高靈敏度GPS捕獲技術(shù)研究綜述

莫凡　王新龍

摘要：介紹了高靈敏度GPS捕獲技術(shù)的概念，按照提升靈敏度方式的不同將當(dāng)前高靈敏度GPS捕獲技術(shù)分為信噪比提升方法、互相關(guān)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(diǎn)及提高靈敏度所采用的途徑，論述了高靈敏度GPS捕獲技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，指出了高靈敏度GPS捕獲技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和未來的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：GPS；高靈敏度；信噪比；互相關(guān)干擾；輔助GPS

中圖分類號(hào)：TN911.25；P228.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1673-5048（2014）02-0019-08

0、引言

GPS全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以其全球性、全天候、高精度等特點(diǎn)，在航空、航天、航海、大地測(cè)量、工程測(cè)量、交通、資源勘探等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。由于GPS在軍事和民用方面都存在著極高的應(yīng)用價(jià)值，世界各國(guó)都加大了對(duì)自身的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)研究、建設(shè)和開發(fā)。俄羅斯開發(fā)的GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)于2011年底實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，歐盟正在逐步研制以高質(zhì)量民用服務(wù)為主的伽利略衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。捕獲技術(shù)作為GPS導(dǎo)航定位的首個(gè)環(huán)節(jié)，其優(yōu)劣直接關(guān)系到GPS接收機(jī)的性能。

目前，正常狀態(tài)下的GPS捕獲技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟。但是，當(dāng)用戶處于信息化戰(zhàn)場(chǎng)、叢林、城市峽谷、立交橋、隧道、森林和室內(nèi)等微弱信號(hào)或強(qiáng)干擾環(huán)境下，GPS信號(hào)由于一些自然或人為原因受到嚴(yán)重削弱，給GPS信號(hào)捕獲帶來麻煩，使GPS信號(hào)的品質(zhì)嚴(yán)重惡化，可用性大幅下降。這時(shí)，普通的GPS接收機(jī)將難以對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行成功捕獲，而高靈敏度GPS捕獲技術(shù)就是解決在弱信號(hào)、高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)干擾等復(fù)雜環(huán)境下GPS接收機(jī)能夠正常捕獲信號(hào)的技術(shù)。

高靈敏度GPS捕獲技術(shù)與傳統(tǒng)的捕獲技術(shù)相比，有以下幾方面優(yōu)勢(shì)：

（1）在低信噪比環(huán)境下，縮短了GPS接收機(jī)的首次定位時(shí)間，同時(shí)延長(zhǎng)了捕獲過程的積分時(shí)間，提高了信噪比；

（2）在弱信號(hào)環(huán)境下，能夠提高接收機(jī)的捕獲性能：

（3）有效消除了捕獲過程中強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的互相關(guān)干擾，提高了接收機(jī)捕獲靈敏度；

（4）限制了高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的多普勒頻移和偽隨機(jī)碼動(dòng)態(tài)延時(shí)，縮短了重捕獲時(shí)間，提高了接收機(jī)捕獲動(dòng)態(tài)性能。

由于高靈敏度GPS捕獲技術(shù)的高度優(yōu)越性以及巨大的應(yīng)用潛力，已成為GPS技術(shù)研究的一個(gè)重要發(fā)展方向，本文對(duì)其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行綜述。

1、高靈敏度GPS捕獲技術(shù)研究現(xiàn)狀

20世紀(jì)末，高靈敏度GPS捕獲技術(shù)開始受到關(guān)注，美國(guó)的SiRF公司和瑞士的U-blox公司對(duì)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(dá)到-148 dBm的捕獲靈敏度，而U-blox公司推出的G6000芯片也可以達(dá)到-144 dBm的捕獲靈敏度。日本NEC公司生產(chǎn)的GPS接收機(jī)能夠捕獲到-152 dBm的GPS信號(hào)，并且在建筑物內(nèi)可以精確定位。另外，國(guó)外一些著名高校和研究機(jī)構(gòu)也在高靈敏度GPS捕獲技術(shù)領(lǐng)域開展了廣泛的研究。其中，加拿大的卡爾加里大學(xué)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(lǐng)先地位。

國(guó)內(nèi)衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域研究起步較晚，目前的GPS芯片大多來自國(guó)外，國(guó)內(nèi)主要進(jìn)行二次開發(fā)，側(cè)重于普通環(huán)境下GPS接收機(jī)的應(yīng)用研究，如大地測(cè)量、車輛導(dǎo)航等，對(duì)復(fù)雜微弱信號(hào)環(huán)境下的GPS技術(shù)研究涉及得很少。近年來，國(guó)內(nèi)一些高校雖然也開展了一些高靈敏度GPS捕獲技術(shù)研究，但是，總的來說還處在理論研究階段，離實(shí)際工程應(yīng)用還有較大距離。

目前，導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)、多普勒頻移以及強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)的互相關(guān)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(shù)分為信噪比提升、互相關(guān)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(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)以及多普勒搜索頻點(diǎn)數(shù)增加的條件下，有效延長(zhǎng)相干累積和非相干累積時(shí)間，提高累積增益，從而達(dá)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(shí)間的增加會(huì)導(dǎo)致搜索的多普勒頻點(diǎn)數(shù)增加，同時(shí)導(dǎo)航電文的存在以及比特邊界的未知也限制了相干累積時(shí)間，另外，接收機(jī)的晶振穩(wěn)定性抑制了最大相干累積時(shí)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(shí)間的增加效果越發(fā)不明顯，還會(huì)遇到計(jì)算量和存儲(chǔ)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(diǎn)集中在快速有效地延長(zhǎng)累積時(shí)間以及捕獲速度優(yōu)化方法等方面。

1.1.1 快速有效地延長(zhǎng)累積時(shí)間

延長(zhǎng)累積時(shí)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(zhǎng)時(shí)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(duì)相干累積和非相干累積的理論可用性進(jìn)行了進(jìn)一步探討，指出相干累積受累積時(shí)間限制，非相干累積受“平方損耗”影響。Choi I H等等對(duì)非相干累積的方法進(jìn)行修正，使平方損耗小于常規(guī)的方法。針對(duì)非相干累積的平方損耗問題，卡爾加里大學(xué)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(gòu)的GPSC/A碼實(shí)現(xiàn)了弱信號(hào)捕獲。差分相干累積用在GPS信號(hào)捕獲時(shí)，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(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間相干積分，但是差分過程會(huì)造成信噪比的損耗。根據(jù)Yu Wei等的分析，差分相干累積比非相干累積會(huì)有1.2～1.6 dB的性能提升。近年來，許多學(xué)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(jié)合捕獲算法，并可以根據(jù)信號(hào)強(qiáng)弱自適應(yīng)調(diào)整積分時(shí)間，為室內(nèi)或峽谷定位提供了可能。

導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)是限制累積時(shí)間延長(zhǎng)最主要的因素，學(xué)者對(duì)如何快速有效地去除導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)分成兩塊，每一塊獨(dú)立地進(jìn)行10 ms相干積分，再將相干積分的結(jié)果進(jìn)行多次非相干積分，避免了比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)的影響。2004年，Ziedan N I等提出估計(jì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)最佳組合的圓周相關(guān)法，這種方法首先估計(jì)出長(zhǎng)積分時(shí)間內(nèi)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的最佳組合，消除導(dǎo)航數(shù)據(jù)造成的相位反轉(zhuǎn)影響，實(shí)現(xiàn)累積時(shí)間內(nèi)的同號(hào)相干積分累加。和相干、非相干積分法相比，估計(jì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)最佳組合的圓周相關(guān)法具有更好的性能，但這種方法計(jì)算比較復(fù)雜，需要很大的運(yùn)算量，不適用于軟件接收機(jī)。2006年，ChuangMing-Yu等提出了一種自適應(yīng)捕獲算法，它實(shí)質(zhì)上是一種尋找比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)沿的方法，根據(jù)信噪比調(diào)整非相干累積次數(shù)，提高了復(fù)雜環(huán)境下捕獲信號(hào)的累積時(shí)間。2012年，Ding Ren-Tian等提出了一種低復(fù)雜度的捕獲算法，利用匹配濾波原理，去除了導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)帶來的影響。

1.1.2 捕獲速度優(yōu)化方法

高靈敏度捕獲技術(shù)若要真正實(shí)用，不能只停留在對(duì)累積時(shí)間的要求上。真正成熟可靠的高靈敏度接收機(jī)，還要實(shí)現(xiàn)盡量快速定位，要求盡量短的首次定位時(shí)間（TFFF）。首次定位時(shí)間主要依賴于采取的捕獲算法能達(dá)到的平均捕獲時(shí)間。頻率搜索范圍、頻率槽的大小或者搜索單元的數(shù)目、每個(gè)搜索單元駐留時(shí)間都關(guān)系著平均捕獲時(shí)間。而且，延長(zhǎng)累積時(shí)間會(huì)導(dǎo)致在捕獲信號(hào)過程中進(jìn)行大量的相關(guān)運(yùn)算，從而導(dǎo)致接收機(jī)負(fù)擔(dān)極重。

為了解決此問題，一些學(xué)者從減少相關(guān)運(yùn)算次數(shù)、優(yōu)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(yōu)化捕獲技術(shù)十分重要的問題，并提出了一種基于FFF/IFFT的時(shí)域并行搜索方法，極大地降低了時(shí)域并行中的運(yùn)算復(fù)雜度。2001年，針對(duì)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(bǔ)零（DBZP）法，利用更少的運(yùn)算量來處理相干累積，此方法已廣泛應(yīng)用于高靈敏度捕獲技術(shù)中。Starzyk J A等提出了一種通過減少循環(huán)相關(guān)點(diǎn)數(shù)來減少運(yùn)算的方法，將屬于同一碼片的采樣值相加，來減少點(diǎn)數(shù)。2006年，Burgi C用了超大量的并行相關(guān)器，同時(shí)搜索所有衛(wèi)星的PRN碼相位和多普勒頻率，完成快速首次定位。OHanlon Bw等采用DSP結(jié)合大規(guī)模相關(guān)器陣列完成相關(guān)運(yùn)算和累積時(shí)間，實(shí)現(xiàn)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(jī)共振進(jìn)行微弱信號(hào)檢測(cè)，避免了傳統(tǒng)的增加積分時(shí)間來提高捕獲靈敏度，同時(shí)采用FFF譜分析方法，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)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(hào)捕獲方面，減小了均方誤差，提高了信噪比。

此外，一些學(xué)者利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)不同信噪比提升方法的性能進(jìn)行了理論上的分析對(duì)比。ODfiscoll C詳細(xì)分析了弱信號(hào)并行捕獲中殘留載波多普勒、碼多普勒和導(dǎo)航數(shù)據(jù)調(diào)制對(duì)捕獲判決量的影響之后，推導(dǎo)了采用不同積分方法的判決量統(tǒng)計(jì)特性，為判決門限的設(shè)置奠定理論基礎(chǔ)。BofioD 針對(duì)非相干累積，提出了一種更好的評(píng)價(jià)其性能的指標(biāo)參數(shù)——等價(jià)相干輸出信噪比。對(duì)于差分相干累積，其判決量的統(tǒng)計(jì)特性的分析較為繁雜。Rodfiguez J A A等對(duì)一種特殊形式的差分相干累積判決量的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了分析。YuWei等不僅對(duì)差分相干累積進(jìn)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(jié)果，即差分相干累積相對(duì)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(xué)的陳景霞等根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)知識(shí)，提出一種采用序貫概率比檢測(cè)GPS高靈敏度捕獲方法，能夠適應(yīng)不同強(qiáng)度信號(hào)的捕獲，有效縮短強(qiáng)信號(hào)的捕獲時(shí)間，提高了信噪比?？柤永锎髮W(xué)的ODfiscoll c利用統(tǒng)計(jì)學(xué)理論，詳細(xì)地分析了考慮噪聲以及導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)，不同捕獲方法的捕獲概率與載噪比、累積時(shí)間之間的關(guān)系。

1.2 互相關(guān)干擾抑制方法

在強(qiáng)、弱信號(hào)共存的條件下，某些信號(hào)被遮擋，而其他的可見衛(wèi)星信號(hào)可以直達(dá)接收機(jī)，當(dāng)這些強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)的功率差超過24 dB時(shí)，某些碼相位和載波頻率上，強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)對(duì)應(yīng)的互相關(guān)值會(huì)超過弱信號(hào)的自相關(guān)值，信號(hào)不能被檢測(cè)，導(dǎo)致捕獲失敗，限制了接收機(jī)靈敏度的提高。因此，需要通過跟蹤獲得的強(qiáng)信號(hào)信息，重構(gòu)強(qiáng)信號(hào)，以此為基礎(chǔ)估計(jì)并消除互相關(guān)，以檢測(cè)到弱信號(hào)?；ハ嚓P(guān)干擾抑制方法的實(shí)現(xiàn)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(xù)干擾消除法，即在跟蹤到強(qiáng)信號(hào)后，對(duì)強(qiáng)信號(hào)的幅度、相位、頻率進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)估計(jì)結(jié)果重構(gòu)強(qiáng)信號(hào)，并從原信號(hào)中減去，再進(jìn)行弱信號(hào)處理。此方法需要大量的存儲(chǔ)單元用于信號(hào)的存儲(chǔ)。連續(xù)干擾消除法已用于GPS偽衛(wèi)星技術(shù)中。Zhao L等在2003年提出了子空間投影法，通過設(shè)計(jì)匹配信號(hào)檢測(cè)器，將強(qiáng)信號(hào)投影到信號(hào)的子空間，可以有效地抑制互相關(guān)干擾。2007年，Morton Y T等對(duì)該算法的性能進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出該算法需要頻繁矩陣求逆操作，實(shí)時(shí)性較差?；ハ嚓P(guān)干擾方面的權(quán)威專家新南威爾士大學(xué)的Glennon E P于2005年提出了一種新的GPS互相關(guān)抑制方法，這種方法改變碼周期中1和-1的個(gè)數(shù)，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(guān)干擾消除法。在該算法中，首先估計(jì)互相關(guān)干擾，然后從弱信號(hào)的自相關(guān)結(jié)果中減去互相關(guān)干擾部分，從而消除強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)檢測(cè)結(jié)果的影響。該算法能有效消除互相關(guān)效應(yīng)的影響，但是，對(duì)每個(gè)弱信號(hào)衛(wèi)星的檢測(cè)需要重建所有強(qiáng)信號(hào)通道，而通道太多難以硬件實(shí)現(xiàn)。2010年，Sousa F 針對(duì)互相關(guān)干擾對(duì)捕獲性能的影響，對(duì)子空間投影法做了一系列的改進(jìn)，可以較好地將強(qiáng)、弱信號(hào)進(jìn)行分離，達(dá)到抑制互相關(guān)干擾的目的。

此外，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)互相關(guān)干擾抑制方法也有一定的研究。唐衛(wèi)濤等提出采用Q路濾波法，能夠完全消除互相關(guān)干擾，但同時(shí)也會(huì)使信噪比下降3 dB左右。梁坤等將頻差因子引入信號(hào)互相關(guān)檢測(cè)中，并與并行互相關(guān)消除法結(jié)合，無需考慮量化位數(shù)的影響，且計(jì)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(gè)通道重構(gòu)所有強(qiáng)信號(hào)，并從自相關(guān)結(jié)果中去除互相關(guān)部分，在強(qiáng)弱信號(hào)相差30 dB的條件下，有效地消除了互相關(guān)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(hào)環(huán)境下的定位服務(wù)器獲取輔助信息，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的捕獲。應(yīng)用最廣的輔助GPS捕獲方法是慣導(dǎo)（SINS）輔助GPS捕獲技術(shù)。在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，載體和GPS衛(wèi)星之間的高速運(yùn)動(dòng)使得信號(hào)產(chǎn)生了很大的多普勒頻移，對(duì)信號(hào)捕獲頻域的搜索帶寬提出了較高的要求，使得搜索頻點(diǎn)數(shù)增加，導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理量增大。由于慣導(dǎo)系統(tǒng)具有自主性強(qiáng)、連續(xù)性好等特點(diǎn)，能夠即時(shí)提供載體的位置、速度和姿態(tài)等信息，使接收機(jī)可以預(yù)估出高速運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移，進(jìn)而減少頻率搜索和縮短捕獲時(shí)間。慣導(dǎo)輔助GPS捕獲方法的實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

由跟蹤環(huán)鎖定檢測(cè)器啟動(dòng)信號(hào)粗捕獲模塊。粗捕獲模塊根據(jù)慣導(dǎo)提供的速度和位置信息及歷書，可以解算出載體和衛(wèi)星之間的多普勒頻移；利用慣導(dǎo)位置信息結(jié)合歷書的輔助，可以計(jì)算出偽距，從而得到碼偏移。將估計(jì)的頻偏量和碼相位偏移作為搜索范圍的中心，并根據(jù)慣導(dǎo)信息的不確定性設(shè)定搜索邊界，控制本地載波和碼NCO在此范圍內(nèi)搜索，從而大大減小載波頻率和碼相位兩個(gè)方向的搜索范圍，提高信號(hào)捕獲的速度。完成粗捕獲過程，并將結(jié)果送給精捕獲部分。在慣導(dǎo)預(yù)計(jì)的多普勒頻點(diǎn)附近進(jìn)行時(shí)長(zhǎng)為一個(gè)導(dǎo)航數(shù)據(jù)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(shù)可以預(yù)估碼和多普勒頻率的位置，以消除導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)的影響和延長(zhǎng)累積時(shí)間。2003年，Choi I H等指出，可以利用慣性導(dǎo)航提供的導(dǎo)航數(shù)據(jù)輔助GPS捕獲，提高捕獲動(dòng)態(tài)能力?？柤永锎髮W(xué)的Gao Guo-Jiang等針對(duì)復(fù)雜微弱信號(hào)環(huán)境，詳細(xì)地闡述了慣導(dǎo)輔助GPS捕獲技術(shù)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(shí)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)輔助GPS捕獲技術(shù)，可以縮短首次定位時(shí)間和減小PN碼的搜索范圍，以延長(zhǎng)相干累積時(shí)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(shí)，降低了捕獲復(fù)雜度，可以提高相干累積時(shí)間到2 s。2011年，SoghoyanA等開發(fā)了一套NI LabVIEW輔助GPS仿真器，為弱信號(hào)環(huán)境下的接收機(jī)提供星歷參數(shù)，并在FP-GA上對(duì)性能進(jìn)行了驗(yàn)證。2012年，Shafiee M等提出了一種無線網(wǎng)絡(luò)輔助GPS捕獲方法，利用無線網(wǎng)絡(luò)提供參考時(shí)間，大大縮短了首次定位時(shí)間，提高了捕獲靈敏度。同年，Sadrieh S N等提出了雙接收機(jī)輔助GPS捕獲方法，利用正常環(huán)境下接收機(jī)的解算多普勒和鐘差，對(duì)復(fù)雜環(huán)境下的接收機(jī)捕獲過程進(jìn)行輔助，實(shí)驗(yàn)表明可以提高200 ms的相干積分時(shí)間。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)輔助GPS捕獲方法的研究主要集中在慣導(dǎo)輔助方面。南京航空航天大學(xué)的袁俊剛、北京航空航天大學(xué)的張敏虎、沈陽(yáng)理工大學(xué)的趙晴等人，都提出了利用慣導(dǎo)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(shí)間，同時(shí)提高捕獲靈敏度。

2、高靈敏度GPS捕獲技術(shù)性能分析

信噪比提升方法、互相關(guān)干擾抑制方法和輔助GPS捕獲方法針對(duì)不同的環(huán)境、采取不同的途徑來提高GPS的捕獲靈敏度。表1對(duì)高靈敏度捕獲技術(shù)的不同方法進(jìn)行了性能對(duì)比。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，信噪比提升方法主要解決的兩大問題是去除導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)以及提高捕獲增益，其針對(duì)的主要是弱信號(hào)環(huán)境提高捕獲靈敏度的問題?；ハ嚓P(guān)干擾方法主要解決的是強(qiáng)信號(hào)對(duì)弱信號(hào)造成的干擾問題，所研究的方法集中在如何去除強(qiáng)信號(hào)和弱信號(hào)的互相關(guān)方面，也有方法兼顧了導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)問題。輔助GPS捕獲方法主要是解決高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的GPS信號(hào)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(shí)間等方面。

圖3更直觀地展示了高靈敏度GPS捕獲技術(shù)的發(fā)展歷程、特點(diǎn)和相應(yīng)的高靈敏度產(chǎn)品，并且預(yù)測(cè)了未來高靈敏度捕獲技術(shù)的發(fā)展方向。從20世紀(jì)80年代開始，高靈敏度GPS捕獲技術(shù)的研究逐漸展開，起初主要針對(duì)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(duì)方法進(jìn)行改進(jìn)以及開展新的捕獲方法研究。20世紀(jì)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(xiàn)。另外，研究學(xué)者也開始重視強(qiáng)信號(hào)干擾問題及互相關(guān)干擾問題。進(jìn)入21世紀(jì)，隨著人們所處環(huán)境的復(fù)雜化，高靈敏度捕獲技術(shù)成為導(dǎo)航領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，研究成果也不斷出現(xiàn)，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(fā)展到利用無線通信網(wǎng)絡(luò)提供衛(wèi)星鐘差、參考頻率、比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)

3、高靈敏度GPS捕獲技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)、信號(hào)處理等技術(shù)的不斷發(fā)展以及各類導(dǎo)航系統(tǒng)的不斷完善，高靈敏度GPS捕獲技術(shù)日趨成熟。但由于用戶所處的環(huán)境越來越復(fù)雜，目前，在高靈敏度GPS捕獲技術(shù)方面發(fā)展主要有以下幾個(gè)方面：

（1）高靈敏度GPS捕獲技術(shù)深入研究

高靈敏度GPS捕獲技術(shù)中，無論信噪比提升方法、互相關(guān)干擾抑制方法還是輔助GPS捕獲方法，都面臨著一個(gè)共同問題——導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)。能否快速準(zhǔn)確地去除導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)的影響，成為決定捕獲方案性能的關(guān)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(guān)算法，捕獲增益提高不夠明顯，計(jì)算過于繁瑣，降低了捕獲的靈活性。尤其是在信號(hào)極弱的環(huán)境下，導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)無法避免地會(huì)限制捕獲靈敏度。因此，如何設(shè)計(jì)出快速準(zhǔn)確估計(jì)導(dǎo)航比特符號(hào)翻轉(zhuǎn)的方法，并應(yīng)用于高靈敏度捕獲技術(shù)，將是未來研究的熱點(diǎn)。

（2）高靈敏度GPS捕獲技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)

捕獲環(huán)節(jié)是接收機(jī)處理的第一個(gè)步驟，其靈敏度直接關(guān)系到GPS接收機(jī)整體的性能。目前，射頻前端產(chǎn)品以及GPS接收機(jī)性能的不斷完善，為高靈敏度捕獲技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)打下了良好的基礎(chǔ)。但是，目前針對(duì)高靈敏度GPS捕獲技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)方法，以及弱信號(hào)和高動(dòng)態(tài)環(huán)境的高靈敏度GPS接收機(jī)的開發(fā)還相對(duì)較少。雖然國(guó)外某些公司已經(jīng)開發(fā)出幾款高靈敏度GPS接收機(jī)，但缺乏技術(shù)細(xì)節(jié)，難以采用。因此，有必要進(jìn)一步進(jìn)行高靈敏度捕獲技術(shù)的硬件實(shí)現(xiàn)方法的研究。

（3）高靈敏度雙頻接收機(jī)捕獲技術(shù)研究

隨著GPS現(xiàn)代化進(jìn)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(hào)具有先進(jìn)的碼結(jié)構(gòu)以及提供電離層、對(duì)流層誤差修正等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的L1波段信號(hào)組成雙頻接收機(jī)，可以大幅度提高定位精度，歐洲航天局已經(jīng)推出了L5波段的研究規(guī)劃，雙頻接收機(jī)成為近幾年的研究熱點(diǎn)。

目前，雙頻接收機(jī)的研究仍處在開發(fā)和調(diào)試階段，雖然Grant H等人率先開展了弱信號(hào)條件下L5波段信號(hào)捕獲技術(shù)研究，但是，如何在微弱信號(hào)環(huán)境下對(duì)L5波段信號(hào)進(jìn)行有效捕獲，以及如何提高雙頻接收機(jī)的捕獲靈敏度，還需進(jìn)行大量的研究工作。

4、結(jié)束語(yǔ)

高靈敏度GPS捕獲技術(shù)作為高靈敏度接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在導(dǎo)航領(lǐng)域的研究中處在不可替代的地位。高靈敏度GPS捕獲技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)決定了導(dǎo)航接收機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)，在工程應(yīng)用方面，盡可能對(duì)成熟的高靈敏度捕獲方法進(jìn)行改進(jìn)，使其具備更廣泛的應(yīng)用范圍，同時(shí)，需重視前沿技術(shù)的理論研究，為工程應(yīng)用提供技術(shù)儲(chǔ)備。