普通GPS接收機(jī)只能在信號接收條件較好的情況下工作,，而在城市峽谷,、隧道、高樓內(nèi)等環(huán)境下,，由于遮擋物的穿透損耗,，信號強(qiáng)度往往都會有較大的衰減，使得普通的接收機(jī)不能正常捕獲GPS信號來實現(xiàn)定位功能[1],。究其原因,，在開放的天空下，GPS信號較強(qiáng),，載噪比C/N0(carrier noise ratio)一般高于44 dB-Hz,，而在室內(nèi)環(huán)境下,，C/N0均在44 dB-Hz以下,。隨著軟件無線電技術(shù)的發(fā)展，研制具有弱GPS信號捕獲能力的高靈敏度GPS軟件接收機(jī)越來越有必要。

    目前,，實現(xiàn)弱GPS信號的捕獲算法有很多,。參考文獻(xiàn)[2]介紹了兩種微弱信號的捕獲算法：半比特交替算法和全比特法；參考文獻(xiàn)[3]介紹了一種最大似然比特同步算法,；參考文獻(xiàn)[4]介紹了一種估計導(dǎo)航數(shù)據(jù)最佳組合的圓周相關(guān)法,。上述這些算法的目的都在于消除導(dǎo)航數(shù)據(jù)位20 ms跳變的影響,加長相干累積時間,提高信噪比，從而實現(xiàn)捕獲,。
    本文首先分析了半比特交替算法和差分相干法,，然后結(jié)合兩種方法的特點,提出了半比特差分捕獲算法,并在最后對半比特交替算法和半比特差分捕獲算法進(jìn)行仿真比較。
1 微弱信號的捕獲算法
1.1 微弱信號捕獲原理
    對于正常的GPS信號,，只需1 ms長度的數(shù)據(jù)(即一個C/A碼周期)就可以實現(xiàn)捕獲,，而當(dāng)信號強(qiáng)度較弱時，就無法有效地檢測到信號,。這時可以把相鄰C/A碼周期的相關(guān)值累加起來,進(jìn)行相干積分,，提高信噪比增益，從而檢測出微弱信號,，這就是微弱信號的捕獲原理,。
    相干積分利用了C/A碼的強(qiáng)自相關(guān)性[5]。對某段長度的輸入信號與本地生成的某顆衛(wèi)星C/A碼,，相對不同的碼相位間進(jìn)行相關(guān)計算,，如果最大相關(guān)峰值超過預(yù)設(shè)閾值，則說明捕獲到了這顆衛(wèi)星,。
    相干積分的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
    
   

2 改進(jìn)的捕獲算法
    在半比特交替算法中用到了相干累積和非相干累積,，但是這兩種積分方式有著不可避免的缺點。相干累積由于受導(dǎo)航數(shù)據(jù)位跳變的影響,，一般累積長度不得大于20 ms,，否則累計值就有可能抵消減小,；非相干累積雖然克服了數(shù)據(jù)跳變的影響,，但是平方運算會帶來平方損耗，有可能使加長非相干積分時間所帶來的提升信噪比優(yōu)點抵不上由此帶來的超長捕獲時間的缺點,。
　　半比特差分捕獲算法充分結(jié)合了半比特交替算法和差分相干法的特點,，避免了非相干累積，克服了噪聲的平方增益,，具體實現(xiàn)過程如下：
    取相互延遲1 ms的11組導(dǎo)航數(shù)據(jù),，對每組數(shù)據(jù)進(jìn)行10 ms長度的分塊，則只有一組的相鄰分塊處在同一數(shù)據(jù)位,，將每組分塊標(biāo)記為Ymn(m=1,2,3,…,11,n=1,2,3…）,，分組分塊過程如圖3所示,。然后，將每組的奇數(shù)分塊與它后面的一個偶數(shù)分塊差分相關(guān),，即與偶數(shù)分塊的復(fù)數(shù)共軛相乘,，同時接收機(jī)內(nèi)部復(fù)制的C/A碼也與其延后10 ms的復(fù)數(shù)共軛相乘，最后再讓兩者進(jìn)行相關(guān)運算并分組求和,，其過程表示如下：
    

    從圖4可以看出,在載噪比為30 dB-Hz的情況下,，兩種方法都能順利捕獲信號，其中半比特差分算法的捕獲效果較好,，對噪聲的抑制明顯,，原因在于半比特交替算法本質(zhì)上還是非相干累積,進(jìn)行平方運算時，噪聲也成倍增長,。
    圖5為兩種方法對25 dB-Hz信號的捕獲效果,。從圖5可以看出，在載噪比為25 dB-Hz的情況下,，兩種方法能夠捕獲信號,，但是半比特交替算法的信噪比已經(jīng)大大降低，而半比特差分算法的對噪聲抑制較好,，捕獲效果明顯,。

    圖6為兩種方法對20 dB-Hz信號的捕獲效果。從圖6可以看出,，在載噪比為20 dB-Hz的情況下,，半比特交替算法不能捕獲信號，半比特差分算法仍能捕獲到信號,，噪聲抑制較好,。

    兩種算法在不同載噪比條件下的檢測概率如圖7所示，數(shù)據(jù)長度為100 ms,。在相同檢測概率條件下,，半比特差分算法的捕獲能力要優(yōu)于半比特交替算法。在70%的檢測概率條件下,，半比特差分算法相比半比特交替算法性能要優(yōu)化大約6 dB-Hz,。在載噪比為20 dB-Hz的條件下，半比特差分算法的檢測概率為87%,。

    本文介紹了一種捕獲弱GPS信號的半比特差分算法,，并通過仿真與半比特交替算法進(jìn)行了比較。半比特交替算法可以捕獲載噪比為25 dB-Hz的弱信號,而半比特差分算法可以捕獲載噪比為20 dB-Hz的弱信號,新算法有效地提高了GPS軟件接收機(jī)的捕獲靈敏度,。
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