CN101246210A - 一种gps定位方法及基于双核处理器的gps软件接收机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GPS定位方法及基于双核处理器的GPS软件接收机，其中，GPS定位方法包括降频处理、信号捕获、并行运算载波、C/A码跟踪处理、伪距和星历数据解算，择优选择卫星，参与GPS接收机单点定位解算并输出的步骤；基于双核处理器的GPS软件接收机，包括GPS射频前端硬件部分和PC机，PC机包括至少两个并行设置的第一运算处理器和第二运算处理器。本发明的GPS定位方法以多运算核处理器为运行平台，设计并实现对GPS信号捕获、跟踪的并行处理算法，大大减少了解算时间，提高了系统的工作效率。

Description

一种GPS定位方法及基于双核处理器的GPS软件接收机

一、技术领域

本发明涉及一种GPS定位方法，尤其涉及一种基于双核处理器的GPS软件接收机并行解算及定位的方法；同时涉及一种实现这种定位方法的GPS软件接收机，尤其涉及一种具有多核处理器的GPS软件接收机。

二、背景技术

GPS(Global Positioning System)全球定位系统能在全球范围内，向用户提供全天候、实时的三维定位。GPS被广泛应用于大地测量、气象监测、车辆导航以及相关军事领域。传统的GPS接收机基于ASIC(Application Specifc IntegratedCircuit)结构，即射频前端和信号处理部分由专用定制的芯片来实现，将其称为硬件接收机。硬件接收机由于信号处理算法全部由芯片在内部定制实现，一旦芯片定型，用户很难改变相应的参数或更换新的算法。

基于软件无线电技术的GPS软件接收机(Sofrware-Defined GPS Receiver)由Gerein N，Alison Brown在文章Modular GPS Software Radio Architecture.Proceedings of ION GPS 2001.中提出，近年来国内外也相继展开研究。GPS软件接收机的目标是创建一类低成本，并且可以灵活应用的、开放式结构的接收机。以其较高的灵活性和可编程性，为研究人员提供丰富的评估和验证平台。已有文献提出的GPS软件接收机的常规结构如图1所示，由射频前端硬件设备101和PC机中的GPS信号处理程序102两部分组成。其传统的解算方法：首先由GPS天线103接收GPS L1频段的射频信号，通过降频器104以及高精度线性AD采样器105，将GPS信号从1575.42MHz降到数字处理器可以接受的几十MHz范围内，并通过USB接口被PC机采集、存储。然后在PC端运行相应的解算程序106、107、108，对已存储的GPS采样信号进行捕获，跟踪，实现对伪距和导航星历的解算输出，确定接收机的位置信息。

对GPS中频数字信号的捕获和跟踪，其实质上是对一系列庞大的数组进行FFT以及数字卷积和相关运算。这一系列运算给单一CPU处理器造成极大的运行负担，往往不得不降低采样频率来解决处理速度慢的缺点，由此可见，传统的设计方法在GPS软件接收机定位算法的运行速度、实时性方面存在一定的缺陷。

“双核”的概念最早是由IBM、HP、Sun等支持RISC架构的高端服务器厂商提出的，在AMD处理器上得到了充分的应用。“双核”即在一块处理器内具备两个物理上的运算内核，两个内核使用相同的系统请求接口，兼容90纳米单内核处理器，其可以实现对任务的并行处理。本发明针对上述提到的问题，以双运算核处理器为运行平台，设计并实现对GPS信号捕获、跟踪的并行处理算法，大大减少了解算时间，提高了系统的工作效率。

专利申请号为200710048294.5的中国专利公开了一种进行室内定位的软件接收机，通过完成卫星信号的捕获、跟踪、解调和解算来实现室内和室外的无缝导航。其中未公开具有双核处理器的GPS软件接收机及相应的定位方法。

三、发明内容

1、技术问题

本发明要解决的第一个问题是提供一种利用软件GPS接收机进行定位的方法，该方法采用基于双核CPU的高效并行算法，大大提高了运行效率；本发明要解决的第二个问题是提供一种基于双核处理器的GPS软件接收机，将GPS软件接收机的处理器单元划分为两个并行并且独立的运算处理器，分别处理有关数据。为了便于描述，以下将双核称为：第一处理器和第二处理器。

2、技术方案

为了达到上述的发明目的，本发明第一个技术方案为一种GPS定位方法，该方法包括下列步骤：

第一步骤：射频前端单元从卫星获取信号并进行降频处理，经AD转换后得到中频数字信号，该信号为PC机输入信号；在本步骤中，射频前端中的天线接收GPS L1频段的射频信号，通过降频器以及AD采样器，将GPS信号从1575.42MHz降到后续步骤中的数字处理器可以接受的几十MHz范围内；

第二步骤：信号捕获步骤，本步骤中，基于两个CPU处理器，使用并行码相位捕获算法来捕获GPS信号中的有效可见星信号，并确定其载波多普勒频率和CA码初始相位的估计值，具体包括下列步骤：

步骤一：本步骤中，基于双核CPU可以高效并行计算的特点，设计GPS软件接收机并行搜索捕获算法，其原理框图如图4所示，具体说明如下：将第一步骤所得的中频数字信号同时输入PC机中的第一运算处理器和第二运算处理器，进行并行码相位搜索捕获算法；第一运算处理器和第二运算处理器分别进行并行码相位捕获处理，相应的并行码相位捕获算法说明如下：

并行码相位搜索算法是以离散傅立叶变换(DFT)技术为基础，将时域的串行操作转换为频域的并行计算，将时域大量的相关运算变换成为频域的简单乘法运算，然后再通过离散傅立叶反变换(IDFT)得到时域的相关运算结果。

在时域范围内，对于离散数字信号x(n)，y(n)的相关运算可以写成：

$z\left(n\right)=\underset{m=0}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}x\left(m\right)y(n+m)---\left(1\right)$

对z(n)进行离散傅立叶变换(DFT)转换到频域后：

$Z\left(k\right)=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(m\right)y(n+m)e^{-\left(j2\mathrm{\πkn}\right)/N}$

$=\underset{m=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}x\left(m\right)e^{j2\mathrm{\πkm}/N}\underset{n=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}y(m+n)e^{j2\mathrm{\πkm}/N}---\left(2\right)$

$=X^{*}\left(k\right)Y\left(k\right)$

其中Z(k)为z(n)的频域转换值，X^*(k)为X(k)的复数共轭；

再将式2的结果进行傅立叶反变换，可以高效率的搜索到接收信号与本地复现信号的相关峰值；

为了覆盖卫星与接收机之间信号传输预期的所有多普勒频率范围，搜索范围一般在±10kHz之内，搜索步长设置为500Hz，CA码相位在1-1023之间变化，假设对视野中卫星的搜索范围为32颗。本发明在初始捕获时，先将本地CA码发生器的搜索范围平均分配到两个内核并行处理。这样每个CPU的搜索计算量由原来的32次，降为16次/核。

步骤二：捕获成功与否判断；

上述步骤一中，第一运算处理器和第二运算处理器分别对PC机输入信号依次搜索，然后分别将接收信号与本地复现信号输入门限比较器进行实时比较，如果大于门限值，则捕获成功，门限比较器输出载波多普勒值的粗略估计值；

步骤三：进行信号精频处理；

上述步骤一中，并行码搜索算法在频率范围内以500Hz为步长进行搜索，但是500Hz的分辨率只是对载波多普勒的粗略估计，而随后的载波跟踪环路的频宽要求为几Hz，所以必须要进一步求出精频。由于1ms的接收信号得到的频率分辨率一般是1kHz。在传统的GPS接收机处理程序中，用DFT方法。为了取得10Hz级的分辨率，需要对100ms的信号进行搜索，其DFT操作运算量非常大，相当费时。

本步骤采用精细频率分辨率(Fine Frequency Resolution)解决方法，即通过相位关系，输入信号在剥离了CA码后就转换成为了连续的波形。如果在m时刻，1ms输入信号中最高频率分量是X_m(k)(k表示输入信号的频率分量)，则可由DFT输出得到初始相位θ_m(k)：

${\mathrm{\θ}}_m\left(k\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{Im}\left(X_m\left(k\right)\right)}{\mathrm{Re}\left(X_m\left(k\right)\right)}\right)---\left(3\right)$

式中Im和Re分别表示X_m(k)的实部和虚部。假定在m时刻很短时间之后的n时刻，1ms输入信号的DFT分量X_n(k)也是其最高频率分量，则n时刻输入信号的初始相位为θ_n(k)：

${\mathrm{\θ}}_n\left(k\right)={\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{Im}\left(X_n\left(k\right)\right)}{\mathrm{Re}\left(X_n\left(k\right)\right)}\right)---\left(4\right)$

θ_m(k)和θ_n(k)可以用如下公式计算得到精频信号值：

$f=\frac{{\mathrm{\θ}}_n\left(k\right)-{\mathrm{\θ}}_m\left(k\right)}{2\mathrm{\π}(n-m)}---\left(6\right)$

第三步骤：进行并行运算载波、C/A码跟踪处理；由于卫星的连续运动以及相关噪声影响，多普勒频移和码相位在时刻变化，需要经跟踪环路实时保持对载波以及CA码相位的跟踪，使得本地复现信号与接收信号精确同步，剥离载波和C/A码，从而得到星历中的导航数据以及伪距等观测量信息。

包括下列步骤：

步骤一：信号初始化处理

将第二步骤得到的信号即经精频处理的信号并行输入第一、第二运算处理器进行信号跟踪处理。其中第一运算处理器进行载波跟踪处理，以捕获环路输出的CA码相位为参数，计算并输出精确同步的初始化载波信号；第二运算处理器进行C/A码跟踪处理，以捕获环路输出的载波频率为参数，计算并输出剥离了载波的精确同步初始化CA码信号。

步骤二：进行并行载波、C/A码跟踪处理

第一运算处理器进行载波跟踪：

载波跟踪采用了典型的科斯塔锁相环(Costas Phase Lock Loop-PLL)。冷启动或首次运行时，将步骤一输出的CA码信号，输入到载波跟踪环路，以剥离信号中的CA码，之后与本地产生的载波信号相乘，生成同相I和正交Q信号。环路鉴相器用来检测本地产生的载波信号和接收到的信号之间的相位误差，经过环路滤波后相位误差作为环路反馈输出到NCO载波发生器。NCO载波发生器根据误差大小实时调节产生载波的频率，使得本地复现载波与接收信号时刻保持同步。剥离了伪随机码之后，信号中仍然保留着50Hz二进制调制的导航电文数据。导航电文的存在，使得I和Q信号会产生180°相位反转。和普通的锁相环以及锁频环相比，科斯塔环具备对存在180°相移进行相位跟踪的特性。鉴相器的选择对于科斯塔载波跟踪环路的精度影响很大，为了提高软件接收机对噪声的抗干扰性以及充分发挥其运算优势，载波环路使用了在高和低信噪比下均具备最佳效果的反正切鉴相器(最大似然估计器)。

其算法表示为：

当科斯塔跟踪环在锁定跟踪的情况下，本地复现载波基本与输入信号相位一致，鉴相器输出的相位误差

非常小。同相I通道信号能量达到最大，正交Q信号趋近于最小。而且反正切鉴相器对180°相移不敏感，当输入信号发生导航电文相移时仍然能够对输入载波进行有效跟踪。

第二运算处理器进行码跟踪：

码跟踪环路采用超前滞后码跟踪算法，冷启动或首次运行时，将步骤一中的初始化载波信号输入到码跟踪环路，以剥离信号中的载波分量。然后含有CA码的基带信号分别与本地CA码超前(E)、实时(P)、滞后(L)分量相乘并进行积分累加。由码鉴相器处理后输出码相位误差，相位误差则通过控制本地CA码发生器构成码跟踪环的反馈回路，实现对码相位的实时跟踪。由于在跟踪的初始阶段，本地产生的载波信号与接收信号之间存在着频率和相位误差，在这种情况下信号功率并非完全集中在I通道，而是会随着载波跟踪的漂移，信号功率在I和Q通道之间转换，如果只是对I通道进行码相关积分累加的话，会影响跟踪的稳定性。所以在设计跟踪环路的时候，CA码发生器产生相位差为1/2码片的超前(E)，实时(P)，滞后(L)分量，同时对I和Q通道进行积分累加，然后将I和Q通道的6个运算结果输入到鉴相器。码环路鉴相器选择被超前滞后包络所归一化的超前减去滞后功率包络算法，其原理如下式：

$D=\frac{(I_E^2+Q_E^2)-(I_L^2+Q_L^2)}{(I_E^2+Q_E^2)+(I_L^2+Q_L^2)}---\left(7\right)$

式中，I_E，I_L分别表示I通道的超前和滞后分量，Q_E，Q_L则表示Q通道的超前和滞后分量。从上式可以看出，选择该鉴相器可以使得码跟踪环路不受载波跟踪环路的影响而单独运行，实现对CA码相位的实时跟踪。

步骤三：在成功跟踪后，从步骤二的输出信号中，解算得到伪距和星历数据。

第四步骤：根据第三步骤得到的伪距和星历数据，择优选择卫星，参与GPS接收机单点定位解算并输出。本步驟的方法是本领域技术人员所熟知的，例如参见Kaplan Elliott D的著作：Understanding GPS：Principles and Applications.Norwood：Artech House，1996.75-131。

第二步骤中，本发明进一步对搜索顺序进行了优化处理，设置了星历相关优化模块。传统的搜索算法，要依次遍历所有的1-32号卫星，此过程费时而且在一定条件下存在择优处理的可能。本发明当双核并行搜索算法成功搜索的卫星数大于等于4颗后，卫星的编码与本地不掉电存储器中的GPS系统时，共同作为参数与系统中的GPS星历进行相关比对，得到此时包含有该4颗卫星的可能的星级组合S，该组合的卫星数不超过12颗。然后将该组合的卫星编码反馈给用于搜索的CA码本地发生器，优化搜索组合和顺序，减少遍历次数。可能的卫星组合S又被重新平均的分配到双核处理器中(卫星搜索组合A、B)进行并行处理。卫星可能的组合A、B被反馈数据实时动态更新，优化搜索过程。

本发明还提供一种基于双核处理器的GPS软件接收机，其包括GPS射频前端硬件部分和PC机，其中，PC机包括至少两个并行设置的运算处理器，运算处理器中设有GPS信号处理程序。

3、有益效果

本发明的GPS定位方法和基于多核处理器的GPS软件接收机以并行的运算处理器为基础，进行并行搜索捕获算法，并且将传统的GPS软件接收机跟踪环路(如图3所示)分体设计，即将载波频率跟踪和CA码跟踪环路并行设计，同时运行，如图5所示。这样避免了传统的设计缺陷：载波跟踪环路与码环路串行处理。本发明使用改进的跟踪环路设计，将承担大量卷积相关运算的载波以及码跟踪环路分体设计，其相应的计算任务分别由双核处理器对应承担。本发明的GPS定位方法以多运算核处理器为运行平台，设计并实现对GPS信号捕获、跟踪的并行处理算法，大大减少了解算时间，提高了系统的工作效率。

四、附图说明

图1传统GPS接收机系统结构图；

图2传统并行码相位搜索捕获算法原理图；

图3传统GPS接收机跟踪环路原理图；

图4基于双核处理器的并行码相位搜索捕获算法原理图；

图5基于双核处理器的GPS信号跟踪环路算法原理图；

图6基于双核处理器的并行码相位搜索捕获算法程序流程图；

图7基于双核处理器的GPS信号跟踪环路算法程序流程图；

图8基于双核处理器的GPS信号解算结果效果图。

五、具体实施方式

以下结合实施例对本发明的技术方案进行进一步说明：

实施例一：本实施例涉及一种基于双核处理器的GPS软件接收机并行解算及定位的方法，具体包括如下步骤：

第一步骤：射频前端单元对GPS L1频段的信号进行降频处理，并进行AD转换，通过USB接口将数据传输给PC机待处理；本实施例采用便携微型射频前端GPS数据采样器，其通过便携式磁吸天线采集GPS L1频段信号。降频后产生的中频数字信号频率为：4.1304MHz，其采样频率为：16.3676MHz。由USB接口将采集数据以二进制文件的形式输入PC机硬盘。

第二步骤：信号捕获步骤，本步骤中，基于两个CPU处理器，使用并行码相位捕获算法来捕获GPS信号中的有效可见星信号，并确定其载波多普勒频率和CA码初始相位的估计值；

如图4和图6所示，本地CA码复现器将卫星搜索范围平均分为两组SatA，SatB，并分别由第一处理器和第二处理器单独运行，产生相应的本地CA码。本地载波复现器以0.5KHz的步长生成本地载波信号，然后在码相位范围内并行搜索计算。

以第一运算处理器的并行码搜索算法为例，对其实现进行详述，第二运算处理器的处理方法类似：

捕获过程处理的数据来源于第一步骤中GPS数字前端的采样信号，GPS采样信号可以由下式表示：

y_k＝Ad(t_k)C[(1+η)(t_k-t_s)]cos(w_IFt_k-(w_Dt_k+φ₀))               (8)

y_k是在时刻t_k采样的GPS信号。常量A是信号幅值，d(t)是调制在载波上的二进制GPS卫星导航数据，C(t)是接收到的卫星信号的伪随机序列，该序列是可预知并被复现的，并以1.023MHz的速率传播。η是由多普勒频移的码元影响因子，t_s是伪随机码的起始时间。w_IF是降频后的中频频率，在本实施例中其值为：4.1304MHz，w_D是载波的多普勒频移，主要由接收机载体与卫星之间的相对速度产生。多普勒码元影响因子与载波多普勒频率的换算关系为：η＝w_D/(2π×1575.42×10⁶)。

载波信号捕获的目的是得到随机序列的起始时间t_s和多普勒频移w_D。相关运算定义如下：

$I=\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{k}C\left[(1+\widehat{\mathrm{\η}})(t_k-{\hat{t}}_s)\right]\cos \left[\left(w_{\mathrm{IF}-W_D}\right)t_k\right]---\left(9a\right)$

$Q=-\underset{k=0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{k}C\left[(1+\widehat{\mathrm{\η}})(t_k-{\hat{t}}_s)\right]\sin \left[(w_{\mathrm{IF}}-{\hat{w}}_D)t_k\right]---\left(9b\right)$

I是同相相关累积和，Q是正交相关累积和。假设采样时间间隔Δt＝t_k+1-t_k为一常量。公式(9a)和(9b)可以改写为：

$z(n,{\hat{w}}_D)=z(t_0+\mathrm{n\Δt},{\hat{w}}_D)=I+\mathrm{jQ}=\underset{k-0}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k{c}_{k-n}\exp [-j(w_{\mathrm{IF}}-{\hat{w}}_D)t_k]---\left(10\right)$

然后对于给定的一个多普勒频移搜索值只需要计算一次

即可得到1023码元的循环相关运算。计算过程如下，首先将采样到的时域信号进行快速傅立叶变化：

$Y=\left[\begin{array}{c}{Y}_0\\ Y_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ Y_{N-1}\end{array}\right]=\mathrm{FFT}\left(\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{y}_0\exp [-j(w_{\mathrm{IF}}-{\hat{w}}_D)t_0]\\ y_1\exp [-j(w_{\mathrm{IF}}-{\hat{w}}_D)t_1]\\ \·\\ \·\\ \·\\ y_{N-1}\exp [-j(w_{\mathrm{IF}}-{\hat{w}}_D)t_{N-1}]\end{array}\right]\end{array}\right)---\left(11\right)$

$\left[\begin{array}{c}{C}_0\\ C_1\\ \·\\ \·\\ \·\\ C_{N-1}\end{array}\right]=\mathrm{FFT}\left(\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{c}_0\left(t\right)\\ c_1\left(t\right)\\ \·\\ \·\\ \·\\ c_{N-1}\left(t\right)\end{array}\right]\end{array}\right)---\left(12\right)$

然后将由多个

值计算得到的峰值与门限值比较，找出其中最高的相关峰值与次高相关峰值，二者的比值将作为检验卫星信号存在与否的标准，大于搜索门限则认为存在有效信号。超过门限的相关峰值经过IFFT计算到时域，即可得到相应的CA码初始相位：

$\left[\begin{array}{c}z(0,{\hat{w}}_D)\\ z(1,{\hat{w}}_D)\\ \·\\ \·\\ \·\\ z(N-1,{\hat{w}}_D)\end{array}\right]=\mathrm{IFFT}\left(\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}{c}_0\left(t\right)Y\\ c_1\left(t\right)Y\\ \·\\ \·\\ \·\\ C_{N-1}\left(t\right)Y\end{array}\right]\end{array}\right)---\left(13\right)$

第一运算处理器与第二运算处理器针对每个卫星的CA码，在搜索范围4.1304±0.7MHz的多普勒频移范围内，以步长为500Hz进行如上计算。成功捕获的卫星信号则进入精频计算环节，当成功捕获的卫星数目等于4颗时，星历相关模块根据当前的GPS系统时以及这四颗卫星的分布情况，确定一个视野中可能存在的GPS卫星组合。同时将该组合的卫星数平均地分配到第一运算处理器与第二运算处理器的搜索进程，优化搜索过程。在搜索过程中，星历相关模块，根据搜索成功的卫星分布情况，实时地重新优化视野中的可能组合SatA、SatB，直到捕获结束。

第三步骤：进行并行运算载波、C/A码跟踪处理；

如图5所示，首先进行信号初始化处理：

将第二步骤得到的信号即经精频处理的信号并行输入第一运算处理器、第二运算处理器进行信号跟踪处理。第一运算处理器进行载波跟踪处理，以捕获环路输出的C/A码相位为参数，计算并输出精确同步的初始化载波信号；第二运算处理器进行C/A码跟踪处理，以捕获环路输出的载波频率为参数，计算并输出剥离了载波的精确同步初始化C/A码信号。

再进行并行载波、C/A码跟踪处理，处理流程图如图7所示，说明如下：

跟踪环路需要输入以下变量：一段时间的GPS采样数据、跟踪通道结构体、正余弦数字载波以及被跟踪卫星的C/A码数字序列。

通道结构体channel贯穿于整个GPS软件接收机的处理过程，在第二步骤信号捕获结束后，对channel进行初始化，记录每个通道的跟踪卫星号码PRN，初始载波频率以及CA码初始相位。Channel的存在使得程序的处理能够有序连贯的进行。在本实施例中，每个跟踪通道由两部分组成：载波跟踪环路和CA码跟踪环路，并且这两部分在程序设计上分别由第一运算处理器和第二运算处理器单独运行。在第n时刻载波跟踪环路中，第一运输处理器内运行的程序读取1ms采样数据，首先与n-1时刻第二运算处理器计算输出的CA码信号相关并剥离CA码，然后与本地产生的载波信号进行二次相关。相关结果通过鉴相器输出第n时刻的载波跟踪小值误差，此误差用于调整本地载波发生器的频率，以便在n+1时刻产生精确同步的本地载波信号。

同样，在n时刻的CA码跟踪环路中，第二运算处理器内运行的程序以n-1时刻第一运算处理器输出的载波信号为输入，对其进行载波剥离，然后进行超前滞后码相关运算，结果通过CA码跟踪环路鉴相器输出第n时刻的CA码跟踪小值误差，此误差用于调整本地CA码发生器的频率，以便在n+1时刻产生精确同步的本地CA码信号。

上述过程循环运行，当载波与CA码跟踪环路锁定信号以后，剥离了CA码的信号表示为：x(t)＝D(t)sin(w_IFt)，之后被分离成同相(I)以及正交(Q)两路信号进行处理。I通道的信号与当地的复现载波信号

相乘，通过低通滤波器，可以得到：

$I\left(t\right)=\frac{1}{2}\cos (w_{e}t+\mathrm{\θ})\·D\left(t\right)---\left(14\right)$

上式中θ是接收到的载波信号与本地信号的相位差，由于信号已经成功捕获，信号在锁定状态下，所以 $w_e=w_{\mathrm{IF}}-{\hat{w}}_{\mathrm{IF}}$ 很小，接近于0。

Q通道与当地复现信号的正交信号

相乘，通过低通滤波器后得到：

$Q\left(t\right)=\frac{1}{2}\sin (w_{e}t+\mathrm{\θ})\·D\left(t\right)---\left(15\right)$

当跟踪环路处于锁定状态下时，(θ与w_e接近0)，I与Q通道分别产生如下结果：

$I\left(t\right)\≅\frac{1}{2}D\left(t\right)+\mathrm{noise}---\left(16a\right)$

$Q\left(t\right)\≅\mathrm{noise}---\left(16b\right)$

即I通道输出调制到其中的卫星导航定位数据和噪声数据，而Q通道则得到单纯的噪声信号。将噪声处理掉之后，I通道的输出即为导航星历数据。

第四步骤：根据以上第三步骤得到的载波、CA码跟踪状态以及导航星历的输出，择优选择卫星，参与GPS接收机位置解算并输出。此步骤的实施方式，为现有技术，对于业内人员是熟知的，例如参见Kaplan Elliott D的著作：Understanding GPS：Principles and Applications.Norwood：Artech House，1996.75-131。

本实施例采取静态验证的方式，天线位于信号接收状况较好的建筑物天台，射频前端的数字中频4.1304MHz，采样频率16.3676MHz，信号信噪比约为45Db-Hz。采集时间为40s，处理数据总量为600M。应用基于支持双核并行处理的解算程序，在解算前首先要对参数设置结构体进行初始化，并效验数据解算的有效性。初始化之后进入信号捕获、跟踪环路。

信号的跟踪环路首先根据信号捕获结果进行初始化并计算相应的环路参数，之后在多普勒频率以及码相位范围内对信号进行实时跟踪，解算出导航电文与伪距。程序以500ms为周期提取伪距信息，并通过单点定位算法计算位置信息。程序捕获并跟踪到10颗可见星，可见星的位置如图8C所示。从本实施例跟踪环路的效果看，载波跟踪鉴相器的波动范围在±0.03×2π＝±0.06π之间，多普勒频率的跟踪波动范围在10Hz之间。图8A和8B可以看出，GPS软件接收机的解算结果在UTM坐标系中，E和N的值可以有效的控制在±10m左右，达到伪距单点定位的性能要求。最后对40s内的80个定位数据做综合处理，给出最佳经纬度信息：Lat：22°18′10.4769″，Lng：114°10′46.128″，高度：159.3米。最后对程序的运行时间进行记录，参与测试的数据采集时长为40s，文件大小600M，解算中用到的PC配置如下：CPU：Core duo 2.4G，RAM：2G。

下表为本实施例的方法与传统方法时间值比较：

项目	捕获时间s	跟踪时间s	导航信息输出s	合计s
					传统算法单通道	2	497	1	500
本发明单通道	1.2	250	1	252.2

结果表明，本实施例的方法能够实现对GPS L1频段信号的有效捕获、跟踪，并实现接收机定位信息的输出，各项指标均符合单点定位的要求。特别地，基于双核运算的并行处理算法，有效地提升了GPS信号的处理速度，增强了系统的实用性、稳定性。进一步考虑，由于减轻了系统的运算负担，使得使用高采样频率成为可能，在一定程度上提高了系统潜在的分析精度。

实施例二：本实施例涉及一种基于双核处理器的GPS软件接收机，包括GPS射频前端硬件部分和PC机，其中，PC机包括两个并行设置的运算处理器：第一运算处理器和第二运算处理器，二者中都设有GPS信号处理程序，相应流程如图6和图7所示，具体的描述实施例一中已有记载，本技术领域的技术人员根据这些流程图即可得到相关程序，实现基于双核处理器的GPS软件接收机并用之实现GPS定位。

Claims (3)

1、一种GPS定位方法，包括：

第一步骤：射频前端单元从卫星获取信号并进行降频处理，经AD转换后得到中频数字信号，该信号为PC机输入信号；

其特征在于，还包括下列步骤：

第二步骤：信号捕获步骤，基于两个CPU处理器，使用并行码相位捕获算法来捕获GPS信号中的有效可见星信号，并确定其载波多普勒频率和CA码初始相位的估计值；具体包括下列步骤：

步骤一：将第一步骤所得的中频数字信号同时输入PC机中的第一运算处理器和第二运算处理器，进行并行码相位搜索捕获处理；其中，并行码相位搜索捕获处理采用并行码相位搜索算法，以离散傅立叶变换技术为基础，将时域的串行操作转换为频域的并行计算，将时域相关运算变换成为频域的简单乘法运算，然后再通过逆离散傅立叶变换得到时域运算结果，搜索得到接收信号与本地复现信号的相关峰值；

步骤二：捕获成功与否判断；上述步骤一中，第一运算处理器和第二运算处理器分别对PC机输入信号依次搜索，然后分别将接收信号与本地复现信号输入门限比较器进行实时比较，如果大于门限值，则捕获成功，门限比较器输出载波多普勒值的粗略估计值；

步骤三：对步骤二得到的载波值进行信号精频处理；

第三步骤：进行并行运算载波、C/A码跟踪处理；包括下列步骤：

步骤一：信号初始化处理；将第二步骤得到的信号即经精频处理的信号并行输入第一、第二运算处理器进行信号跟踪处理；第一运算处理器进行载波跟踪处理，得到精确同步的初始化载波信号；第二运算处理器进行C/A码跟踪处理，得到剥离载波的精确同步初始化C/A码信号；

步骤二：进行并行载波、C/A码跟踪处理，其中，第一运算处理器以第一步骤中第二运算处理器的输出为输入，进行载波跟踪，第二运算处理器以第一步骤中第一运输处理器的输出为输入，进行码跟踪；

步骤三：载波跟踪和码跟踪成功后，从步骤二的输出信号中，得到伪距和星历数据；

第四步骤：根据第三步骤得到的伪距和星历数据，择优选择卫星，参与GPS接收机单点定位解算并输出。

2、如权利要求1所述的GPS定位方法，其特征在于，第二步骤还包括一个对PC机输入信号依次搜索的顺序进行进一步优化的步骤。

3、一种基于双核处理器的GPS软件接收机，包括GPS射频前端硬件部分和PC机，其特征在于，PC机包括至少两个并行设置的第一运算处理器和第二运算处理器。

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