专利名称：基于序贯概率比检测的gps微弱信号捕获方法
技术领域：
本发明涉及GPS (Global Position System，全球定位系统)信号数据处理领域，具 体涉及一种基于SPRT(Sequential Probability Ratio Test，序贯概率比检测)的GPS微 弱信号捕获方法。
背景技术：
对于普通GPS接收机，只能接收大于-160dBW左右功率的信号。当携带GPS接收 机的载体在室内、城市峡谷、森林和高地球轨道运行时，GPS信号受到遮挡和衰减，接收机接 收到的卫星信号及其微弱，接收机“看不到”GPS卫星，就不能进行导航定位。GPS接收机捕 获是一个对PRN(Pseudo Random Noise)码延时和载波多普勒估计的过程，这个信息用来初 始化跟踪环，是接收机可以进行定位的基础。在微弱信号接收卫星导航接收机方面国外在GPS接收机方面取得了一些研究成 果。日本NEC公司生产出可接收-182dBW信号的GPS接收机，而且可在建筑物内和楼群间 进行精确定位。美国Signav公司造出GPS接收机，可接收信号为_185dBW的信号，专用于 接收微弱信号，甚至在多层停车场内、建筑物中和高楼丛里都能可靠工作。加拿大Galgary 大学和丹麦Aalborg大学(奥尔堡大学)是目前微弱信号GPS接收机算法和硬件研制最具 有代表性的学术机构，在该领域处于世界领先地位。此外，美国斯坦福大学、康奈尔大学、美 国空军研究实验室等著名大学和研究机构都在微弱信号GPS接收机研制方面取得了重要 成果。如Nesreen I. Zieda提出的CCMDB算法和DBZP算法。对于微弱信号条件下GPS接 收机的捕获算法，为了达到较高的SNR，需要几百ms的积分时间，需跨越数据位转换沿，以 上方法是采用相干积分累加_非相干积分累加相结合的捕获算法。相干积分累加_非相干积分累捕获算法可以对弱GPS信号进行有效的捕获，但该 算法的时间复杂度较高，需要高性能的硬件支持。在实际环境中，一般较强和较弱的GPS卫 星信号是并存的，若每颗卫星信号均采用相干积分累加-非相干积分累加算法进行捕获， 会大大增加平均捕获时间。序贯概率比检测作为数理统计学的一个分支，其名称源于1947年A. Wald发表的 一本同名著作，它研究的对象是所谓“序贯抽样方案”，及如何用这种抽样方案得到的样本 去作统计推断。序贯抽样方案是指在抽样时，不事先规定总的抽样个数(观测或实验次 数)，而是先抽少量样本，根据其结果，再决定停止抽样或继续抽样、抽多少，这样下去，直至 决定停止抽样为止。在无源雷达航迹起始阶段，也有一种叫做序贯检测的航迹起始方法，它 的原理与抽样类似。反之，事先确定抽样个数的那种抽样方案，称为固定抽样方案。这种序贯概率比检测的最大特点就是检测的次数不是固定的，是根据已经完成检 测的结果而不断改变。对于强弱信号共存情况下的GPS信号捕获，接收机冷启动时，没有星历信息可用， 在进行捕获之前并不知道天空中可见的GPS卫星的个数及各自的能量强度。在卫星信号能 量普遍较弱的情况下，为了捕获到能量较弱GPS卫星信号用于定位，高灵敏接收机只有通过进行长时间的相干积分累加-非相干积分累加算法进行数据处理，才可以捕获到较弱的 GPS卫星信号。现有的捕获算法的数据处理时间和检测门限都是固定的，都是根据所有需 要捕获到的卫星信号中能量最弱的信号而设定的。这种算法在运算量上存在一个很大的浪 费，那就是把强信号也当做弱信号处理了，对强信号进行了很多不必要的计算。

发明内容
本发明的目的在于克服现有GPS微弱信号捕获算法时间复杂度过高的缺点，提 供一种基于序贯概率比检测的GPS微弱信号捕获算法，适应不同强度信号的捕获，有效缩 短强信号的捕获时间，从而降低整个捕获时间，提高捕获性能。本发明的目的是通过以下技术方案来实现的基于序贯概率比检测的GPS微弱信 号捕获算法，实现步骤如下(1)对接收机前端输出的数据长度为N ms的采样量化处理后的中频数字信号进 行并行码域二维搜索，获得并行码域二维搜索的包络图；(2)在设定的虚警概率Pfa= α的条件下，计算出不同非相干累加次数M对应的 门限值YM;其中α为预先设定的虚警概率值，其典型值为10_6，Μ的取值范围为1-100;(3)根据步骤(1)中获得的并行码域二维搜索的包络图，计算假设的信号包络的 概率密度函数；(4)根据现在进行的非相干累加次数Μ，选择步骤⑵得到的对应门限值ΥΜ，计算 步骤⑶得到假设的信号大于门限YM的概率Q& (X)；(5)对检测结果进行判决，如果Qy2 (χ) > α，则认为捕获到信号，结束搜索阶
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段；如果Qy2 (χ) < α，认为没有捕获到信号，再对下一数据长度为N ms的数据进行并行
av
码域二维搜索，并将搜索结果的包络图与之前搜索结果的包络图相叠加，记作非相干累加 次数M加1，重复步骤(3)、(4)、(5)，直到捕获到信号，结束搜索阶段为止；如果非相干积分 累加次数M达到100还未捕获到信号，认为没有信号，同样结束捕获阶段。所述步骤(2)在设定的虚警概率Pfa = α的条件下，计算出不同非相干累加次数 M对应的门限值YM的过程为令噪声方差为1，已知噪声包络I2+Q2服从自由度为2Μ的^^ 又叫做服从 自由度为2M的中心chi平方分布)分布为Po(^)^,.^m"1 exp(-^x)(1)
2ΜΓ(Μ)L其中Γ (M)为Gamma函数，其定义为Γ (M) = (Μ_1) Γ (M_l)，在上式中M为正整 数，Γ (M) = (M-I) ！对于GPS接收机的信号的捕获检测，虚警概率Pfa与检测门限Y M的关系，由Ptl (χ) 的右尾概率给出Pfa = Qpo O) = ^0m Po (x)dx(2)根据(1)式和⑵式，已知虚警概率Pfa= α，自由度2Μ，可以计算出不同的M值
5对应的门限值YM;依次计算当非相干累加次数M为1到100时，使右尾概率Ptl(X)等于α的门限值 Y 1 至Ij Y 100。所述步骤(3)根据步骤(1)中获得的并行码域二维搜索的包络图，计算假设的信 号包络的概率密度函数的过程为除了幅值最大的搜索单元格以外，其他单元格都视为噪声被处理之后得到的 结果；根据自由度为2Μ的；Jfg分布的均值满足五(J^1) = 2Μσ2，则噪声方差满足
σ2 =，其中μ为非相干累加次数，σ 2为噪声方差；将幅值最大的检测单元的幅
2Μ
值设为信号被处理之后得到的结果，再根据信号加噪声的包络服从参数为λ的非中心 ；(A)分布，其中非中心参量λ等于幅值最大的检测单元的幅值与噪声方差O2之比，从 而得到假设的信号包络的概率密度函数
权利要求
基于序贯概率比检测的GPS微弱信号捕获方法，其特征在于实现步骤如下(1)对接收机前端输出的数据长度为N ms的采样量化处理后的中频数字信号进行并行码域二维搜索，获得并行码域二维搜索的包络图；(2)在设定的虚警概率Pfa＝α的条件下，计算出不同非相干累加次数M对应的门限值γM；其中α为预先设定的虚警概率值，M的取值范围为1 100；(3)根据步骤(1)中获得的并行码域二维搜索的包络图，计算假设的信号包络的概率密度函数；(4)根据现在进行的非相干累加次数M，选择步骤(2)得到的对应门限值γM，计算步骤(3)得到假设的信号大于门限γM的概率(5)对检测结果进行判决，如果则认为捕获到信号，结束搜索阶段；如果认为没有捕获到信号，再对下一数据长度为N ms的数据进行并行码域二维搜索，并将搜索结果的包络图与之前搜索结果的包络图相叠加，记作非相干累加次数M加1，重复步骤(3)、(4)、(5)，直到捕获到信号，结束搜索阶段为止；如果非相干积分累加次数M达到100还未捕获到信号，认为没有信号，同样结束捕获阶段。FSA00000314786800011.tif,FSA00000314786800012.tif,FSA00000314786800013.tif
2.根据权利要求1所述的基于序贯概率比检测的GPS微弱信号捕获算法，其特征在于 所述步骤(2)在设定的虚警概率Pfa= α的条件下，计算出不同非相干累加次数M对应的 门限值YM的过程为令噪声方差为1，已知噪声包络I2+Q2服从自由度为2M的;^分布为
3.根据权利要求1所述的基于序贯概率比检测的GPS微弱信号捕获算法，其特征在于 所述步骤(3)根据步骤(1)中获得的并行码域二维搜索的包络图，计算假设的信号包络的 概率密度函数的过程为除了幅值最大的搜索单元格以外，其他单元格都视为噪声被处理之后得到的结果；根据自由度为分布的均值满足μ ο, ΟΛ/Γ，则噪声方差满足
全文摘要
基于序贯概率比检测的GPS微弱信号捕获方法(1)对接收机前端输出采样量化处理后的中频数字信号进行并行码域二维搜索；(2)在设定的虚警概率的条件下，计算出不同非相干累加次数对应的门限值；(3)计算假设的信号包络的概率密度函数；(4)计算假设的信号大于门限的概率(5)如果则认为捕获到信号，结束搜索阶段；如果认为没有捕获到信号，重复步骤(3)、(4)、(5)，如果非相干积分累加次数M达到100还未捕获到信号，认为没有信号，同样结束捕获阶段。本发明有效的缩短强信号的捕获时间，降低整个捕获时间，提高了捕获性能。
文档编号G01S19/24GK101984364SQ20101051592
公开日2011年3月9日 申请日期2010年10月15日 优先权日2010年10月15日
发明者牛靖逸, 秦红磊 申请人:北京航空航天大学