时间t，就可以推算出导航电文的子帧数、字数、比特数，即：

式中：[a Mod b]表示不大于b的整数。