CN101614805A - Gps卫星信号捕获方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种GPS卫星信号捕获方法及装置。所述方法包括以下步骤：GPS接收机对GPS卫星信号进行采集和重采样操作；GPS接收机对所获得GPS卫星信号数据进行边界和电文预测；GPS接收机根据上述所预测的边界位置和电文进行非相干积分的分组设定；GPS接收机按上述完成的非相干积分分组的设定方式，分别进行非相干积分的运算操作；GPS接收机根据分组的非相干积分的运算结果，进行判定GPS卫星信号的捕获结果，直到完成捕获。通过本发明的操作，可以有效提高GPS卫星捕获时的信号积分长度，并可跨GPS导航数据操作，极大地增加了GPS信号接收机的捕获灵敏度及弱信号下的检测能力。另外，根据该方法本发明还提供了相应的实现装置。

Description

GPS卫星信号捕获方法及装置

技术领域

本发明涉及一种GPS(全球定位系统)定位导航领域，更具体的是指一种用于GPS卫星定位导航接收机的对卫星信号进行高灵敏度捕获的方法及其使用的装置。

背景技术

GPS系统是一个已经完全成熟和全运行的导航定位系统，该系统在全球的覆盖范围内提供定位功能服务，各地的用户可以通过GPS信号接收机来获得连续而又准确的三维位置信息和时间信息以及运动状态信息。随着GPS系统的推广与发展，GPS定位功能被广泛的应用于军用和民用的各个领域，同时依据GPS定位导航的优势，GPS定位系统在海上、陆地和空中等应用也无处不在。随着民用领域的应用发展，PDA，导航手机，手持定位设备等个人用户产品的蓬勃发展，GPS定位系统前景更加广阔。同时，随着GPS系统向着更广的领域的发展，对GPS接收机的性能也提出了更高的要求。

标准的GPS系统包含在太空中的处于6个轨道的24颗卫星组成，每个轨道平面有4颗。多轨道的GPS卫星的分布确保了在地球的任何位置都可见空中的4-11颗GPS卫星。地面用户通过GPS信号接收机对GPS卫星信号进行搜索和捕获，在成功捕获超过3颗GPS卫星信号后，正确的解调出GPS卫星信号的承载导航电文，根据电文信息完成用户位置的计算。

因此，对于GPS接收机而言，搜索并成功捕获到GPS卫星信号是其最基本也是最重要的功能。GPS接收机对于GPS卫星信号的捕获取决于多种因素，包括用户接收机所在天空的GPS卫星分布情况，GPS卫星的工作状况，天气因素，大气影响以及最重要的是用户所处地理环境等诸多因素。在恶劣大气条件下以及用户处于恶劣接收环境下，如山地，城市峡谷，室内甚至是地下等环境，用户所能接收到的GPS卫星信号将会非常的微弱，甚至完全湮没在环境噪声中，此时使用高灵敏度GPS卫星接收机对GPS信号成功捕获直接决定了GPS接收机的定位功能。

目前，GPS接收机的高灵敏度捕获功能是GPS定位系统中最为核心和最大的技术瓶颈之一，通过使用高灵敏度捕获算法可极大改善GPS接收机对于微弱的GPS卫星信号的捕获，从而直接提高GPS接收机的定位功能。

GPS卫星信号是一种扩频信号，在民用GPS卫星信号中使用了C/A码扩频技术。GPS卫星信号捕获的基本过程是使用本地产生的复现C/A信号与接收到的卫星信号进行相干积分操作即相关操作，根据相干积分计算的结果判断是否捕获到GPS卫星。相干积分时间较短，因此获得的GPS信号也较弱，相应的捕获灵敏度也较低。增加积分的时间长度，使用非相干积分操作，非相干积分时间越长，获得的GPS卫星信号的能量就越强，噪声抑制就越有效果，从而捕获GPS卫星信号的灵敏度也就越高。但由于GPS信号的特点，即扩频码C/A码的周期为1毫秒，同时GPS的电文数据周期为20毫秒，在电文数据的边界有可能发生数据的翻转，从而使非相干积分的效果变差，影响系统捕获的灵敏度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的问题，提供一种用于GPS接收机中能够高灵敏度捕获GPS卫星信号的方法。

本发明的GPS卫星信号捕获方法是根据GPS卫星信号电文的特性，对所要捕获的GPS卫星信号进行分组预测，并根据不同的预测方式进行非相干积分操作，根据长时间的非相干积分操作的结果，判断得到GPS卫星的捕获结果，实现在GPS卫星信号微弱情况下的捕获操作。

实现本发明方法目的具体技术方案如下：

一种GPS卫星信号捕获方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步骤，GPS接收机对GPS卫星信号进行采集和重采样操作；

第二步骤，GPS接收机对所获得GPS卫星信号数据进行边界和电文预测；

第三步骤，GPS接收机根据上述所预测的边界位置和电文进行非相干积分的分组设定；

第四步骤，GPS接收机按上述完成的非相干积分分组的设定方式，分别进行非相干积分的运算操作；

第五步骤，GPS接收机根据分组的非相干积分的运算结果，进行判定GPS卫星信号的捕获结果，直到完成捕获。

本发明的另一个目的是提供一种为实现上述方法的一种GPS卫星信号捕获装置。

实现本发明装置目的的具体技术方案如下：

一种GPS卫星信号捕获装置，其特征在于包括以下模块：

GPS卫星射频信号处理模块，用于将接收到为GPS卫星信号处理为系统可用的数字中频信号；

与上述GPS卫星射频信号处理模块连接的GPS数字信号收集和重采样模块，用于获取待捕获的GPS卫星信号数据，并可对捕获的GPS卫星信号数据进行数据格式及类型转换和重采样，以用于后续的相干积分和非相干积分操作；

与上述GPS数字信号收集和重采样模块连接的相干积分器，用于执行相干积分操作；

与上述相干积分器连接的非相干积分器，应用执行非相干积分操作；

本地C/A码序列复现模块，与上述相干积分器连接，用于产生本地复现的C/A码序列，进行相干积分和非相干积分操作；

结果输出模块，其输入、输出端分别与上述非相干积分器与相干积分器连接，用于计算积分结果，以判断GPS卫星捕获，并输出捕获操作结果的模块。

本发明的有益效果：

本发明的GPS卫星信号捕获方法是利用GPS卫星信号电文的特性，操作直观有效，对于GPS卫星信号的捕获灵敏度有极大的提高，同时根据实际需求与应用场景，可灵活组配其应用方式，获得在运算量与捕获灵敏度之间的均衡。同时该方法基于分组积分的算法原理，不局限于具体的实现设备，方便在不同的平台间进行移植，具有广泛的可操作性。

为进一步说明本发明的上述目的、结构特点和效果，以下将结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1为本发明方法的流程图。

图2为GPS信号结构图。

图3为本发明方法中的预测分组图。

图4为本发明装置的结构图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的GPS卫星信号捕获方法及装置的具体实施方式进行详细说明。

参见图2，图2为GPS信号结构图，图2中揭示了GPS导航卫星电文数据X与GPS的C/A码序列(调制的扩频码C/A)Y的调制关系。每个GPS导航卫星电文数据位的长度为20毫秒，包含的可能数据为1或-1。每个GPS的C/A码序列周期为1毫秒，因此，在一个20毫秒导航电文数据位内，共有20个周期完整的C/A码序列。图2中的Z为位边界相位翻转。

在一个C/A码序列周期内的相关操作为相干积分操作。在超过一个C/A码序列周期即1毫秒的时间内连续进行相干积分操作即可以获取非相干积分的效果。在同一导航电文数据位内，非相干积分的效果是叠加的，等效滤波，有效抑制了信号中的噪声，从而提高GPS信号的检测率，继而提高GPS接收机的捕获灵敏度，但由于GPS卫星信号采取的是模2加的调制方式，在两个导航电文位的边界，信号会出现翻转(图2中的位边界相位翻转Z)，当在位边界附近进行非相干积分，反而会使效果变差，抑制了正常的GPS数据信号，降低了捕获灵敏度，本发明所述方法即是解决位边界带来的捕获灵敏度的下降。

参见图1，图1为本发明GPS卫星信号捕获方法的流程图，包括以下步骤。

S11、S12，GPS接收机在捕获装置进行初始化后，先对GPS卫星信号进行采集和重采样操作，以用于后续的相关操作。

所述GPS接收机对GPS卫星信号的收集和重采样时，根据采用GPS卫星信号捕获装置的特点以及装置的运算能力，可采用相应的数据长度和各种采样方式。GPS卫星信号捕获装置特点和运算能力是指在实现相干和非相干积分运算的时候，有多种实现方式，如线性相关和循环相关，线性相关一般用乘累加器(积分器)实现，循环相关一般用FFT实现。运算能力在线性相关时指积分器的数量和运算频率，循环相关时指FFT的点数。因为GPS信号是实时的，相关操作又很消耗时间，所以采用的用以计算的数据长度必须是在采用的运算单元的运算能力以内的。同时采样方式一般决定单位时间内的采样点个数和数据的位宽，这些都受到所采用的运算单元的制约。

S13，接着对所获得GPS卫星信号数据进行边界和电文预测，根据GPS信号特性和采样数据长度进行电文数据的边界和数值预测。

在该步骤中，GPS接收机在对GPS卫星信号进行预测时，根据GPS电文信息的20毫秒周期的特点以及1毫秒C/A码周期的特性，按需求的预测时间的长度进行。所述按需求的预测时间的长度进行是指本发明所述的方法中，根据用于计算的数据的长度，性能是规律性增长的，理论上长度每增加一倍，捕获的灵敏度增加3dB(实际由于噪声的非理想化，是达不到的)，这样增加数据长度是可以达到GPS信号的理论极限，但一般的应用场合不会有这样的需求，同时，随着长度的增加，整体的运算量为指数级的增长，因此在实际操作时，要根据实际的捕获灵敏度的需求以及捕获装置的计算能力来决定数据的长度。

S14，根据上述S13步骤中所预测的边界位置和电文进行非相干积分的分组设定。

S15，按上述S14步骤中完成的非相干积分分组的设定方式，分别进行非相干积分的运算操作。

S16，根据分组的非相干积分的运算结果，进行判定GPS卫星信号的捕获结果，如果没有完成捕获过程，流程回到上述S12。

S17，直到完成捕获过程。

参见图3，图3为本发明方法中的预测分组图，如图3所示，该图为本发明所述方法的S14、S15步骤中，GPS信号数据的边界预测和非相干积分分组设定具体操作执行的详细示例说明。

为使图例说明更加清晰，图3中所示操作只是本发明所述方法的一种具体应用，并不限定本发明所述方法的应用范围和方式。

图3中所示为所述GPS接收机系统在对GPS卫星信号进行预测时，根据GPS电文信息的20毫秒周期的特点以及1毫秒C/A码周期的特性，按需求的预测时间的长度进行。即，图3所示为一个20毫秒的GPS信号数据的捕获操作，GPS卫星信号的导航电文数据的周期长度为20毫秒，因此，在一个20毫秒的采样数据内，存在一个数据边界。C/A码序列的周期为1毫秒，分别对每个毫秒的数据做边界预测，这里采用常用的1毫秒的相干积分，在一个20毫秒数据段内，就有20组1毫秒的相干积分操作，而数据边界(图3中的P)可能出现在这20组相干积分之间的任意位置，因此这段数据中存在20种数据边界可能。同时，由于每个GPS信号的数据位包含两种数据形式1和-1，因此在这20种每个可能的数据边界前后两侧，都有4种数据组合(1，1)，(1，-1)，(-1，1)，(-1，-1)，共80种组合，实际的计算中，由于数据的对称性，即(1，1)和(-1，-1)组合互为等效，因此实际共有40种组合方式。按这40种组合方式进行分组设定，对数据进行非相干积分操作，通过捕获判定模块对分组的非相干积分结果进行判定，在获得的40组数据中，选取相关值最大的一组，作为输出捕获操作的结果，完成捕获操作。

在实际操作中，处理数据的长度，相干积分的长度，非相干积分的长度，数据位判定的方向都可跟据系统对捕获灵敏度的要求和运算量的限制进行选择和设置，并不限定本发明所述方法的操作和应用。

根据上述描述，本发明的GPS接收机进行S13、S14步骤D1非相干积分分组的步骤还包括：

(1)根据需求设定分组最小时间单位，此最小时间单位也是进行相干积分操作的最小时间单位，在每个最小时间单位下进行相干积分操作。

(2)根据需求设定进行分组的时间总长度，此时间总长度也是进行非相干积分操作的时间总长度，根据此长度也决定了非相干积分获得的GPS接收机灵敏度增益以及GPS接收机的GPS信号检测范围。所述根据该时间总长度决定了非相干积分获得的GPS接收机灵敏度增益以及GPS接收机的GPS信号检测范围，是扩频通讯的基本原理，即积分长度增加一倍，灵敏度增益提高3dB，检测范围是指检测的GPS信号的频率范围，实际就是积分器的带宽，公式是f＝1/2t，所以当积分长度增加一倍时，检测范围减少一半。

(3)根据需求设定分组的非相关积分的时间长度，在设定的分组最小时间单位和分组时间总长度情况下，分组的非相关积分的时间长度决定了所述GPS接收机系统在GPS卫星捕获过程中总的积分运算量。所述根据该非相关积分的时间长度决定了所述GPS接收机系统在GPS卫星捕获过程中总的积分运算量是指，最小时间单位是指一次积分操作的最小长度，分组总长度是指总的需要计算的长度，分组长度是值每计算一次的长度，即按分组长度对总长度分组，每组内进行一次最小长度的积分运算。例如，当使用循环相关实现积分操作时，假定使用的是4096点的FFT，当最小时间单位设为1毫秒时，每毫秒需要一个4096点的FFT操作，总长度为20毫秒时，当分组长度等于最小时间单位即1毫秒时，就需要20x4096点的FFT操作，当分组的长度等于两倍最小时间单位即2毫秒时，就只需要10x4096点的FFT操作，以此类推。

所述GPS接收机在非相干积分步骤时，根据上述步骤设置的分组积分的长度特征值，分别进行非相干积分操作，根据各组的非相干积分结果，判定GPS卫星的捕获状况。同时根据非相干积分结果可判断出所捕获卫星的导航电文的位边界，提高捕获精度。

上述方法中，所述相干积分和非相干积分的时间单位可以是C/A码周期的整数倍和非整数倍。

上述方法中，所述捕获需求可以根据用户自行设定，也可以是捕获操作中自动设定的需求值。

上述方法中，所述相干积分和非相干积分操作可采用线性相干积分，循环相关积分操作等各种一般意义的积分操作。

另外参见图4，图4本发明GPS卫星信号捕获装置的结构图，如图4所示，该图示为本发明提供的通过分组非相干积分操作获得高灵敏度捕获性能的装置，包括：

GPS卫星射频信号处理模块41，用于将接收到为GPS卫星信号处理为系统可用的数字中频信号。

与上述GPS卫星射频信号处理模块41连接的GPS数字信号收集和重采样模块42，用于获取待捕获的GPS卫星信号数据，并可对捕获的GPS卫星信号数据进行数据格式及类型转换和重采样，以用于后续的相干积分和非相干积分操作。

与上述GPS数字信号收集和重采样模块42连接的相干积分器43，用于执行相干积分操作。

与上述相干积分器43连接的非相干积分器44，应用执行非相干积分操作。

本地C/A码序列复现模块45，与上述相干积分器43连接，用于产生本地复现的C/A码序列，进行相干积分和非相干积分操作。

结果输出模块46，输入、输出端分别与上述非相干积分器44与相干积分器43连接，用于计算积分结果以判断GPS卫星捕获和虚警状况以及判断捕获的GPS卫星信号导航电文数据位边界的数据进行判定，输出捕获操作结果的模块。

上述装置中，相干积分器43、非相干积分器44采用线性相关器算法或循环相关器算法，同时可以由硬件实现，也可以由软件实现。硬件实现的方式包括采用专用的乘累加操作单元或硬件快速傅里叶变换硬件单元实现。软件实现的方式可采用通用的编程语言或是专用的数字信号处理器的开发程序实现。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上介绍是基于本发明的一个具体实施例，其中的数据位预测和非相干积分分组预测的细则，如数据长度，相干积分和非相干积分的长度可根据实际捕获灵敏度的需求采用不同的设定方式，并不限定于具体的数值和长度。采用同种方式应用于不同实现结构中，高灵敏度的捕获方式不超出本发明的提供以及保护范围。

Claims (8)

1、一种GPS卫星信号捕获方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步骤，GPS接收机对GPS卫星信号进行采集和重采样操作；

第二步骤，GPS接收机对所获得GPS卫星信号数据进行边界和电文预测；

第三步骤，GPS接收机根据上述所预测的边界位置和电文进行非相干积分的分组设定；

第四步骤，GPS接收机按上述完成的非相干积分分组的设定方式，分别进行非相干积分的运算操作；

第五步骤，GPS接收机根据分组的非相干积分的运算结果，进行判定GPS卫星信号的捕获结果，直到完成捕获。

2、如权利要求1所述的GPS卫星信号捕获方法，其特征在于：

所述第一步骤中，GPS接收机对GPS卫星信号的收集和重采样时，是根据采用GPS卫星信号捕获装置实现相干和非相干积分运算时候采用的实现方式以及运算能力，采用相应的数据长度和采样方式，所述运算能力是在线性相关时指积分器的数量和运算频率，在循环相关时指FFT的点数。

3、如权利要求1所述的GPS卫星信号捕获方法，其特征在于：

所述第二步骤中，GPS接收机在对GPS卫星信号进行预测时，根据GPS电文信息的20毫秒周期的特点以及1毫秒C/A码周期的特性，按需求的预测时间的长度进行。

4、如权利要求1所述的GPS卫星信号捕获方法，其特征在于：

所述第三、四步骤中，GPS接收机进行非相干积分分组及分别进行非相干积分的运算操作的步骤还包括：

(1)根据需求设定分组最小时间单位，该最小时间单位也是进行相干积分操作的最小时间单位，在每个最小时间单位下进行相干积分操作；

(2)根据需求设定进行分组的时间总长度，该时间总长度也是进行非相干积分操作的时间总长度，根据该时间总长度也决定了非相干积分获得的GPS接收机灵敏度增益以及GPS接收机的GPS信号检测范围；

(3)根据需求设定分组的非相关积分的时间长度，在设定的分组最小时间单位和分组时间总长度情况下，分组的非相关积分的时间长度决定了所述GPS接收机系统在GPS卫星捕获过程中总的积分运算量。

5、如权利要求1所述的GPS卫星信号捕获方法，其特征在于：

所述所述第五步骤中，GPS接收机根据各组的非相干积分结果，判定GPS卫星的捕获状况的同时根据非相干积分结果判断出所捕获卫星的导航电文的位边界，提高捕获精度。

6、如权利要求4所述的GPS卫星信号捕获方法，其特征在于：

所述相干积分和非相干积分的时间长度单位是C/A码周期的整数倍或是非整数倍。

7、如权利要求4所述的GPS卫星信号捕获方法，其特征在于：

所述相干积分与非相干积分操作是采用线性相干积分，或是采用循环相关积分操作。

8、一种GPS卫星信号捕获装置，其特征在于包括以下模块：

GPS卫星射频信号处理模块，用于将接收到为GPS卫星信号处理为系统可用的数字中频信号；

与上述GPS卫星射频信号处理模块连接的GPS数字信号收集和重采样模块，用于获取待捕获的GPS卫星信号数据，并可对捕获的GPS卫星信号数据进行数据格式及类型转换和重采样，以用于后续的相干积分和非相干积分操作；

与上述GPS数字信号收集和重采样模块连接的相干积分器，用于执行相干积分操作；

与上述相干积分器连接的非相干积分器，应用执行非相干积分操作；

本地C/A码序列复现模块，与上述相干积分器连接，用于产生本地复现的C/A码序列，进行相干积分和非相干积分操作；

结果输出模块，其输入、输出端分别与上述非相干积分器与相干积分器连接，用于计算积分结果，以判断GPS卫星捕获，并输出捕获操作结果的模块。

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