CN101839970B - 一种gps信号快速捕获的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种GPS信号快速捕获方法以及采用该方法构成的GPS信号快速捕获系统。系统主要硬件部分为快速捕获模块，它对GPS信号进行大规模并行捕获，获得GPS信号的初步的相位和频率信息，传给相关器；相关器完成相应相位和频点的去载波相关，然后将数据进行累加，并存储在寄存器中。微处理器对快速捕获模块和多通道相关器进行流水线调度和，同时分配下一个快速捕获模块的卫星号，并由处理器对于相关器通道给出的数据进行快速检测算法处理来确认，达到最终对GPS信号快速、准确的捕获。

Description

一种GPS信号快速捕获的方法及其系统

技术领域

本发明属于卫星定位接收技术领域，涉及GPS接收信号的捕获方法，尤其涉及一种GPS信号快速捕获的方法及其系统。 

背景技术

如今GPS(全球定位系统)接收机芯片或芯片组的小型化、高精度、低功耗有力的推动了GPS定位的实际应用，使其逐步应用到如手机、电子导航一类高端电子设备。然而这些高端电子应用设备给卫星定位接收技术的发展提出了非常高的要求，不仅要求GPS定位信号快速捕获、实时工作，而且还要求低能耗、低成本。因此，对GPS接收机而言，GPS信号的快速捕获是一项十分重要的课题。 

在目前的现有技术中，GPS信号快速捕获算法主要有两种较为主流的方法。一种是基于时域的匹配滤波器的方法，另一种是基于频域的快速傅里叶变换(FFT)方法。已有技术公开的一项申请号为200610076012.8，名称为“一种用FFT进行GPS信号捕获的方法”的发明专利，它是基于专用DSP(数字信号处理器)核来实现，对实际应用场合苛求(需要有专用的DSP核)。用软件实现FFT，需要处理大的数据量，在低成本要求的GPS应用中，由于软件平台的限制，不适合大数据量FFT处理。 

现有技术中还有许多加速GPS信号捕获的方法，如采用一些辅助信息来进行预测的快速捕获方法，一项申请号为CN01117214.2，名称为“GPS系统中GPS信号的快速捕获”的发明专利，其缺点是需要其他辅助设备提供辅助信息。又如申请号为CN200710001588，名称为“全球定位系统信号捕获方法”的发明专利，采用穷举法找到边界翻转信号，其缺点也是计算太复杂。 

综上所述，几项已有技术存在计数复杂、需要辅助信息等的限制条件。基于现有硬件芯片工艺条件的匹配滤波器的面积和功耗已经完全可以达到要求，将硬件的匹配滤波器和FFT进行结合将是实现这一领域技术进步的方向和发展趋势。基于硬件快速捕获模块和流水线控制的方法来实现GPS信号快速捕获算法，这一发明适用于一些低成本平台如ARM7，同时也适合一些GPS芯片的产品升级。如加入快速捕获模块既可以产生加速比2046(匹配滤波器一次搜索2046个半码片，相比于普通相关器一次搜索1个半码片)。 

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的上述缺陷，提供一种GPS信号快速捕获实现方法，并提供一种快速捕获系统，它是基于硬件快速捕获模块和流水线控制的方法，快速捕获模块的匹配滤波器一次搜索2046个半码片，产生加速比2046的快速搜索效果，有利于实现快速捕获。GPS信号快速捕获方法，引入的快速捕获模块对GPS信号进行大规模并行捕获，同时通过微处理器对快速捕获模块和相关器多通道进行流水线调度，最终实现GPS信号的快速捕获。 

该实现方法作为GPS接收机的基带算法，结合相应的GPS接收机射频前端芯片，实现对GPS信号进行快速捕获，为后面的基带处理包括跟踪、定位解算等处理提供快速、准确的码相位和载波频率信息。本发明的快速捕获模块独立是在微处理器控制下独立运行的模块，能连续、快速的对GPS信号进行捕获，同时对后续的相关器实施流水线控制，不仅大幅度提高接收机定位速度、也能有效降低系统功耗。 

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的。 

一种GPS信号快速捕获方法，包括以下步骤： 

(1)配置一个包括快速捕获模块、相关器、时间基准模块、存储器、实时时钟RTC和微处理器的GPS信号快速捕获系统，在微处理器中安装有快速捕获程序，按照快速捕获方法运行快速捕获程序，实现快速捕获模块 和相关器多通道的流水线工作，完成对GPS信号的快速捕获。所述相关器为多通道相关器，相关器通道数为N。 

(2)系统在时域采用基于匹配滤波器的快速捕获模块，对GPS信号进行数据规模达到一次搜索2046个半码片的并行捕获处理，获得GPS信号的初步GPS信号的码相位和频率信息。 

(3)微处理器读出快速捕获模块输出的GPS信号的码相位和频点信息，经过由RTC提供时间基准修正；修正后的码相位和频点信息传给配置的相关器通道，使快速捕获模块与相关器通道实现同步；相关器通道完成相应码相位和频点的相关处理，然后将数据送累加器进行相干处理和非相干积分，并将累加器输出的积分值存储在寄存器中。 

(4)微处理器对快速捕获模块和相关器多个通道进行流水线调度，相关器的多个通道在微处理器的控制下动态流水配置，在快速捕获模块完成一频点所有码相位处理的同时，给快速捕获模块分配下一个频点或者在快速捕获模块完成所有频点的同时，给快速捕获模块分配下一颗卫星号，使快速捕获模块和相关器多个通道并行协调工作。 

(5)微处理器还需要读取相关器通道存储的数据并用快速检测算法对它作确认，并对处于工作和关闭状态的通道分别给出相应的相关器通道状态标志。 

(6)微处理器检测到配置的一个相关器通道已捕获到卫星信号，将该通道转入跟踪状态，并将其他捕获同一颗卫星的通道关闭，既能快速准确捕获GPS卫星信号，又能高效协调利用相关器模块的通道，达到节省电路资源和降低系统功耗。 

(7)微处理器根据相关器通道的状态，将快速捕获模块得到的数据分配给相关器通道，即如果相关器通道处于关闭状态，则给他分配快速捕获模块得到的卫星频点和码相位信息；如果快速捕获模块状态标志处于检测或者跟踪工作状态，则不予分配。 

(8)最终达到对GPS信号快速、准确的捕获，直到完成全部卫星信号捕获。 

所述的快速捕获模块由依次连接的混频器、匹配滤波器、积分器和峰 值比较器组成。由快速捕获模块对GPS信号进行捕获；该模块的功能是对接收的GPS信号进行时域大规模并行捕获，得到粗略的峰值对应的码相位值和载波频率值，然后通过微处理器传给后面的相关器通道。该模块采用匹配滤波算法，输入的GPS中频信号经过混频器，把输入的数字低中频信号转化为合适数据宽度的零中频信号。该零中频信号输入到匹配滤波器与本地码进行相乘，相乘的结果输入到大型的加法器，相加得到1ms数据(2046个码相位对应的结果相加)依次输出。 

所述的匹配滤波器为数字匹配滤波器，采用一般FIR滤波器的延迟线，与本地码产生器的抽头系数相乘。FIR滤波器的延迟线输入为零中频的输入数据信号和本地码产生器产生的码相位值。当初始化完成了延迟线的填充后，本地码相位值产生一个码相位值输入到延迟线中，此时的2046个码相位与输入数据相乘，相乘的结果再输入大型加法器，最后得到1个相加结果，该结果对应了此时的码相位信息。本地码相位值再产生一个码相位值输入到延迟线中，此时的2046个码相位再与输入数据相乘，相乘的结果再输入大型加法器，最后又得到1个相加结果，该结果对应了这一时刻的码相位信息。码产生器1ms可以产生2046个半码片，经过匹配滤波器和大型加法器之后，可以得到连续的2046个相加值，这些相加值都对应了码相位的信息。这1ms得到的2046个相加值，与下一个1ms的2046个相加值的有相同的码相位信息，因为输入的码相位是1ms为周期，不考虑数据跳变的特殊情况。匹配滤波器产生的1ms相加值输入到后面的积分器中，进行后面的处理。 

所述的积分器对输入数据作并行的相干和非相干积分，在指定积分时间完成积分处理。关键点是上述输入数据进行并行的相干积分时间和非相干积分次数的累加，可以提高信噪比，有利于弱信号的快速捕获。这一点在一般的GPS信号捕获原理中都有描述，这里不作详细的描述。 

所述的峰值检测器对连续输入的数据进行比较判断，记录最大的若干个峰值，以及峰值对应的位置索引，即峰值相应的码相位的位置。 

通常的捕获模块以半码片为单位作相关操作，而快速捕获模块一次就能对一个频点的所有码相位进行相关处理，即一次能对2046个半码片操作， 同时取出若干个峰值，用于后面相关器的检测确认，因此快速捕获模块达到一般捕获模块的捕获速度的2046倍。 

所述的相关器是一般的GPS接收机相关器，该相关器有多个通道，每个相关器通道可以并行工作，单个相关器通道经过去载波和相关累加之后将结果存到寄存器中。微处理器读出该寄存器的值进行后面的检测确认，最终完成对GPS信号的准确捕获。 

所述的快速捕获实现方法是基于微处理器控制，在微处理器控制下完成硬件的调配、换星和分配捕获策略、开启或关闭快速捕获模块、修正快速捕获模块输出的码相位信息、控制快速捕获模块和相关器多通道进行流水线工作、开启或关闭相关器通道、对相关器输出数据进行检测确认。所述硬件的调配是微处理器对快速捕获模块和相关器多个通道设置标志，并对他们处于不同的状态进行调配。所述换星是微处理器根据相关器通道给出的结果标志(每个通道完成检测确认后给出相应的结果标志)，判断是否进行快速捕获模块下一颗GPS卫星的分配。所述快速捕获模块和相关器多通道进行流水线工作是，快速捕获模块做出来的数据传送给相关器某通道，然后通过微处理器的卫星号分配，快速捕获模块连续进行下一颗卫星的搜索；相关器通道检测确认完之后给出结果标志，微处理器通过该标志的判断，置相关器通道相应的状态。所述对相关器输出数据进行检测确认是比较常见的捕获检测算法，如8中取5检测算法，经过该检测算法后给出相应的检测结果，捕获成功或者失败。 

所述的微处理器修正快速捕获模块码相位信息，是指微处理器读出快速捕获模块输出的码相位位置信息和时间基准产生器给出的快速捕获模块和相关器通道在每个时间点上的异步时钟之间的时钟偏差，经过计算，得到修正的同一卫星，同一频点上的码相位位置值，作为相关器通道的输入。时间基准产生器实时输出快速捕获模块和相关器通道之间的时间偏差，由微处理器对相关器进行修正，来保证快速捕获模块和相关器相应通道的同步。 

所述流水线调度是快速捕获模块和相关器的N个通道在微处理器的控 制下，根据不同的工作状态设定状态标志，微处理器根据快速捕获模块和相关器N个通道的状态来确定相关器哪一通道来处理快速捕获模块的数据，从而达到快速捕获模块与相关器N个通道的流水线工作；快速捕获模块连续工作，相关器N个通道处理快速捕获模块传过来的数据，在对应的码相位和载波频率上对输入的GPS信号进行去载波、相关和累加，并将累加的结果存储在寄存器中。 

所述快速捕获模块和相关器模块都是在微处理器控制下独立运行，微处理器对快速捕获模块和相关器模块的N个通道间实施流水线的调度，并根据相关器各个通道的状态给相应的相关器通道写入控制位，控制相关器每个通道的关闭和开启，保证快速捕获模块运行快捕得到的2046个码相位的累加数据，经过峰值比较器比较得到的若干个峰值，再将若干个峰值对应的码相位和频点信息，一一快速配置到一个个相关器通道；快捕捕获模块连续不断的工作，并给出相应的GPS卫星的频点和码相位信息，同时相关器又能连续不断对这些GPS卫星的频点和码相位完成相干处理和非相干处理，给出相应的捕获结果；既能快速准确捕获GPS卫星信号，又能高效协调利用相关器模块的通道，达到节省电路资源和降低系统功耗。 

所述快速捕获模块状态标志是为微处理器判断快速捕获模块所处的状态而设置；微处理器通过判断是否所有卫星都已经搜索完毕来设定快速捕获模块的状态标志，微处理器判断给该模块硬件写入控制位来决定快速捕获模块的关闭和开启；若是关闭快速捕获模块，置于等待状态；否则开启快速捕获模块，置于工作状态，相应的给它分配下一次进行捕获的GPS卫星号，分配的方法是顺序分配卫星号，也能基于天空中卫星星座分布方式来进行GPS卫星分配等。 

所述通过独立的快速捕获模块工作得到GPS卫星的若干个码相位值和频点值，微处理器将这些值传送给相关器，减少了相关器捕获搜索的范围，从而加快了GPS卫星的捕获时间；特别是基于硬件来完成对GPS信号的快速捕获，大大加快了捕获速度。 

所述的相关器通道数为N，N值的取值与快速捕获模块给出的数据个 数以及检测算法有关，N值的取值范围为24～64。 

所述的微处理器调配相关器通道，控制快速捕获模块和相关器的多通道进行流水线工作，使得快速捕获模块保持流水线的连续工作，调配相关器多个通道来并行处理快速捕获模块输出的结果，当一个通道数据处理完快速捕获模块的一个输出结果时，如果捕获失败，将该通道状态置为关闭，等待下一次的调配；如果捕获成功，将该通道状态置为工作状态，不参与到下一次的调配。由于快速捕获模块一次输出的数据必须由相关器多个通道来快速处理，但是开启通道个数太多又会造成有些通道闲置，微处理器通过检测相关器通道状态，对处于工作和关闭状态的通道分别给出相应的标志，而对处于关闭状态的通道，当快速捕获模块有数据时立即将该通道置为工作状态，调配其处理。当经过检测确认，检测对GPS卫星信号的捕获是否成功，采用8中取5检测算法，微处理器一次检测的时间要多于快速捕获模块完成一轮搜索的时间(假设快速捕获模块积分时间小于3秒)，完成一次检测之后输出结果，并将该通道状态再置为关闭状态。如果快速捕获模块产生新的数据输出分配给相关器某通道，但是该通道处于工作状态，则程序会检测其他的通道，直到检测到某一通道处于关闭状态时，立即将数据分配给该通道，同时将其状态置为工作状态。当程序对某通道对一个频点的某一个码相位位置确认为捕获到卫星信号，则关闭其他通道对该频点码相位的确认运算，同时由该通道进入后续的跟踪工作，其状态仍然为工作状态。当快速捕获模块处理完某一颗卫星的某一频点的所有码相位位置时，为快速捕获模块分配下一个频点或者下一颗GPS卫星号。如果快速捕获模块搜索完了所有卫星的所有频点，则微处理器控制关闭快速捕获模块。 

本发明的实质性效果是： 

(1)基于快速捕获模块硬件和软件流水线控制的GPS信号快速捕获方法及其系统，采用独立的快速捕获模块辅助相关器捕获，应用场合不苛求，快速捕获模块是基于时域的匹配滤波器，相关器采用传统的相关器，，系统 的计算处理简易快捷，不需要专用的处理器，不需要其他辅助设备提供辅助信息，就能实现快速捕获。 

(2)快速捕获模块和相关器多个通道在微处理器的控制下以流水线方式实现2046个数据并行工作，一次搜索多达2046个半码片，平均1.7秒即可搜索完32颗GPS卫星(在本实施例中，针对GPS卫星的L1频段信号)，并给出是否捕获到的标志信息，大幅度提高了搜索捕获的检测速度。 

(3)快速捕获模块在微处理器的控制下快速开启、连续工作，相关器多个通道在微处理器的控制下动态配置，保证快速捕获模块运行得到的若干峰值对应的码相位值和频点信息，一一快速的配置到一个相关器通道，连续不断完成相干处理和非相干处理，并将闲置通道关闭，既能快速准确捕获GPS卫星信号，又能高效协调利用相关器模块的通道，达到节省电路资源和降低系统功耗。 

(4)本发明应用于新研发的快速捕获接收系统，还适用于一些低成本平台如ARM7，也适合一些GPS芯片的产品升级。 

附图说明：

图1为本发明GPS信号快速捕获实现方法的系统框图。 

图1中，1-GPS信号快速捕获系统，101-低中频数字信号，102-相关器，1021～102n-相关器通道1～相关器通道n，103-快速捕获模块，104-时间基准产生器，105-存储器，106-微处理器，107-RTC(实时时钟)。 

图2a为本发明GPS信号快速捕获系统实施例的快速捕获模块匹配滤波器的构成示意框图。 

图2a中，2-快速捕获模块，201-延迟线模块，202-数据累加模块，203、204-低中频数字信号，205-码产生器输出的码相位值，206-2046个数据延迟线I支路，207-2046个数据延迟线Q支路，208I-2046个数据乘法器输出I支路，208Q-2046个数据乘法器输出Q支路，209-2046位延迟系数码相位值(h2045～h0)寄存器，210-1023位延迟系数码相位值(h1023～h0)寄存器，211-乘法器，211I-乘法器组，211Q-乘法器组，212I- 大型加法器I、212Q-大型加法器Q，213-大型加法器I输出，214-大型加法器Q输出。 

图2b为本发明GPS信号快速捕获系统实施例的快速捕获模块匹配滤波器一个支路的内部硬件构成框图。 

图2b中，231-延迟线支路，232-累加数据处理，212a-相干积分处理模块，212b-非相干处理模块，240-峰值比较器，233-输入的低中频数字信号，234-乘法器，235-载波NCO，236-本地载波，237-码产生器，238-码NCO，239-码NCO输出，241-加法器，242-寄存器，243-微处理器设置的相干处理和非相干处理的时间。 

图3为本发明GPS信号快速捕获系统实施例的快速捕获程序流程图。 

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 

图1给出了本发明GPS信号快速捕获系统实施例的硬件构成框图，这是实施例整个系统硬件平台的构成示意框图。系统硬件平台由相关器102、快速捕获模块103、时间基准产生器104、MCU微处理器106和实时时钟RTC107组成，相关器102的1021～102n路通道连接快速捕获模块103、时间基准产生器104，快速捕获模块103连接存储器105和时间基准产生器104，MCU微处理器106连接相关器102的1021～102n路通道、快速捕获模块103、时间基准产生器104和RTC107。本发明方法主要描述该硬件平台完成对GPS信号的捕获方法。2比特数字低中频GPS信号101送入快速捕获模块103进行捕获，得到GPS卫星频点和码相位捕获的初步结果，送给微处理器106，经微处理器106调配处理后，分配给相关器某一通道102进行GPS信号的检测确认，相关器某一通道的检测结果传给微处理器106，由微处理器处理确定关闭或者开启相关器的这一通道，以及关闭或者开启快速捕获模块。微处理器通过写入快速捕获模块控制位，控制快速捕获模块103开启或者关闭。快速捕获模块开启后，在写入的初始频点附近搜索 若干个频点，(如31个频点，因为一般的多普勒频率不确定度搜索范围-7.5KHz～+7.5-7.5KHz频率步进500Hz)，搜索频点的分配由微处理器控制，快速捕获模块每搜索完一个频点，即将该频点搜索的结果和对应的频点值传给相关器，然后快速捕获模块在微处理器的控制下开始下一个频点的搜索。当微处理器检测到相关器某通道对其中某一个频点检测确认成功时，则微处理器通过相关器通道的控制位，控制关闭其他相关器通道，同时给快速捕获模块分配下一个GPS卫星号。此时快速捕获模块则结束上一个GPS卫星号的其他频点的搜索，而进入下一个GPS卫星号的频点搜索；当微处理器通过判断相关器给出的结果标志，检测到相关器所有通道对所有的这31个频点都检测失败时，则微处理器给快速捕获模块分配下一个GPS卫星号。时间基准产生器104为相关器多个通道和快速捕获模块提供时间基准。存储器105为快速捕获模块提供大容量系数寄存以及峰值和峰值信息存储。RTC实时时钟107为微处理器提供准确的时间信息。 

图2a给出实施例的快速捕获模块内部匹配滤波器的原理框图。快速捕获模块的匹配滤波器2是能够同时处理2046半码片的匹配滤波器，它由延迟线和相乘模块201和数据累加模块202组成，延迟线和相乘模块201包括I支路延迟线206(填充di2045～di0的2046个数据)、Q支路延迟线207(填充dq2045～dq0的2046个数据)、2046位码相位值(h2045～h0)延迟线系数寄存器209、1023位码相位值延迟系数寄存器210和一组乘法器211I、211Q。数据累加模块202包括大型加法器212I和大型加法器212Q。I支路延迟线数据与延迟线码相位值经乘法器211相关处理得到2046位宽的结果208I，和Q支路延迟线数据与延迟线码相位值经乘法器211相关处理得到的2046位宽的结果208Q，分别连接到大型加法器212I和大型加法器212Q的输入端。大型加法器212I和大型加法器212Q的输出信号为I路累加数据213和Q路累加数据214。 

由延迟线和相乘模块的匹配滤波器与数据累加模块的动态工作过程描述如下：输入信号203和204为经过去载波后的零中频GPS数字信号，205为快速捕获模块本地产生的码相位值，输入信号203以速率50Hz输入延迟 线I支路206，每输入一个数据，延迟线I支路所有数据向后移动一位，输入数据填入延迟线I最高位，形成新的di2045～di0；输入信号204以速率50Hz输入延迟线Q支路207，每输入一个数据，延迟线Q支路所有数据向后移动一位，输入数据填入延迟线Q最高位，形成新的dq2045～dq0；快速捕获模块本地产生的码相位值205接入1023位码相位值寄存器210，1023位码相位值210经过扩展得到2046位码相位值，码相位值205产生速率1.023MHz，每产生一个新的码相位值，延迟线系数码相位寄存器所有值往后移动一位，输入码相位数据填入延迟线系数码相位寄存器209最高位，形成新的h2045～h0；209的h2045～h0的2046位码相位值由1023个码相位值210扩展而成；I支路延迟线206中填充的2046个数据(对应图中d0～d2045)与209中2046位码相位值(对应图中h0～h2045)在乘法器211I作相关运算，206延迟线数据与延迟线码相位值209相关处理之后，形成2046位宽的相关处理结果208I；Q支路延迟线207中填充的2046个数据(对应图中d0～d2045)与209中2046位码相位值(对应图中h0～h2045)在乘法器211Q作相关运算，207延迟线数据与延迟线码相位值209相关处理之后，形成2046位宽的相关处理结果208Q；相关处理结果208I加到大型加法器212I，进行2046个数据累加运算，按照扩展延迟线系数码相位寄存器数据率2.046MHz，每1/2046ms输出一个累加数据，则1ms输出2046个累加数据213；相关处理结果208Q输入到大型加法器212Q，进行2046个数据累加运算，每1/2046ms输出一个累加数据，则1ms输出2046个累加数据累加214。 

其中，数字化的低中频GPS信号经过混频去载波之后得到2bit零中频的数字GPS信号，该数字GPS信号经过上采样的频率变换输入到匹配滤波器的I路延迟线206和Q路延迟线207。码产生器产生频率为1.023MHz的GPS信号C/A码205，C/A码205输入到延迟线系数码相位值210，经过扩展得到2046位的扩展延迟线系数码相位值209，该系数与去载波后的零中频输入数字信号输入乘法器211进行相乘，然后相乘结果208经过大型加法器212进行相加，得到相应的I路相加结果213或者Q路相加结果214. 该大型加法器可以是加法树，或者是按位累加的特殊加法器。 

由于码产生器的频率为1.023MHz，产生码片频率为1.023MHz，扩展之后可以得到半码片的频率为2.046MHz，每毫秒就产生2046个半码片，正好是一个GPS信号周期。因此每毫秒得到的数据为对应的2046个码相位位置的相关处理的2046个数据结果。每毫秒输出2046个数据，该数据代表着相应的GPS信号码相位信息，考虑到数据填充延迟线的损耗(初始化延迟线以及填充延迟线有一些固定的损耗)，但其对捕获速度的影响可以忽略不计。 

图2b给出实施例的快速捕获模块的硬件结构框图。零中频的数字GPS信号233和载波NCO 235输出的本地载波236经乘法器234处理得到I路或者Q路的输出，输出的2bit数字中频信号203(I或者Q)加到延迟线支路206。由码NCO238输出的本地码载波239经码产生器237输出的码相位值205，加到扩展延迟线系数码相位值寄存器209。延迟线支路206的数据输入到乘法器211与扩展延迟线码相位值寄存器209输入的数据进行相关，输出208(I或者Q)连接到大型累加器212(212a或212b)得到1ms的累加数据(I路或者Q路)输出。该1ms的I路和Q路累加数据输出到后面连接的累加数据处理模块202，累加数据处理模块包括相干积分处理模块232a和非相干积分处理模块232b。相干处理模块232a由一个加法器241和寄存器242组成。非相干积分模块由232b也由加法器和寄存器组成。同时相干处理模块和非相干处理模块的积分时间由微处理器控制写入信号243。经过相干处理和非相干处理的累加数据经过峰值比较器240输出若干峰值。峰值对应的码相位值以及微处理器配置的频点即为快速捕获模块给出的最后结果。微处理器将码相位值和频点配置给相关器，同时调度相关器通道来完成后面的检测算法。 

其中的相干处理和非相干处理模块的工作，是指在微处理器的相干处理和非相干处理信号243的控制下，对连续的若干个(一般以ms为单位)数据进行相干积分和非相干积分。其中相干处理模块对连续的1ms输入数 据进行累加，寄存器保存临时的累加和，当累加次数与微处理器写入的相干积分时间相等时，将累加积分结果输出给非相干处理模块。这里I路和Q路独立进行相干累加。非相干处理模块对输入的I路和Q路累加之后的数据进行包络累加或者功率累加。累加的和保存在寄存器中，当累加次数与微处理器写入的非相干积分时间相等时，将非相干累加的结果输出。 

若干个连续的1ms数据经过相干积分器和非相干积分器处理，可以得到所需要的积分时间结果。最后的非相干积分结果经过峰值比较器，可以输出每个积分时间之内的2046个值中相对最大的若干个值，以及峰值对应的频点和码相位信息。微处理器读出这些峰值，以及峰值对应的码相位位置信息和微处理器配置时的频点信息，同时读出时间标准产生器给出的快速捕获模块和相关器通道在每个时间点上的异步时钟之间的时钟偏差，这一时钟偏差的目的是为了修正快速捕获模块给出的码相位值，使其与相关器进行同步，将该值写入相关器通道进行辅助相关器捕获确认时保证其准确性。其中输出的非相干累加结果输入到峰值比较器，经过比较之后得到若干个峰值以及峰值对应的码相位信息和频点信息，这就是快速捕获模块输出的结果。 

处理快速捕获模块输出的数据的相关器相关器，采用传统的相关器，其处理过程为GPS定位技术领域专业人员所熟悉，这里不作详细描述。 

微处理器读出快速捕获模块输出的初步的码相位信息和频点信息，经过时间基准产生器给出的时钟偏差修正计算，得到相关器的输入码相位值和频点值。微处理器经过相关器通道调度，将该值传给相关器某一通道，相关器该通道在该频点和码相位值上对GPS信号进行检测确认算法的确认。当相关器进行相干积分或者非相干积分处理，该通道经过至少3次的检测确认之后，给出确认成功或者失败的标志。如果确认成功，则相关器该通道在该频点和码相位上进入对该GPS卫星的跟踪。如果确认失败，则继续对该GPS卫星该频点的其他码相位位置进行检测确认或者该GPS卫星的其 他频点进行继续检测确认或者其他GPS卫星信号进行检测确认。 

图3给出本发明GPS信号快速捕获方法的主流程框图。GPS信号快速捕获系统在微处理器的控制下，快速捕获模块和相关器模块按主流程和采用流水线方式协调工作。该流程主要涉及快速捕获模块控制和运行以及相关器模块通道控制和通道处理，本发明的快速捕获模块和相关器模块可以独立工作，因此本方法采用流水线控制，保证快速捕获模块能连续不断的工作，达到快速准确捕获GPS卫星信号。同时通过微处理器的控制保证相关器通道合理的关闭和开启，有利于节省电路功耗。 

本发明GPS信号快速捕获方法的流程按照如下步骤进行描述。 

S301首先微处理器完成硬件配置、初始化等，进入S302； 

S302微处理器给快速捕获模块分配GPS卫星号，自动开启快速捕获模块，进入S303； 

S303微处理器检测快速捕获模块是否处理完某一频点的所有码相位数据。如果“是”转入S304；如果“否”，则返回S303，继续对快速捕获模块进行检测； 

S304微处理器读出快速捕获模块输出的初步的码相位信息以及时间基准产生器给出的时钟偏差经过修正计算，得到同步之后的相关器的码相位值。微处理器检测相关器的某个通道，若此通道为工作状态，则继续检测下一个通道的状态，直到找到相关器中状态为关闭的一个通道，则开启相关器该通道。微处理器给开启的相关器通道写入内容为GPS卫星号、载波频点和经过修正的码相位信息，并将该通道状态由关闭置为工作状态；进入S305。 

S305微处理器为快速捕获模块分配下一个卫星，进入S306； 

S306微处理器检测快速捕获模块已搜索完一颗卫星的全部频点，如果“是”进入S307，如果“否”则转S309。 

S307微处理器检测快速捕获模块是否搜索完所有卫星信号，如果“是” 进到S308，如果“否”则转为S302，快速捕获模块继续搜索下一个卫星信号。 

S308关闭快速捕获模块。 

S309微处理器检测相关器通道，采用8中取5检测算法，是否有通道已经完成检测确认。如果“是”转入到S310，否则返回S309，继续检测相关器的其余的通道。 

S310微处理器检测相关器某通道是否已经完成卫星的检测确认，检测确认是通过判断其结果标志来实现的，如果“是”，检测确认成功，进入S312，如果是“否”，检测确认失败，则转为S311。 

S311微处理器判断通道对于某颗卫星的检测确认失败，则关闭该通道，将其状态置为关闭状态，等待下一次分配。 

S312微处理器检测到相关器某通道的检测确认结果标志为确认成功，则让该通道转为跟踪，将其状态置为跟踪工作状态，同时将其他处于捕获工作状态的通道状态置为关闭状态，进入S313。 

S313微处理器检测是否有≥4个通道处于跟踪工作状态，如果“是”，则至少有4个通道处于跟踪状态，则微处理器可以开始进行后续实时定位算法，对用户位置进行定位，进入S314，如果“否”，则转入S313继续检测。 

S314至少有4颗卫星稳定跟踪上，微处理器可以进行实时定位解算，最终完成实时定位。 

S315程序流程结束。 

对于快速捕获模块的峰值比较器在1ms中输出6个峰值，检测采用8中取5的检测算法，以最坏情况，检测算法8次才能检测完卫星搜索，则相关器通道数N为6*8＝48，个通道才能保证流水线不阻塞；而均衡优劣情况，检测算法4次就能完成检测，相关器通道数N取值为N＝6*4＝24，用24个相关器通道来保证微处理器对快速捕获模块和相关器通道的流水线调度，且快速捕获模块和相关器通道的工作不阻塞。本发明GPS信号快速捕获系统的一个实施例，相关器采用均衡算法，相关器的通道数N取值为24。 

本发明GPS信号快速捕获系统的另一个实施例，相关器采用最坏情况的理论算法，相关器的通道数N取值为48。 

本领域技术人员可以理解，在不背离本发明广义范围的前提下，可以对上述实施例作出若干改动。因而，本发明并不仅限于所公开的特定实施例。其范围应当涵盖所附权利要求书限定的本发明核心及保护范围内的所有变化。 

Claims (8)

1.一种GPS信号快速捕获方法，包括以下步骤：

步骤一、配置一个包括快速捕获模块、相关器、时间基准模块、存储器、实时时钟RTC和微处理器的GPS信号快速捕获系统简称系统；所述相关器为多通道相关器，相关器通道数为N；

步骤二、系统在时域采用基于匹配滤波器的快速捕获模块，对GPS信号进行数据规模达到一次搜索2046个半码片的并行捕获处理，获得GPS信号的初步GPS信号的码相位和频率信息；

步骤三、微处理器读出快速捕获模块输出的GPS信号的码相位和频点信息，经过由RTC提供时间基准修正；修正后的码相位和频点信息传给配置的相关器通道，使快速捕获模块与相关器通道实现同步；相关器通道完成相应码相位和频点的相关处理，然后将数据送累加器进行相干处理和非相干积分，并将累加器输出的积分值存储在寄存器中；

步骤四、微处理器对快速捕获模块和相关器多个通道进行流水线调度，相关器的多个通道在微处理器的控制下动态流水配置，在快速捕获模块完成一频点所有码相位处理的同时，给快速捕获模块分配下一个频点或者在快速捕获模块完成所有频点的同时，给快速捕获模块分配下一颗卫星号，使快速捕获模块和相关器多个通道并行协调工作；

步骤五、微处理器还需要读取相关器通道存储的数据并用快速检测算法对它作确认，并对处于工作和关闭状态的通道分别给出相应的相关器通道状态标志；

步骤六、微处理器检测到配置的一个相关器通道已捕获到卫星信号，将该通道转入跟踪状态，并将其他捕获同一颗卫星的通道关闭，既能快速准确捕获GPS卫星信号，又能高效协调利用相关器的通道，达到节省电路资源和降低系统功耗；

步骤七、微处理器根据相关器通道的状态，将快速捕获模块得到的数据分配给相关器通道，即如果相关器通道处于关闭状态，则给他分配快速捕获模块得到的卫星频点和码相位信息；如果快速捕获模块状态标志处于检测或者跟踪工作状态，则不予分配；

步骤八、最终达到对GPS信号快速、准确的捕获，直到完成全部卫星信号捕获。

2.根据权利要求1所述的一种GPS信号快速捕获方法，其特征在于，步骤一所述的快速捕获模块为独立的电路，由依次连接的混频器、匹配滤波器、积分器和峰值比较器组成；由快速捕获模块对GPS信号进行捕获；该模块的功能是对接收的GPS信号进行时域大规模并行捕获，得到粗略的峰值对应的码相位值和载波频率值，然后通过微处理器传给后面的相关器通道。

3.根据权利要求1所述GPS信号快速捕获方法，其特征还在于，步骤三所述RTC提供时间基准修正是通过微处理器采用时间基准模块记录的快速捕获模块和相关器时钟之间的偏差值来修正快速捕获模块输出的码相位，将该码相位信息传送给相关器通道，使快速捕获模块和相关器通道达到同步。

4.根据权利要求1所述GPS信号快速捕获方法，其特征还在于，步骤四所述流水线调度是快速捕获模块和相关器的N个通道在微处理器的控制下，根据不同的工作状态设定状态标志，微处理器根据快速捕获模块和相关器N个通道的状态来确定相关器哪一通道来处理快速捕获模块的数据，从而达到快速捕获模块与相关器N个通道的流水线工作；快速捕获模块连续工作，相关器N个通道处理快速捕获模块传过来的数据，在对应的码相位和载波频率上对输入的GPS信号进行去载波、相关和累加，并将累加的结果存储在寄存器中。

5.根据权利要求1或4所述GPS信号快速捕获方法，其特征还在于，所述快速捕获模块和相关器都是在微处理器控制下独立运行，微处理器对快速捕获模块和相关器的N个通道间实施流水线的调度，并根据相关器各个通道的状态给相应的相关器通道写入控制位，控制相关器每个通道的关闭和开启，保证快速捕获模块运行快捕得到的2046个码相位的累加数据，经过峰值比较器比较得到的若干个峰值，再将若干个峰值对应的码相位和频点信息，一一快速配置到一个个相关器通道；快捕捕获模块连续不断的工作，并给出相应的GPS卫星的频点和码相位信息，同时相关器又能连续不断对这些GPS卫星的频点和码相位完成相干处理和非相干处理，给出相应的捕获结果；既能快速准确捕获GPS卫星信号，又能高效协调利用相关器的通道，达到节省电路资源和降低系统功耗。

6.根据权利要求1所述GPS信号快速捕获方法，其特征还在于，步骤七所述快速捕获模块状态标志是为微处理器判断快速捕获模块所处的状态而设置；微处理器通过判断是否所有卫星都已经搜索完毕来设定快速捕获模块的状态标志，微处理器判断给该模块硬件写入控制位来决定快速捕获模块的关闭和开启；若是关闭快速捕获模块，置于等待状态；否则开启快速捕获模块，置于工作状态，相应的给它分配下一次进行捕获的GPS卫星号，分配的方法是顺序分配卫星号，或是基于天空中卫星星座分布方式来进行GPS卫星分配。

7.根据权利要求1所述GPS信号快速捕获方法，其特征还在于，所述通过独立的快速捕获模块工作得到GPS卫星的若干个码相位值和频点值，微处理器将这些值传送给相关器，减少了相关器捕获搜索的范围，从而加快了GPS卫星的捕获时间；特别是基于硬件来完成对GPS信号的快速捕获，大大加快了捕获速度。

8.根据权利要求1或4所述GPS信号快速捕获方法，其特征还在于，步骤一所述的相关器通道数为N，N值的取值与快速捕获模块给出的数据个数以及检测算法有关，N值的取值范围为24～64。

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