通信技术 • Communications Technology

54 •电子技术与软件工程󰀡󰀡Electronic Technology & Software Engineering

【关键词】GPS󰀃位同步󰀃弱信号󰀃全球定位系统󰀃󰀃

1 引言GPS L1 C/ A 码是Gold 码，序列长度为1023位，基码速率为1.023 MHz，伪码序列的重复周期为1ms；GPS的数据率为50 bit/s，由20个周期的Gold码序列进行扩频得到，连续20个的序列都调制同样数据，没有进行类似于NH码的二级调制。码片捕获器实现了1ms重复周期内的Gold 码序列同步，但还是无法获得周期为20 ms 的比特边界位置。为了得到伪距观测量和提高比特判决时的信噪比必须清楚地知道比特边界的位置，本文所指的比特同步就是比特边界位置的检测。如果知道用户的大概位置以及精确的接收机时钟，可以通过伪距估算得到比特边界的位置，而这两个条件一般都很难满足，所以本文采用统计信号处理的方法进行比特边界的检测。在稳定的强信号的条件下，用很简单的方法就可以实现可靠的GPS位同步，但是实际情况复杂多样，常见的有弱信号、信号不稳定和高动态这三种复杂情况，此时获得位同步非常困难，需要根据特定的情况构造针对性的算法。2 典型位同步算法介绍对于采用扩频调制的GPS L1信号,积分上限为导航电文周期20 ms，在电文数据位边缘未知的情况下，弱信号的顺利跟踪需要通过位同步来避免环路积分时间跨越电文数据位边缘。比较常见的算法有两大类：第一类位同步方法是直方图法及其改进算法，B. Parkinson 等提出的直方图法( Histogram Met 一种自适应GPS位同步方式

文/张丹1　谭惠轩2

文章对目前常用的几种典型GPS位同步算法进行了介绍、比较和对比，尽管这几种算法都可以有效实现同步，但是都没有解决强弱信号自适应的问题。为此，文章提出了一种改进的位同步算法，该算法考虑了信号与噪声的幅度关系，基于此进行了自适应门限处理，进而解决了信号强度适应的问题。最后，文章对新算法进行了仿真验证，结果表明算法可以实现强信号快速同步，弱信号正常同步的设计目的。摘 要hod , HM)，它通过统计相关器输出数据的符号变化来进行检测，相关器的累加时间为C/A码周期1 ms，共20个候选位边缘，经过一段时间的统计，如果某个候选位置的符号变化次数明显多于其他候选位置，则认为该位置为数据位边缘。第二类是最大似然类方法，2002 年M1 Kokkonen和S1 Pietila提出了一种新的位同步方法—KP法，这种方法将每个候选位置之后的20个数据进行累加，求包络得到相应的数据位能量，再将数据位能量通过一段时间的累积，获得对应20个位置中数据位能量最大的位置，即数据位边缘位置。最大似然法通过计算所有可能的位边沿位置对应的数据能量的时间平均,并选择最大值的位置作为位边沿，它本质上与KP法一致. 与直方图法相比,最大似然法没有对相关器的积分值量化,因此在位同步速度和灵敏度方面都优于直方图法.直方图法和KP 法都可以在非常低的载噪比情况下检测出位边缘来,但它们必须工作在环路锁定情况下,即没有载波相位和频率误差,当载波频率偏差大于25 Hz 的时候,经典的KP法无法进行正确的比特边界检测。直方图法只利用了调制数据跳变前后的2ms信息，抗多普勒能力相对较强，但位同步成功率相对较低，只适合信噪比较强的情况。直方图法和KP法实现起来资源消耗相对较少，但是应用中各有缺陷，为此不少学者提出了它们的改进算法，比较典型的以下几种：为了解决大频偏下KP法无法进行正确位同步的问题，许峰，赵民建等人提出了一种基于相位差分的方法,可以在大频偏下进行比特同步.该方法对每ms的I/Q累积值做鉴相运算，根据调制数据变化时候载波相位会做180度跳变的规律，采用直方图类似的方法来鉴别数据跳变边沿。为了适应极弱信号条件下,噪声的存在使接收信号中相位变化异常剧烈,由于传统相位锁定环( Phase LockedLoop，PLL) 鉴相器的非线性因素,环路易产生失锁现象的问题，赵琳, 丁继成[4]等人提出了利用最优路径动态规划算法实现GPS 位同步的方法。该方法利用提出采用平方根无迹卡尔曼滤波(SRU KF) / 位同步联合载波跟踪方法,建立误差跟踪模型,使SRU KF 与位同步环节协调工作,实现了在没有载波相位和频率误差等先验信息时较高的位边缘检测概率( Edge DetectionRate , EDR) 和稳定的极弱信号跟踪。上述方法都可以很好的解决位同步问题，但在实现过程中直方图法和相位差分法需要强信号，KP法需要小频偏的条件，最优路径动态规划算法利用的信息最多，性能相对最好，适应性最强，但是实际实现起来消耗的资源较多，功耗相对较大。3 改进的位同步算法上节介绍的方法有一个共同的缺点就是位同步时间固定，无法实现强弱信号自适应(即强信号快速位同步，弱信号经过较长的时间也可以实现可靠的同步),该问题严重的影响到了这些算法的实用性。举例来说，很多接收机要求开阔空间热启动定位时间为1秒，而在接收弱信号的情况下，位同步需要的大于1秒，因此必须对这些算法改进使用。本文的想法是根据噪声强度和I/Q累积值的情况，对信号和噪声分别进行累积，随着累积时间的变化设置智能动态浮动门限，当信号累积值与噪声累积值的比值超过门限时候，立刻判断位同步成功。这样，当信噪比强的时候，判决信噪比迅速超过浮动门限实现同步，当信号弱的时候，通过长时间的积累，判决信噪比总会超过浮动门限，也可以实现同步。根据GPS接收机的实际工作情况，接收机在正常工作时候，大动态下一般都在开阔空间，信噪比较强，信号弱的时候基本都是近似静态的情况如室内定位，因此，算法暂不考虑PLL失锁的情况。在这种情况下，我们选择性能相对较好的最大似然法为基础构造以下自适应位同步算法：设解调出来的1ms复数累积值为ai，i=0，1，2，…，实部代表信号，虚部代表噪声。取，它代表每个调制数据的累积值取，n∈N，它代表20个待选位同步边沿的非相干累积值。对于常规的最大似然算法而言，n取一个固定的数，然后取 ，取到最大值的那个i就是需要找的同步边沿。这里我们改进判决条件，取dn=maxi (ci,n)，i=0,1,2,…,19,n∈N，in,n∈N，为每个maxi (ci,n)，i=0,1,2,…,19,n∈N，所对应的位置，取dn+=ci+1,n，n∈N，dn-=ci-1,n，n∈N，分别代表最大值左右的两个累积值，这里dn,dn+,dn-都服从x2,n分布。取 en+=dn-dn+，en-=dn-dn-1，若hn=max (en+,en-) ≥f1*(n+m)*σ2，则累积到第-n步的时候，判位同步成功，此处m,f1>0为固定参数，根据位同步的误检概率设定，σ2为1ms累积分量的均方值。另外可以选定 为位同步失锁检测参数， gn=max(ci,n-ci+1,n,ci,n-ci-1,n)，i∈N为位同步确定的跳变边沿，若gn≤f2*(n+m)*σ2 ，则认为之前判定位同步位置错误，重新进行位同步检测。网络出版时间：2014-04-24 04:01网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/10.1108.TP.20140424.0401.065.htmlCommunications Technology • 通信技术

Electronic Technology & Software Engineering 󰀡电子技术与软件工程• 55以上算法属于最大似然算法的改进算法，它最大限度的挖掘了基带I/Q累积值所能提供的信息，其优点在于：（1) 强信号可以实现很快实现位同步，弱信号可以通过长时间积累实现位同步；（2）算法中含有位同步正确错误的检测算法，可以在错误的位同步后若干时间内发现并且纠正位同步错误；（3) 由于对现代处理器而言乘法和加法运行速度相当，因此该算法的实现复杂度与基本的最大似然算法相当，适合实际接收机的实现；（4) 如果要硬件实现以降低复杂度，可以把该算法移植到直方图算法上，资源增加也不大，性能相对基本算法也有一定的提高；4 算法的仿真比较图1-图3是针对上述算法的蒙特卡罗仿真结果，图中，红色线为信号累积值，上边的蓝色线为入锁门限，下边的蓝色线为失锁门限。图2是弱信号位同步的情况，由图可知，刚开始信号的累积值小于判决门限，等累积了接近100次之后，系统进入了同步状态，之后信号的累积值逐渐远大于噪声门限，本例中位同步时间为2s；图3为强信号的情况，在大约10次累积之后，同步即牢牢锁定，之后信号累积远大于锁定门限和失锁门限，本例中同步时间为200ms；图4代表的是无信号时候的同步情况，刚开始虚假的信号累积与噪声门限接近，之后信号累积越来越比判决门限小了，这种情况持续下去，同步无法实现。以上仿真说明，该算法的实用性比较好，但是该算法依旧继承了最大似然法的缺点，例如需要PLL同步之后才能可靠的工作。为了尽量的抵消频率误差的影响，在信号强度相对大的应用场合，可以把该方法改造到直方图算法中。5 算法的最优化改进上述算法的门限是对自变量n（累积次数）进行了一阶线性估计得出的，这在工程应用中使用已经足够了。如果要最大限度挖掘累积数据提供的信息，可以进行最优化设计，确定需要的概率下的门限数值，这样，算法的同步时间性能还会有一定的提高。参考文献[1]Parkinson󰀃B󰀃W,󰀃Spilker󰀃JJ.󰀃Global󰀃positioning󰀃system:theory󰀃and󰀃applications,󰀃VolI[M].󰀃Reston,VA:󰀃American󰀃Institute󰀃of󰀃Aeronautics󰀃and󰀃Astronautics,󰀃1996.[2]Kokkonen󰀃M,Pietila󰀃S.󰀃A󰀃new󰀃bit󰀃synchronization󰀃method󰀃for󰀃a󰀃GPS󰀃receiver󰀃[C]󰀃/󰀃IEEE󰀃Position󰀃Locationand󰀃Navigation󰀃Symposium.󰀃2002:85-90.[3]许峰,赵民建,沈雷,李式巨,一种基于相位差分的GPS󰀃比特同步方法[J].浙江大学学报(工学版),2007,41(12),2031-2035.[4]赵琳,丁继成,孙明等．极弱信号环境下ＧＰＳ位同步和载波跟踪技术[J].航空学报,2010,31(6):1204-1212．作者单位1.中国电子科技集团公司第五十四研究所󰀃󰀃河北省石家庄市　0500812.石家庄军械工程学院　河北省石家庄市󰀃󰀃050003图1：弱信号情况

图2󰀃：󰀃强信号情况

图3：󰀃无信号情况