CN101067651A - Gps弱信号的快速捕获实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种GPS弱信号的快速捕获实现方法，包括将接收来的GPS信号数据存储在存储器中，然后送到相位检测模块(302)检测出相位跳变的数据段位置，将数据分成相位跳变前和跳变后，并分别计入两组分组数据G1和G2，再经相干积分(304)对分组数据G1和G2进行相干积分，得到的结果送到比较模块(305)，取其最大值，并送到增益判断模块(306)，判断得到的增益是否满足捕获信号所需，如不满足，再到相位检测模块(302)对后续数据进行相位检测和判断。本发明采用相位跳变检测和相干积分方法联合判断导航电文引起码相位跳变的位置，这样可以尽可能利用接收到的卫星数据，实现长时间的相干积分，解决了因积分损失和增益低而造成系统捕获灵敏度低的问题。
Description
技术领域
本发明涉及捕获GPS(全球定位系统)弱信号的领域，特别涉及一种通过估计相位跳变、增加相干积分的长度、提高系统信噪比(SNR)的GPS弱信号的快速捕获实现方法。
背景技术
全球卫星定位系统能够为用户提供精确的位置、速度、时间等信息，目前已经得到广泛的应用。然而，在室内、森林、城市等复杂环境下，GPS信号受到严重的衰减，GPS信号功率也远远低于一般GPS接收机的工作范围，在这些环境下，一般的GPS接收机不能捕获和跟踪到导航卫星信号，这使GPS的应用领域受到很大的限制。FCC(美国通讯委员会)颁布的行政性命令Enhanced 911(E911)，它要求在任何时间、任何地点都能通过手机信号追踪到用户。由于紧急情况很可能发生在室内，这就要求接收机对GPS弱信号有较高的捕获灵敏度。
通常有两种方法来提高信噪比：相干积分和非相干积分。
由于接收到的数据中可能出现因导航数据的变化引起码相位的跳变，因此，在接收弱信号时，会导致参加相干积分的数据长度受到限制。
非相干积分虽然不会受到相位跳变的影响，但这种积分方式会带来积分损失。
相干积分的增益Gc(n)可以表示为：
Gc(n)＝10log(n) (1)
非相干积分的增益Gi(n)可以用下式表示：
Gi(n)＝Gc(n)-L(n)＝10log(n)-L(n) (2)
其中，上式中积分损失值L(n)可以用下式表示：
上面三个公式中的参数n都是表示参加积分的数据的毫秒数。其中，Dc是理想检测因数，用Dc＝[erf-1(1-2Pfa)-erf-1(1-2Pd)]2来表示，它是检测概率Pd和误警率Pfa的函数。例如在给定检测概率Pd＝O.9和误警率Pfa＝10-7的情况下，根据给定积分的毫秒数n，可分别得到非相干积分的增益、相干积分的增益和非相干积分损失值。例如n＝2，非相干积分的增益约为2.7dB，相干积分的增益为3dB，非相干积分损失了0.3dB；当n＝100时，非相干积分的增益约为14.6dB，相对于20dB相干积分的增益来说，增益约损失了5.4dB。这无形中增加了积分的数据长度，但是其积分数据长度却是受到限制的。由于采用非相干积分方式积分500ms的数据能得到18.417dB的增益，但是积分1000ms的数据只能得到20.007dB的增益，与前者相比，虽然数据长度增加了500ms，但是得到的增益只增加了不到2dB。这在James Bao-Yen Tsui于2005年编写的“Fundamentals ofGlobal Positioning System Receivers A software Approach(secondedition)”(A JOHNWILEY & SONS，INC.，PUBLICATION)一书中也已经指出。同时该书也指出，可以采用分块处理数据的方法，即分段相干积分方法，如相干积分为10ms(毫秒)的数据段，由于导航电文的播发频率为50Hz(赫兹)，伪码每20ms就可能会出现一个180度的相移或跳变。因此其弱信号进行相干捕获的最大长度为10ms，相邻两段10ms Gold(戈尔德码)序列中，至少有一段不会有相位跳变，这样就可以通过相干积分得到10dB的增益。每一段为10ms，分别对其进行相干积分。然后将奇数组和偶数组的相干积分分别求和，就可以使用其中的一个值来进行捕获信号了。这种分段相干积分方法虽然不会带来积分损失，但是所需要的数据长度将是有用数据长度的2倍。
发明内容
本发明为克服现有技术存在的问题，提供了一种GPS弱信号的快速捕获实现方法，所捕获的GPS信号强度是低于140dBm的弱信号；通过延长参与相干积分的数据长度，来提高信号的信噪比、捕获速度和系统的灵敏度。这种方法避免了进行非相干积分带来的“平方损失”，与以前的分段相干积分法相比，将得到更高的处理增益。
本发明方法的方案是利用相位跳变检测方法来检测相位跳变的位置，尽可能延长相干积分的数据长度，同时在没有积分损失的情况下，提高处理增益，从而提高系统接收机的灵敏度。
具体技术方案如下：
将接收来的GPS信号的数据存储在存储器中，存储在存储器中数字化后的中频数据信号(301)送到相位检测模块(302)，由相位检测模块(302)检测出相位跳变的数据段位置，将数据分成相位跳变前和跳变后的数据，并分别计入两组分组数据G1和G2中，再经相干积分(304)对分组数据G1和G2进行相干积分，得到的结果送到比较模块(305)中，取出其最大值，把得到的最大值送到增益判断模块(306)中，判断得到的增益是否满足捕获信号所需，如果不满足，再到相位检测模块(302)对后续数据进行相位检测和判断，具体过程包括下列步骤：
A、相位跳变检测
相位跳变检测是由相位检测模块(302)对多个a毫秒数据段检测出存在相位跳变的1毫秒数据段位置：
一是检测出第一次相位跳变的1毫秒数据段位置：
将采集的GPS信号分成相等a毫秒(a＝1，2，3，4，5，…20，a是指用来判断增益变化趋势所需数据段的毫秒数)数据的小段，第j个(j为自然数，是指用来判断增益变化趋势所需数据段的序号)a毫秒数据比第j+1个a毫秒数据超前1毫秒，即第j个a毫秒数据段中的最后a-1毫秒数据与第j+1个a毫秒数据段中的前a-1毫秒数据是相同的，通过卷积器(403)对每个1毫秒数据进行卷积，得到相邻的多个a毫秒数据相干积分后得到的结果，把多个相邻a毫秒相干积分值按照时间先后顺序排列，其中结果最接近0的位置，就是导航数据位引起码相位第一次跳变的位置；
二是检测出第k(k为大于1的正整数，k表示接收的数据中发生相位跳变的次数)次相位跳变的1毫秒数据段位置：
根据第一次相位跳变1毫秒数据段的位置，再用相位检测模块(302)对已经检测到存在相位跳变的1毫秒数据后的第m(m＝20，40，60，…，m是指导航数据位变化所包含1毫秒的个数)个1毫秒数据段进行检测，检测时计算所有包含第m个1毫秒数据的a个a毫秒数据段的相干积分值，根据这些值的变化趋势确定第m个1毫秒数据中是否出现相位跳变，如果变化平缓，则没有相位跳变存在，如果变化明显，而且得到的位于积分值中间的值如果与0接近，则说明存在相位跳变；
B、延长相干积分时间
利用步骤A检测出的相位跳变的位置来延长参加相干积分的数据长度，具体步骤如下：
a)利用步骤A检测出第1个相位跳变的位置后，把发生相位跳变的1毫秒数据段前后的数据分成两组：一组由存在相位跳变的1毫秒数据段前所有没有发生相位跳变的数据组成，记作G1，一组由存在相位跳变的1毫秒数据段后19毫秒数据组成，记作G2；
b)比较G1和G2数据段的长度，把长度较长的数据段记为G，对G内的数据执行相干积分，判断得到的增益是否达到捕获弱信号需要的10～25dB，如果达到需要的增益，就终止执行判断；当没有达到所需要的增益，继续执行下一步以延长参加积分的数据长度；
c)利用步骤A检测出第k(k为大于1的正整数)个存在相位跳变的1毫秒数据段，把第k次相位跳变后的19毫秒数据计入步骤a)中的分组中：如果k为偶数，则把第k次相位跳变后的19毫秒数据计入G1，如果k为奇数，则把第k次相位跳变后的19毫秒数据计入G2，并转到步骤b)中执行；
本发明的优点在于：本发明采用相位跳变检测和相干积分方法联合判断导航电文引起码相位跳变的位置，这样可以尽可能利用接收到的卫星数据，实现长时间的相干积分，从而提高处理增益。该方法可以在不损失信噪比的条件下缩短系统捕获GPS弱信号的时间，提高接收机的灵敏度。
附图说明
图1：常用的通过分组相干积分来提高增益的方法示意图。
图2：非相干积分和相干积分的增益比较结果示意图。
图3：与本发明相符的通过相干积分判断相位跳变来延长相干积分长度的实现方法示意图。
图4：本发明中通过匹配滤波器实现1ms数据的匹配滤波方法的示意图。
图5：本发明中通过相位相干积分方法来判断相位跳变位置的示意图。
图6：本发明中通过检测得到相位跳变位置，实现延长相干积分长度的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细说明。
图1是常用的通过分段相干积分来提高增益的方法示意图。如图中把接收到的数据分为奇数组101和偶数组102，由于导航数据位可能20毫秒变化一次，因此其中必定有一组数据中不受导航数据位的影响。通过分别积分奇数组数据101和偶数组数据102，可以得到不同的增益。通过此方法可以不考虑导航数据变化而引起码相位发生跳变的影响。但是该方法会丢弃一些能够使用的有用数据，假如：奇数组101a中有相位跳变，而奇数组101b中没有相位跳变现象，那么奇数组101b的这10ms的数据是可以与偶数组102的数据一起进行相干积分的，但是该方法不能够充分使用这些数据。
图2是非相干积分和相干积分的增益比较结果示意图。在相同数据长度下，图中显示了相干积分和非相干积分所得增益的曲线。通过该图可以看出，如果不用非相干积分，就可以避免因非相干积分所带来的损失。然而要使用相干积分来提高信噪比，就需要避开导航数据位带来的相位跳变的影响。
图3是与本发明相符的通过相干积分判断相位跳变来延长相干积分长度的实现方法示意图。图中相位检测模块302接收数字化后的中频数据信号301，并判断数据段中导航数据变化是否引起码相位发生跳变。303a和303b是根据相位检测模块302检测情况得到的两组分组数据G1和G2，相干积分304用于对分组数据303a和303b进行相干积分，得到结果送到比较模块305中，取出其最大值，把得到的最大值送到增益判断模块306中，判断得到的增益是否满足捕获信号所需。如果不满足的话，再到相位检测模块302对后续数据进行相位检测和判断。本发明通过判断相位跳变的情况，把相位跳变前和跳变后的数据分别计入相应的数据中，通过本发明的方法来延长参加相干积分的数据长度。
图4是通过匹配滤波器实现1ms数据的匹配滤波方法的示意图。图中，存储在存储器中1ms的数字信号401与Gold码生成器402产生1ms的Gold码通过卷积器403进行卷积运算，得到1ms数据的卷积值，把a个这样的数据通过卷积器403各模块经过相干积分叠加在一起，就可以得到a毫秒数据段的相关值404。在GPS信号中，每20ms可能会发生180度相位跳变，这会导致相关值符号发生翻转。对出现相位跳变的1毫秒数据前后的a毫秒数据分别进行相干积分后，得到的是两个符号相反、数值相等的积分值。当GPS信号中第j个1毫秒数据段内出现相位跳变时，则包含该1毫秒数据的所有a毫秒数据段的相干积分值将会有一个变化趋势，这个趋势可以通过图5中的502表示出来。原因在于由于相位跳变引起积分结果正负抵消而出现增益变化。
图5是通过相位相干积分方法来判断相位跳变位置的示意图。图中，501a到501e是5个a毫秒数据段，在501b和501c，501c和501d之间还有许多a毫秒数据段，502是对每个a毫秒数据段相干积分的增益曲线。根据这个曲线的趋势就可以知道导航数据位引起码相位跳变的位置。例如如果第503所指的1毫秒数据段中出现相位跳变，则对a+2个a毫秒数据段的相干积分结果用503表示出来，由于在a+2个结果中有a个中包含有相位跳变的1毫秒数据段，因此这a个结果必然要受到其影响，而且有一个变化趋势，这个趋势就是由大变小，再由小变大。根据这个趋势就可以知道相位跳变发生的位置位于某个对应的1毫秒数据段内。通过多次判断相位跳变的位置，可以大大延长积分时间，获得更高的处理增益。这种方法相干积分累积时间可以远远超过20ms，而不受导航数据传播速率限制。
图6是在a＝1ms下，通过相位检测模块302检测存储的200ms数据中相位跳变情况的数据分段的示意图。图中602a到602j是检测到可能出现相位跳变的1ms的数据段，601是相位跳变出现前没有发生相位跳变的5ms数据段，603a到603j是没有相位跳变的19ms的数据段，603j没有数据跳变的14ms的数据段。
下面分两种情况进行分析：
1)当602a到602j的所有1ms数据段中都发生相位跳变时，那么可以知道601，603b，603d，603f，…，603j分为第一组数据，记作G1；603a，603c，603e，…，603i分为第二组，记作G2组，那么可以知道两组的数据长度是相同的，都是95ms。
也就是说可以相干积分的数据长度为95ms，得到的增益为19.78dB，而采用非相干积分方式虽然可以积分的数据长度是200ms，但是得到的增益只能为16.26dB，还是要损失3.72dB。
2)当602a到602j中的某一个或者几个1ms的数据段中没有发生相位跳变时，那么相应的能参加相干积分的数据长度将会大于95ms，结果得到的增益也将会大于19.78dB。例如假设在602b这一段1ms的数据段中没有发生相位跳变，那么对应的能够参加相干积分的数据长度将达到115ms，相应的得到的增益为20.61dB。
本发明的关键在于延长相干处理的数据长度来提高接收机的信噪比和系统的灵敏度。最简单的方法是通过相位的判断尽可能地增加进行相干积分处理的毫秒数，从而达到快速捕获弱GPS信号的目的。
Claims (5)
1.一种GPS弱信号的快速捕获实现方法，包括将接收来的GPS信号的数据存储在存储器中，其特征在于，存储在存储器中数字化后的中频数据信号(301)送到相位检测模块(302)，由相位检测模块(302)检测出相位跳变的数据段位置，将数据分成相位跳变前和跳变后的数据，并分别计入两组分组数据G1和G2中，再经相干积分(304)对分组数据G1和G2进行相干积分，得到的结果送到比较模块(305)中，取出其最大值，把得到的最大值送到增益判断模块(306)中，判断得到的增益是否满足捕获信号所需，如果不满足，再到相位检测模块(302)对后续数据进行相位检测和判断，具体过程包括下列步骤：
A、相位跳变检测
相位跳变检测是由相位检测模块(302)对多个a毫秒数据段检测并确定出存在相位跳变的1毫秒数据段位置：
一是检测出第一次相位跳变的1毫秒数据段位置：
将采集的GPS信号分成相等a毫秒(a＝1，2，3，4，5，…20，a是指用来判断增益变化趋势所需数据段的毫秒数)数据的小段，第j个(j为自然数，是指用来判断增益变化趋势所需数据段的序号)a毫秒数据比第j+1个a毫秒数据超前1毫秒，即第j个a毫秒数据段中的最后a-1毫秒数据与第j+1个a毫秒数据段中的前a-1毫秒数据是相同的，通过卷积器(403)对每个1毫秒数据进行卷积，得到相邻的多个a毫秒数据相干积分后得到的结果，把多个相邻a毫秒相干积分值按照时间先后顺序排列，其中结果最接近0的位置，就是导航数据位引起码相位第一次跳变的位置；
二是检测出第k(k为大于1的正整数，k表示接收的数据中发生相位跳变的次数)次相位跳变的1毫秒数据段位置：
根据第一次相位跳变1毫秒数据段的位置，再用相位检测模块(302)对已经检测到存在相位跳变的1毫秒数据后的第m(m＝20，40，60，…，m是指导航数据位变化所包含1毫秒的个数)个1毫秒数据段进行检测，检测时计算所有包含第m个1毫秒数据的a个a毫秒数据段的相干积分值，根据这些值的变化趋势确定第m个1毫秒数据中是否出现相位跳变，如果变化平缓，则没有相位跳变存在，如果变化明显，而且得到的位于积分值中间的值如果与0接近，则说明存在相位跳变；
B、延长相干积分时间
利用步骤A检测出的相位跳变的位置来延长参加相干积分的数据长度，具体步骤如下：
a)利用步骤A检测出第1个相位跳变的位置后，把发生相位跳变的1毫秒数据段前后的数据分成两组：一组由存在相位跳变的1毫秒数据段前所有没有发生相位跳变的数据组成，记作G1，一组由存在相位跳变的1毫秒数据段后19毫秒数据组成，记作G2；
b)比较G1和G2数据段的长度，把长度较长的数据段记为G，对G内的数据执行相干积分，判断得到的增益是否达到捕获弱信号需要的10～30dB，如果达到需要的增益，就终止执行判断；当没有达到所需要的增益，继续执行下一步以延长参加积分的数据长度；
c)利用步骤A检测出第k(k为大于1的正整数)个存在相位跳变的1毫秒数据段，把第k次相位跳变后的19毫秒数据计入步骤a)中的分组中：如果k为偶数，则把第k次相位跳变后的19毫秒数据计入G1，如果k为奇数，则把第k次相位跳变后的19毫秒数据计入G2，并转到步骤b)中执行。
2.如权利要求1所述的GPS弱信号的快速捕获实现方法，其特征在于，所捕获的GPS信号强度是低于140dBm的弱信号。
3.如权利要求1或2所述的GPS弱信号的快速捕获实现方法，其特征在于，所述包含存在相位跳变1毫秒数据的多个a毫秒数据段的相干积分值按照时间先后顺序排列的结果趋势是由大变小，再由小变大(或者由小变大，再由大变小)的趋势。
4.如权利要求1或2所述的GPS弱信号的快速捕获实现方法，其特征在于，对出现相位跳变的1毫秒数据前后的a毫秒数据分别进行相干积分后，得到的是两个符号相反、数值相等的积分值。
5.如权利要求1或2所述的GPS弱信号的快速捕获实现方法，其特征在于，通过相位跳变检测来延长参加相干积分的数据长度。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| AD01 | Patent right deemed abandoned |
Effective date of abandoning: 20071107 |
|
| C20 | Patent right or utility model deemed to be abandoned or is abandoned |