CN101852849A

CN101852849A - 一种gps弱信号捕获的方法

Info

Publication number: CN101852849A
Application number: CN200910106286A
Authority: CN
Inventors: 李琛; 郑涛; 林晓伟; 刘竹; 石岭
Original assignee: Arkmicro Technologies Inc
Current assignee: Shenzhen Shenyang electronic Limited by Share Ltd
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2010-10-06
Anticipated expiration: 2029-04-02
Also published as: CN101852849B

Abstract

本发明公开了一种GPS弱信号捕获的方法，包括：在设定的时间内对接收到的GPS卫星信号进行相关运算；将得到的相关运算结果排序，记录靠前相关运算结果对应的频点，记为一次运算；重复步骤1、步骤2，直到达到设定的运算次数；把每组数据进行相关运算得到的结果靠前的对应频点列出，统计这些频点出现在第几位以及在每一位出现了几次，得到记录的频点的统计向量；若统计向量中至少有一个大于等于阈值时，捕获成功；若所有统计向量均小于该阈值时，捕获失败。对于弱信号而言，因为没有明显的相关峰，从而一般的捕获方法不能有效的捕获，但是对于本发明的捕获算法来说，即使没有最大和次大等的相关峰，也能成功捕获，并且计算量不大。

Description

一种GPS弱信号捕获的方法

技术领域

本发明涉及一种GPS信号捕获方法。

背景技术

全球定位系统(Global Position System)能够为用户提供精确地位置，速度，时间等信息，已经得到了广泛的应用，但是在室内，森林，城市等复杂环境下，GPS信号受到严重衰减，从而使定位的精度受到严重的影响，当信号减弱到一定程度时，会使得GPS无法定位，大大限制GPS的应用领域。而捕获是GPS接收中的核心步骤，因此捕获方法的好坏与否将在很大程度上影响GPS的定位精度和应用领域，所以针对弱信号的捕获方法就显得尤其重要。

众所周知，一般的GPS接收机的三维定位需要4颗卫星或者4颗以上的卫星信号，由于卫星的分布会对定位结果起着决定性的作用，所以只有接收机收到更多卫星信号，从而选择最优的卫星组合才能得到较好的定位结果，所以说GPS接收机收到的卫星信号的数量是非常重要的，决定着GPS接收机的性能。

GPS卫星信号是GPS卫星向广大用户发送的用于导航定位的调制波，它含有载波(L1和L2)，测距码(C/A码和P码)和数据码(即导航电文)，图1为GPS卫星信号的构成，L1和L2载波与测距码(C/A码和P码)和数据码调制后，从而产生两种导航定位信号L1信号和L2信号，两种导航信号合成后，连续不断的向用户发送。单频接收机使用L1信号一种信号，双频接收机使用两种信号，对于两种不同的测距码(C/A码和P码)，P码一般是军用，而C/A码是针对民用，由于本发明针对单频民用GPS接收机的，所以简单介绍一下C/A码。C/A码是伪随机码，其序列长度为1023位(码片数)。因为C/A码的码片速率是1.023MHz，所以C/A码的重复周期是1023/(1.023*106)Hz或1毫秒。图2是C/A码的生成框图，C/A码由两个10级反馈移位寄存器构成的G码产生，一共有1025种结构不同的C/A码，从中选用32个码以PRN1，PRN2...命名各种GPS卫星，所以GPS卫星可以使用C/A码进行识别。C/A码有优良的自相关特性。当两个码序列没有对齐的时候，得到的相关函数几乎为零，而当两列信号对齐的时候，信号的能量增大，这个时候信号的能量将会远远大于噪声能量，从而将信号和噪声分开，在传播过程中会受到多普勒效应的影响，GPS信号载波将发生一定的偏移，一般的偏移在+10KHz左右。

GPS接收机数字信号基带处理部分是通过捕获和跟踪来实现的，捕获就是输入信号的多普勒频率和C/A码相位二维平面上寻找最大相关峰，找到对应的载波频率和C/A码相位，为本地生成的载波频率和C/A码相位与输入信号提供粗略的初始值。而跟踪则是精确的确定C/A码相位和载波的频率。求两路积分值的平方和作为相关峰值。从码相位2开始运行一毫秒时间取得相关峰值，直到取得相位从1023开始运行的一毫秒时间相关峰值。使本地载波发生器频率增加一个频率步长，重复上述过程，直到将所有可能的频率范围和所有的码相位都搜索完为止。在搜索得到的二维平面上寻找最大相关峰的值与对应的频率和码相位值。得到相关的结果后，判定如果最大相关峰的值大于预先设定的阈值，则可以认为接收机捕获到该信号，记录相关峰对应的频率和码相位供后续程序进行跟踪解码。图4是并行相关(FFT)示意图，把得到相关运算结果和预先设定的阈值比较，如果大于预先设定的阈值则捕获成功。一般的GPS接收机采用并行相关(FFT)方法，由于并行相关运算是转化到频率域下进行搜索，不需要搜索C/A码，只需要在频率域在一定的频率内进行遍历搜索，大大节省了捕获运算时间。

在室外，由于GPS信号够强，一般在相关时间为1ms就能捕获到信号，但是在室内、森林、城市等复杂环境下，GPS信号衰减，表现在捕获方面就是：无法捕获，从而无法跟踪，进而影响定位的精度。针对GPS弱信号的捕获一般通过延长相关时间来实现，但是随着相关时间的增大，计算量就相应的增大。

发明内容

为解决上述GPS弱信号捕获中存在的问题，本发明提出了一种可以有效地捕获到微弱的GPS信号，并且计算量不大的方法。该方法包括如下步骤：

步骤1：在设定的时间内对接收到的GPS卫星信号进行相关运算；

步骤2：将得到的相关运算结果排序，记录靠前相关运算结果对应的频点，记为一次运算；

步骤3：重复步骤1、步骤2，直到达到设定的运算次数；

步骤4：把每组数据进行相关运算得到的结果靠前的对应频点列出，统计这些频点出现在第几位以及在每一位出现了几次，得到记录的频点的统计向量；

步骤5：当统计向量中至少有一个大于等于阈值时，捕获成功；若所有统计向量均小于该阈值时，捕获失败，重新进入对下一个卫星信号的捕获。

步骤5中的统计向量还可为可信度，可信度为步骤4中所述的统计向量分别乘以权值的结果，其中权值是可实时配置的。权值可为：[20 19 1815 11 7 3 2 1 1]。

步骤5中的阈值是可实时配置的。阈值可配置为40。

步骤1中的相关运算为并行相关运算的累加或者串行相关运算的累加。

步骤5还包括步骤：记录最大统计向量对应的频点供后续程序进行跟踪解码。

步骤4仅列出10个靠前的对应频点。所述的权值是可实时配置的。

对于弱信号而言，因为没有明显的相关峰，从而一般的捕获方法不能有效的捕获，但是对于本发明的捕获算法来说，即使没有最大和次大等的相关峰，也能成功捕获，并且计算量不大。

附图说明

图1是GPS卫星信号的构成；

图2是C/A码生成框图；

图3是串行相关原理示意图；

图4是并行相关(FFT)原理示意图；

图5是本发明捕获方法的实施例的流程图；

图6是相关值判断步骤的实施例的流程图。

具体实施方式

本发明描述的方法是一种GPS弱信号捕获的方法，该发明增加了相关运算的次数，利用真实的GPS卫星信号在相关运算的结果中即使不是最大值也是较大值的特性，通过对多次相关的统计，可以有效地使GPS接收机捕获到较弱的信号，并且与一般的弱信号捕获方法相比，计算量不大。

以下将结合一个实施例来讨论本发明所描述的GPS弱信号捕获方法，但要注意的是在具体实施中并不仅限于以下讨论的方法，而应该包含其它等效的方法。本实施例的码片相位搜索范围是0～1023，搜索步长是0.5码片，载波多普勒频率搜索范围是-10KHz～10KHz，搜索的步长是250Hz，相关时间是1ms。

图5是对一颗GPS卫星的捕获方法的实施例的流程图，由于对每颗卫星都有独特的C/A码，所以对于其他卫星而言，只是相关运算时本地码产生器产生的C/A码不同而已，所以其他卫星捕获的方法相同。

本实施例是通过统计，判断几次相关运算结果中是否有某个频点均有较大的相关结果值来捕获GPS弱信号。步骤S101中N代表参与相关运算次数。步骤S104中Thr代表一共需要进行几次运算。理论上，相关运算的次数越多，统计和判断的可信性越高，但由于快速捕获的需要，本实施例以Thr＝5，即进行5次相关运算。根据实现的需要，也可以选择更多或者更少的次数。

步骤S102相关运算可以是并行相关运算的累加或者串行相关运算的累加。因为并行相关运算节省运算的时间，本实施例选择并行相关运算(FFT)。以本发明选择的数据为例说明，如果采用串行相关运算，则需要在81个频点搜索，每个频点都需要对2046个码相位搜索，需要较长的相关时间，而FFT相关运算是转化到频率域下进行搜索，不需要搜索C/A码，只需要在频率域内进行遍历搜索，大大节省了相关运算时间。

步骤S103记录是把得到的所有相关运算的结果进行排序，将排在前10位的频点记录下来。因为在复杂环境下，GPS接收机接收到的信号被衰减，或受噪声等影响，相关运算结果可能不是最大值。本发明将相关运算得到的结果排在前10位的频点都记录下来，确保在GPS信号变弱的情况下也可以记录到。经过大量数据的验证，弱信号相关运算结果虽然不一定为所有相关运算结果的最大值，但也几乎都排在前10位，所以不需要记录更多相关运算结果对应的频点。

步骤S105相关值判断包含步骤S1051统计，步骤S1052加权计算和步骤S1053判断三个部分。

步骤S1051统计是把所有记录的频点进行统计，即把步骤S102相关运算得到的结果前10位对应的频点全部列出，统计这些频点出现在10位中的第几位以及在每一位出现了几次(因为捕获只是为本地生成的载波频率和C/A码相位与输入信号提供粗略的初始值，所以认为频率相差为1或者码相位相差1的频点为相同的频点)。得到一个1*10的向量，本发明称之为统计向量，其中行代表出现了几次，列代表出现在第几位。

由于统计了相关运算结果排在前10位的频点，可能会把某些噪声源或其他卫星信号的反射信号统计进来，所以加入步骤S1052加权计算步骤。因为这些信号的相关运算结果可能会出现在前10位，但是肯定不会出现在比较前的位置，所以实时例选择的权值为：

[20 19 18 15 11 7 3 2 1 1]

也可以选择其他的权值参数，只要目的是对排在前10位中相对靠前的频点的次数加权即可。用权值去乘以统计向量得到一个值，本发明称之为判断值。

本实施例是利用可信度判断S1053GPS接收机是否捕获到GPS信号的。得到了5次相关结果出现在前10位对应频点的可信度，只要有一个频点的可信度大于预先设定阈值，即认为捕获成功，记录下对应的频点供后续程序进行跟踪解码；如果有多个频点的可信度都大于预先设定阈值，认为捕获成功，选择可信度比较大的那一组频点供后续程序进行跟踪解码；若是所有频点的可信度没有一个大于预先设定的阈值时，则重新进入对下一个卫星的捕获。为了保证有效的捕获，本实施例阈值选定为40。也可以选择其他的权值参数，只要目的选出可靠的卫星型号即可。

对于弱信号而言，因为没有明显的相关峰，从而一般的捕获方法不能有效的捕获，但是对于本发明的捕获算法来说，即使没有最大和次大等的相关峰，也能成功捕获。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种GPS弱信号捕获的方法，包括：

步骤3：重复步骤1、步骤2，直到达到设定的运算次数；

2.根据权利要求1所述的一种GPS弱信号捕获的方法，其特征在于：

步骤5中所述的统计向量还可为可信度，可信度为步骤4中所述的统计向量分别乘以权值的结果。

3.根据权利要求1所述的一种GPS弱信号捕获的方法，其特征在于：步骤5中所述的阈值是可实时配置的。

4.根据权利要求1所述的一种GPS弱信号捕获的方法，其特征在于：步骤1中的相关运算为并行相关运算的累加或者串行相关运算的累加。

5.根据权利要求1所述的一种GPS弱信号捕获的方法，其特征在于：步骤4还包括步骤：

记录最大统计向量对应的频点供后续程序进行跟踪解码。

6.根据权利要求2所述的一种GPS弱信号捕获的方法，其特征在于：步骤4仅列出10个靠前的对应频点。

7.根据权利要求2所述的一种GPS弱信号捕获的方法，其特征在于：所述的权值是可实时配置的。

8.根据权利要求6所述的一种GPS弱信号捕获的方法，其特征在于：所述的权值为：[20 19 18 15 11 7 3 2 1 1]。

9.根据权利要求3所述的一种GPS弱信号捕获的方法，其特征在于：所述的阈值可配置为40。