CN101865991B - 分层式gps信号并行捕获方法及其模块 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种分层式GPS信号并行捕获方法，构架一个由分层式GPS信号并行捕获模块和微处理器组成的基带信号处理器，本发明还公开一种分层式GPS信号并行捕获模块，它包括四个不同结构的子模块：采用了匹配滤波器和DFT滤波器组组合架构的大规模搜索引擎、采用部分匹配滤波器架构的中等规模搜索引擎、采用多个跟踪通道构架的跟踪相关器和采用多个相互独立捕获通道构架的捕获相关器。这些子模块协同完成对GPS信号的捕获，根据不同的包括多普勒频率不确定范围和码相位不确定范围的先验信息，完成对GPS信号的初始捕获，频率精细捕获以及重捕获。大规模和中等规模的并行搜索引擎都具有根据多普勒频率搜索范围自适应调整多普勒频率搜索能力。分层式结构的GPS信号并行捕模块，硬件精简，资源利用率高，搜索效率显著提高，又降低功耗。

Description

分层式GPS信号并行捕获方法及其模块

发明领域

本发明属于卫星通信技术领域，它涉及GPS接收机的信号捕获方法，尤其涉及一种分层式GPS信号并行快速捕获方法及其模块。

背景技术

全球定位系统(GPS)已经广泛应用于车载导航，便携式导航仪，无线通信设备中，各大移动通信服务商也在积极开发基于定位服务(LBS)的应用，为用户提供有效、可靠的基于定位功能的多种服务。这要求各种通信导航设备中的GPS接收机在各种环境下，要快速捕获到GPS信号，并能够给出实时的定位信息。但是，GPS信号功率远低于噪声功率，尤其在都市和室内等信道衰落严重的环境中，这给GPS的应用带来了巨大的限制。

GPS卫星信号捕获的二维搜索过程，要求估计卫星信号的码相位和多普勒频率。码相位和多普勒频率的不确定范围定义的二维搜索空间包含了几万甚至几十万个信号搜索单元，一个信号搜索单元由一个码相位不确定量与一个多普勒频率不确定量构成，而捕获就是要对每一个信号搜索单元进行检测，显然，信号捕获耗费时间长，尤其对于弱信号捕获的每个搜索单元的检测时间就会更长。

目前，现有技术中大多采用大规模并行架构来满足GPS信号快速捕获的需要。这种架构必须配置成千上万，甚至上百万个等效相关器，才能一次搜索大量的信号搜索单元，即包含整个二维搜索空间。但是，由于这种架构对整个搜索空间的所有信号搜索单元都同等对待，并且不能够根据搜索空间的大小调整搜索能力，从而硬件庞大、工作效率降低。美国专利US7127351B2提出了一种“混合并行和串行检测的并行捕获方法”，把捕获过程分为两步骤：第一步，并行搜索大量的信号搜索单元，从中选出若干最优可能包含卫星信号的搜索单元；第二步，利用多个独立的相关器通道对第一步中选出的几个搜索单元同时进行串行确认，排除不包含卫星信号的搜索单元。显而易见，该并行捕获方法存在缺陷是：一、虽然串行搜索分担了并行搜索的工作量，但是并行搜索结构的搜索能力是固定的，无法针对不同大小的搜索空间调整搜索能力。二、资源利用率低，又增加了功耗。

在实际应用中，二维搜索空间的大小不是固定的，由于先验信息或者辅助信息的存在，可以大致估计卫星信号的多普勒频率和码相位，从而缩小了搜索空间。本发明中提出了一种分层式GPS信号并行捕获方法及其模块。这种方法包括多个不同层次的并行捕获结构，各个层次具有不同的并行度或搜索能力，可以根据搜索空间的大小，自适应选择不同层次的并行捕获结构工作，从而提高了工作效率和能效。

发明内容

本发明的目的是解决已有技术的GPS信号并行捕获结构的功耗大，硬件资源庞大、捕获工作效率低的问题，提出了一种分层式GPS信号并行捕获方法，还提出采用该方法的模块。

本发明的目的是通过以下的技术方案来实现。分层式GPS信号并行捕获方法，它包括以下步骤：

(1)构架一个由分层式GPS信号并行捕获模块和微处理器组成的基带信号处理器；

(2)分层式GPS信号并行捕获模块包括四个不同架构的子模块：

1)大规模搜索引擎子模块，简称大规模搜索引擎；

2)中等规模搜索引擎子模块，简称中等规模搜索引擎；

3)捕获相关器子模块，简称捕获相关器；

4)跟踪相关器子模块，简称跟踪相关器；

(3)多个子模块协同捕获GPS信号：

根据先验信息的不同，多个子模块协同实现对GPS信号的三种捕获：

1)初始捕获，大规模搜索引擎与捕获相关器协同完成对GPS信号的初始捕获；

2)频率精细捕获，捕获相关器完成对GPS信号频率精细捕获；

3)重捕获，跟踪相关器完成对GPS信号的重捕获；

(4)定义先验信息

1)先验信息包括多普勒频率不确定范围和码相位不确定范围；

2)以先验信息确定搜索空间的大小；

(4)定义捕获层次：

1)无先验信息的并行初始捕获

在接收机冷启动情况下，没有任何先验信息，需要对多个多普勒频率和所有不确定范围可能的码相位进行搜索，对于GPS C/A码信号，需要搜索2046个可能的码相位；采用大规模并行搜索，同时完成全码相位和多个多普勒频率的并行初始捕获；

2)有先验信息的并行初始捕获

在具有精确时间辅助或者其它已捕获卫星信号时间信息的情况下，码相位不确定范围得以缩小，对于GPS C/A码信号，会有多达几百个码相位不确定范围，采用中等规模搜索引擎对部分码相位空间进行并行初始捕获；

3)有先验信息的频率精细捕获

在大规模搜索引擎或中等规模搜索引擎完成并行的初始捕获后，从大量的相关值(每一个搜索单元产生一个相关值)中选出若干峰值，由捕获相关器分别对这些峰值进行多次串行捕获，排除虚假峰值；对于真实的峰值，捕获相关器完成GPS信号的频率精细捕获，能够得到更加精确的多普勒频率；

4)跟踪过程的重捕获

在跟踪过程中，由于如障碍物遮挡等原因，导致信号短暂中断，此短暂时间内信号的多普勒频率和码相位变化较小，运行跟踪相关器，通过跟踪相关器的捕获和跟踪卫星信号功能，完成对短暂失锁GPS信号的重捕获；

所述的分层式GPS信号并行捕获方法，其还在于：所述捕获相关器模块的精细捕获功能的实现方法，包括以下步骤：

(1)捕获相关器模块采用多个捕获通道构架，例如3个捕获通道；

(2)3个捕获通道同时对相邻的3个搜索单元进行相关运算；3个搜索单元对应的码相位相同，多普勒频率间距为df；

(3)3个捕获通道完成对相邻的3个搜索单元相关运算，得到三个相关值Y_P，Y_E，Y_L，三个相关值Y_P，Y_E，Y_L，对应的多普勒频率分别为f₀，f₀-df，f₀+df；

(4)利用得到的相关运算得到三个相关值Y_P，Y_E，Y_L，及它们对应的多普勒频率为f₀，f₀-df，f₀+df，计算多普勒频率偏差f₀，f₀由下面的公式计算得到：

$f_0=\frac{Y_E-Y_L}{2Y_P-(Y_E+Y_L)}\·\frac{\mathrm{df}}{2}$

(5)判断多普勒频率偏差f₀，准确估计多普勒频率，实现精确捕获；

当Y_E＝Y_L时，f₀＝0，表示多普勒频率估计准确；Y_E＞Y_L时，具有正的多普勒频率偏差，否则具有负的多普勒频率偏差，多普勒偏差都由公式计算而准确得到。

根据所述方法构成的分层式GPS信号并行捕获模块，其在于：它由不同构架方式的大规模并行搜索引擎子模块、中等规模并行搜索引擎子模块、捕获相关器子模块和跟踪相关器子模块组成；各子模块为并行结构，每个子模块输入端都连接来自前端的数字中频信号输出端，每个子模块数据接口端都通过数据总线与微处理器连接。

所述的分层式GPS信号并行捕获模块，其在于：所述的大规模并行搜索引擎子模块采用了匹配滤波器和DFT滤波器组的组合架构，它由M个匹配滤波器、M个DFT滤波器和M路多选一选择器以及使能信号控制器组成。匹配滤波器的M的部分相关结果输入到M选一多路选择器中，多路选择器依次从中选择一个部分相关结果进入对应的DFT滤波器中，如果该DFT滤波器对应的一位使能信号有效，DFT滤波器就进行滤波处理，并输出相应搜索单元的搜索信息，否则该DFT滤波器被关闭，不进行滤波处理，从而实现对DFT滤波器组的可配置；大规模并行搜索引擎具有全码相位搜索能力，并且能够根据多普勒频率搜索范围自适应调整多普勒频率搜索能力。

所述的分层式GPS信号并行捕获模块，其在于：所述的中等规模并行搜索引擎模块采用部分匹配滤波器的架构，一个中等规模搜索引擎由基带信号数字延迟线、抽头系数乘法器组、多输入端口加法器、二输入端口加法器和FIFO寄存器组成。基带信号数字延迟线的输出分别与抽头系数相乘，相乘的结果进多输入端口加法器进行相加得到一个部分相关值，该部分相关值通过一个二输入端口加法器与FIFO寄存器中的数据累加并存入FIFO中对应的寄存器中。中等规模并行搜索引擎具有部分码相位并行搜索能力，能从任意一个码相位起点开始，完成对一段连续的码相位不确定范围的并行搜索。

所述的分层式GPS信号并行捕获模块，其在于：所述的捕获相关器模块采用多个捕获通道构架，它包括多个相互独立的捕获通道；数字中频信号先与本地载波NCO输出的载波混频，产生基带信号，再与本地码产生器输出的码相乘，进行积分得到一个相关值；多个相互独立的捕获通道得到N个相关值；捕获相关器的每一个通道完成对一个信号搜索单元的相关运算，能对多个离散分布、不连续的信号搜索单元同时进行搜索。

所述的分层式GPS信号并行捕获模块，其在于：所述的跟踪相关器采用多个相互独立的跟踪通道构架；跟踪相关器子模块包括多个跟踪通道，多个跟踪通道相互独立，每一个通道包括多路并行的相关单元；每一个通道中，数字中频信号先与本地载波NCO输出的载波混频，产生基带信号，再分别与本地码产生器输出的多个本地码相乘，相乘结果进行积分，得到多个相关值，每一个相关值对应于一个不同的码相位；多个跟踪通道对应于多个多普勒频率；用一个跟踪通道对应一个多普勒频率，同一个跟踪通道多路相关单元对应于一个多普勒频率的连续的多个码相位；每一个相关单元完成对一个信号搜索单元的相关运算。

所述的分层式GPS信号并行捕获方法，其在于：所述的DFT滤波器组包括M个独立的DFT滤波器，每个DFT滤波器都能单独受控制关闭或开启，配置DFT滤波器组中DFT滤波器工作的数目，最小1个，最大M个；在M个使能控制信号的控制下，大规模并行搜索引擎具有能够根据多普勒频率搜索范围自适应调整多普勒频率搜索能力。

每颗卫星的二维搜索空间，纵轴表示多普勒频率不确定度，横轴表示码相位不确定度。可以根据多普勒频率和码相位的不确定搜索空间计算总的信号搜索单元数目。捕获一个卫星信号，需要搜索的多普勒频率窗格数目N_dopp，码相位搜索窗格数目N_cp，总的搜索单元数目N_space为用公式(1)表示：

$N_{\mathrm{dopp}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{dopp}}}{f_{\mathrm{bin}}}---\left(1\right)$

$N_{\mathrm{cp}}=\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cp}}}{d}---\left(2\right)$

N_space＝N_dopp×N_cp    (3)

式中，σ_dopp和σ_cp表示多普勒频率和码相位的不确定范围，f_bin是多普勒频率搜索窗格的宽度，取决与捕获过程中的预检测积分时间T，一般而言f_bin＝1/2T；d表示码相位搜索窗格的宽度，单位为码片，其取值为d＝0.5。

卫星信号的多普勒频率不确定度取决于卫星的位置不确定度、接收机运动状态的不确定度、时间不确定度和本地晶振频率误差的不确定度。前两项是由于卫星和接收机的相对位置以及相对运动速度引起的多普勒不确定度，最大为4KHz左右，如果有卫星的历书或者星历信息，该不确定度减小到几百Hz。第三项由本地时间引起的不确定度：每秒的时间误差就会引起1Hz的多普勒频率不确定。最后一项取决于本地晶体振荡器，由本地晶振频率稳定度引起的不确定度：本地晶振频率稳定度为1ppm，引入的频率不确定度为1575Hz，可见此项影响比较大。

卫星信号的码相位不确定度由卫星与接收机相对距离的不确定度和时间的不确定度引起。相对距离每300m的不确定度会引入1个码片的不确定度，而时间上，每毫秒的不确定度会引入1023个码片的不确定度，时间不确定度是所有卫星共有的。如接收机有历书或者星历等辅助信息，卫星和接收机相对距离引入的码相位不确定度相对较小，一般为几十个码片，码相位不确定度主要是由时间引入。

从上述分析可见，多普勒频率和码相位的不确定度中大部分为所有卫星共有的问题。由本地晶振引入的多普勒频率不确定度和由时间引入的码相位不确定度，可以在成功捕获一个卫星信号后，能够估计出称之为先验信息的本地晶体振荡器的不确定和时间的不确定度，并利用该先验信息辅助对其它卫星信号的捕获，可以显著减小其它卫星信号的搜索空间。

本发明据此提出一种根据搜索空间的大小来自适应调整搜索引擎的搜索能力的方法。具体步骤如下：

1)对第一个卫星信号的捕获，本地晶体振荡器的不确定和时间的不确定度都未知，以及卫星位置和接收机运动状态等都引入了额外的不确定度。所以码相位搜索范围为所有可能的码相位，包括2046个宽度为半码片的码相位窗格；多普勒搜索搜索范围在2kHz到15kHz左右，对应1ms预检测积分时间的多普勒搜索窗格宽度为500Hz，所需多普勒频率搜索窗格数目约为4到30。利用公式(3)，计算得到所需总的搜索单元数目N_space。

大规模搜索引擎为具有全码相位和多个多普勒频率并行搜索能力，并能根据多普勒频率搜索窗格数目自动调整搜索空间。比如，搜索空间是2046个码相位窗格，以及30个多普勒频率搜索窗格，大规模搜索引擎可以配置为并行搜索2046×30个搜索单元；如果是16个多普勒频率搜索窗格，大规模搜索引擎可以配置为并行搜索2046×16个搜索单元。

2)完成第一个卫星信号的捕获后，估计出本地晶体振荡器的不确定和时间的不确定度，其它卫星信号的搜索空间可显著减小，多普勒频率搜索空间可调整为几百Hz，码相位搜索范围减小到几十到几百个半码片。因此中等规模搜索引擎具有几百个半码片的并行搜索能力，从而可以提高硬件资源利用率，采用多个中等规模搜索引擎，同时捕获多个卫星信号，而获得明显加快捕获速度和减小捕获时间的效果。一个大规模搜索引擎的配置分解为多个部分匹配滤波器，例如，把2046分解为341×6，配置为并行搜索341×30个搜索单元或341×16个搜索单元的一个部分匹配滤波器的规模。

本发明实质性效果：

1、本发明能够根据搜索空间的大小调整搜索能力，从而精简硬件，显著提高工作效率。

2、本发明M个独立的DFT滤波器，每个DFT滤波器可以单独控制关闭和开启，按照分层调整并行搜索结构的搜索能力不固定，搜索能力自动进行调整。

3、本发明分层式结构的GPS信号并行捕模块获提高资源利用率，又降低了功耗。

4、本发明分层式结构的GPS信号并行捕模块可应用于GPS卫星的捕获，也可用于中国的北斗以及欧盟的伽利略的卫星导航系统的卫星信号捕获。

附图说明

图1是搜索卫星信号的二维搜索空间示意图。

图1中：101-一个搜索单元，横轴是码相位搜索范围，纵轴是多普勒频率搜索范围，多普勒频率搜索窗格宽度为f_bin，码相位搜索窗格宽度为d。

图2是本发明实施例分层式GPS信号并行捕获模块大规模搜索引擎的原理框图。

图2中：201-基带信号延迟线，202-乘法器，203-多输入端口加法器，204-多选一选择器，205-M个DFT滤波器。

图3是本发明实施例的中等规模搜索引擎的原理框图。

图3中：301-基带信号延迟线，302-乘法器，303-多输入端口加法器，，304-二输入端口加法器，305-FIFO先进后出寄存器。

图4是本发明实施例的捕获相关器的原理框图。

图4中：41-捕获通道1，42-捕获通道2，4N-捕获通道N，401-载波NCO，402、403-复数混频器，404-积分清零器，405-本地的码产生器，406-码NCO。

图5是本发明实施例捕获相关器的精细捕获原理图。

图5中：501-相关值主瓣，502-需要精细捕获的相关单元，503和504分别是相邻的两个相关单元。

图6是本发明实施例的跟踪相关器的原理框图。

图6中：601-通道1，602-乘法器，603-载波NCO，604-码NCO，605-本地的码产生器，606-载波NCO，607-积分清零器组。

图7是层次化GPS信号捕获的原理框图。

图7中：701-大规模搜索引擎，702-中等规模搜索引擎，703-捕获相关器，704-跟踪相关器，705-微处理器。

图8是初始捕获和精细捕获的流程图。

图9是重捕获的流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例进一步描述本发明的一种层次化GPS信号并行捕获方法的技术方案。

图1给出搜索卫星信号的二维搜索空间示意图。如图1所示是卫星信号的多普勒频率搜索范围-码相位搜索范围二维搜索空间。横轴是码相位搜索范围，码相位搜索窗格宽度为d，纵轴是多普勒频率搜索范围，多普勒频率搜索窗格宽度为f_bin，所述的二维搜索空间包含总搜索单元数目N_space是8千到6万个。GPS信号并行捕获模块的每一个相关单元可以完成一个搜索单元101的搜索，每一个搜索单元在二维搜索空间中的搜索窗格是唯一的。

图2是本发明实施例分层式GPS信号并行捕获模块大规模搜索引擎的原理框图。如图2所示，大规模搜索引擎采用匹配滤波器、多选一选择器和DFT滤波器组的架构，匹配滤波器有M个延时线数字滤波器，每个延时线数字滤波器由基带信号延时线201、乘法器组202和多输入端口加法器203组成。离散傅氏变换DFT滤波器组有M个DFT滤波器205。基带信号经过匹配滤波器处理，每个时钟周期输出M个部分相关运算结果，这M个部分相关值经过多选一选择器204，依次被选通进入M个DFT滤波器中，在使能信号控制下，对应的DFT滤波器对输入的部分相关运算结果进行滤波处理，产生M个分别对应M个多普勒频率的相关值。经过2046个时钟周期后，就产生了2046乘M共2046M个多普勒频率的相关值。DFT滤波器组包括M个独立的DFT滤波器，每个DFT滤波器可以单独控制关闭和开启，因此可以配置DFT滤波器组中工作的DFT滤波器数目，最少1个，最多M个。延迟线均分为M段，延迟线的数据与对应的抽头系数相乘，每一段延迟线的数据与抽头系数相乘后全部相加得到M个部分相关值，M个部分相关值逐一通过多选一模块，M个DFT滤波器对M个串行输入的部分相关值进行滤波处理，每个DFT滤波器都有来自微处理器的一位使能信号控制。

图3是本发明实施例的中等规模搜索引擎的原理框图。如图3所示，中等规模搜索引擎采用了部分匹配滤波器的架构，是大规模搜索引擎的简化型。一个实施例，把2046分解为341×6，即分解为6个部分匹配滤波器，每个部分匹配滤波器的规模是大规模搜索引擎的六分之一，一个部分匹配滤波器有341个抽头系数。参见图3，一个中等规模搜索引擎包括基带信号数字延迟线301、抽头系数乘法器组302、多输入端口加法器303、二输入端口加法器304和FIFO先进先出寄存器305。基带信号送到数字延迟线301，输出341个信号到抽头系数乘法器组302与341个抽头系数相乘，乘法器组302的输出接到多输入端口加法器303，相加输出接到二输入端口加法器304与FIFO先进先出寄存器305移出的相加，加法器304的输出存入FIFO先进先出寄存器305。延迟线中数据与抽头系数经乘法器302相乘后再通过303相加得到一个部分相关值，通过FIFO把多个部分相关值累加得到相关值。中等规模搜索引擎工作过程进一步说明如下：

1)一个部分匹配滤波器在每个时钟周期输出一个部分相关值，341个时钟周期后，输出了341个部分相关值，这些部分相关值对应了一段连续的341个码相位，把这些部分相关值存储到FIFO寄存器305中；

2)经过341个时钟周期，更新341个抽头系数，重复步骤1)，共输出341个部分相关值，同时把这些部分相关值分别累加存储到FIFO寄存器305中；

3)重复2)的操作6次后，FIFO中的每个单元都累加了6个部分相关值，FIFO中的每个单元都对应了一个码相位的相关结果。

可以看出，中等规模搜索引擎能够完成341个码相位的并行搜索。虽然并行搜索能力不如大规模搜索引擎，但其实现的复杂度，电路面积以及功耗都明显减小。因此，在用大规模搜索引擎完成第一个卫星信号的捕获后，利用先验信息，计算共有的不确定度如本地晶体振荡器的不确定度和时间不确定度，可以显著减小搜索空间。一般多普勒频率搜索窗格可以减小为1，码相位搜索窗格数目可以减小到几百到几十，在这样的条件下，采用中等规模搜索引擎对后续卫星信号进行捕获，也可以实现一次搜索一个卫星信号的整个搜索空间。

本发明另一个实施例是采用多个中等规模搜索引擎的并行对多个卫星信号捕获方案。参见图3，比如有3个中等规模搜索引擎31、32、33，它们同时对3个卫星信号进行捕获。该实施例方案的效果是：在采用大规模搜索引擎完成第一个卫星信号的捕获后，再采用多个中等规模搜索引擎同时捕获其它的多个卫星信号。因为GPS接收机完成定位，至少需要接收到四颗卫星的信号。如果采用一个大规模搜索引擎，虽然搜索速度快，但需要4次搜索，才能接收到4颗卫星的信号。但是采用一个大规模搜索引擎和3个或更多个中等规模搜索引擎，就只需要搜索2次，便能更快得到足够的卫星信息并实现定位，这样的搜索速度就快了一倍。

在大规模搜索引擎或者中等规模搜索引擎完成了对卫星信号的并行搜索后，输出2046M或者341个相关值，下一步就需要对这么多的相关值做一个确认，因为一个卫星信号的搜索空间中，最多只有一个搜索单元是存在信号的，其它的所有搜索单元都不存在信号。有这样的规律，如果搜索单元对应的多普勒频率和码相位与搜索的卫星信号的多普勒频率以及码相位都相同，相比其它搜索单元，该搜索单元会出现一个相关峰值。但是受到噪声的影响，存在信号的搜索单元的相关峰值会有所降低，其它不存在信号的搜索单元的相关值也有可能出现较大的峰值。为了确定某个搜索单元是否存在信号，由于噪声的随机性，一般采用多次检测的方法，即重复多次搜索。多次搜索后，如果一个搜索单元存在信号，即使受到噪声影响，也会多次出现峰值；如果一个搜索单元不存在信号，只会偶尔出现峰值。这样就可以通过出现峰值的次数来判定某个搜索单元是否存在信号。

上述方法具有这样的特点：出现相关峰值的搜索单元很少(一般几十个甚至几个)，离散的分布在搜索空间中。因为搜索引擎能一次搜索大量的连续分布的搜索单元。

图4是本发明实施例的捕获相关器的原理框图。如图4所示，捕获相关器具有多个独立的捕获通道，1～N个独立的捕获通道为41、42～4N，每个通道只有一路相关单元，可以对一个搜索单元进行搜索。数字中频信号先与每个通道本地载波数控振荡器(NCO)401输出的载波在复数混频器402作混频，产生基带信号，再与本地码产生器405输出的码在复数混频器403相乘，相乘结果送积分清零器403进行积分得到一个相关值。码数控振荡器(NCO)406为码产生器405提供其所需要的时钟。多个捕获通道得到多个相关值输出，所以，捕获相关器适合完成对多个离散分布的搜索单元进行重复多次检测。相比大规模搜索引擎和中等规模搜索引擎而言，捕获通道的面积和功耗都更小。

如果捕获相关器的某一个通道已经确认卫星信号存在，而多普勒频率搜索窗格的宽度为f_bin，为了提高捕获速度，f_bin一般为几百Hz，当捕获成功后，需要进一步计算出精确的多普勒频率，这个过程就是精细捕获，要求多普勒频率误差小于几十甚至几Hz。捕获相关器可以精细捕获该通道对应的搜索单元。假设该信号对应的搜索单元的多普勒频率和码相位分别为f₀和CP0，配置其他的2个通道对相邻的两个搜索单元和进行操作，它们的码相位都是CP0，多普勒频率分别为f₀+df，f₀-df。这里df等于多普勒频率的窗格宽度f_bin，也可以是其它的值。如果码相位一定，相关值与多普勒频率偏差的关系如图5所示。图5主瓣波形501可以用一个2次抛物线近似，3个相关值都在该抛物线上，可以确定该抛物线的形状，根据频率f₀对应的相关值与抛物线的顶点的横轴距离，可以确定该搜索单元的多普勒频率偏差。

三个相关值502，503和504分别为Y_P，Y_E，Y_L，对应的多普勒频率分别为f₀，f₀-df，f₀+df。其中，相关值由捕获通道得到，df是捕获通道搜索的多普勒频率间距，f₀是需要计算的多普勒频率偏差。

$f_0=\frac{Y_E-Y_L}{2Y_P-(Y_E+Y_L)}\·\frac{\mathrm{df}}{2}---\left(4\right)$

由公式(4)可以看出，当Y_E＝Y_L时，f₀＝0，表示多普勒频率估计准确；Y_E＞Y_L时，具有正的频率偏差，否则具有负的频率偏差，这个偏差都可以由公式准确得到。

图6给出了本发明实施例的跟踪相关器的原理框图。与捕获相关器不同的是，跟踪相关器的每个跟踪通道包含多路相关单元，比如5路，如图6所示。每个通道包括5路相关单元，码产生器输出5个本地码E2，E1，P，L1和L2，它们之间的间距是半个码片。一个跟踪通道的每一路相关对应一段连续的码相位，码相位间隔一般为半个码片，它们对应相同的多普勒频率。

在跟踪卫星信号的过程中，由于数目，高楼等障碍物的遮挡，引起信号的短暂中断，跟踪环路会失锁。这种情况的特点是，信号中断的时间很小，只有几秒钟；信号中断过程中，卫星和接收机位置变化距离很小，由此引起的多普勒频率可以忽略，引起的码相位不确定度在1到2个码片左右。所以由信号中断引入的搜索空间很小，只有几个搜索单元，并且都是码相位不确定度。在信号短暂中断后，重新接收卫星信号的过程称为重捕获。与初始捕获过程不同的是，初始捕获通过峰值来判定信号是否存在；重捕获情况下，信号一般都是存在的，但是信号中断的时间间隔是不确定的，所以重捕获需要在信号恢复后，立即捕获到信号，这就需要在信号中断的过程中，连续执行重捕获。如果利用捕获引擎进行捕获，并经过捕获相关器的确认和精细捕获，不仅消耗时间，同时也降低了工作效率。

跟踪通道的结构特点适用于重捕获。在信号中断后，跟踪通道的5路相关单元分别搜索相邻的5个码相位不确定度(码相位间距为半码片)。如果信号恢复，其中的一路相关单元中就会出现相关峰值。为了确定信号真实存在，利用多次试验，对该相关单元进行确认。所以跟踪通道可以在信号恢复后快速高效的重捕获到信号。

层次化并行捕获的模块框图如图7所示。数字中频信号同时输入到四个模块701到704中。微处理705根据先验信息来控制这四个模块对GPS进行捕获。

图8给出本发明GPS信号的初始捕获流程。在接收机刚启动时，需要完成GPS信号的初始捕获，判断801，如果是捕获第一个卫星信号，进入802a，启动大规模搜索引擎，捕获第一个卫星信号，并根据多普勒频率的不确定范围，配置如图2中DFT滤波器组的规模。大规模搜索引擎处理完成后，进入803a从大量的相关值中，选出A个相关峰值，实施例中A＝8；如果不是第一个卫星信号，就进入802b启动中等规模搜索引擎，实施例中有6个中等规模搜索引擎，同时捕获6个卫星信号，搜索完成后，进入803b从每个中等规模搜索引擎输出的相关值中，选出2个相关峰值，一共B＝12个相关峰值。完成803的处理后，得到多个搜索单元的相关峰值，进入804对这些搜索单元进行虚警排除与信号确认，这部分处理是通过捕获相关器实现的，每个捕获通道对各个搜索单元同时进行多次搜索检测，805根据出现峰值的次数判定信号是否存在，如果信号不存在，捕获失败，结束当前卫星信号的捕获；如果信号存在，利用当前的捕获通道，并启动另外的两个通道搜索相邻的两个单元(码相位相同，多普勒频率相隔df，实施例中df＝1/(2T)，式中T是捕获过程的预检测积分时间)。806是精细捕获过程，图5是精细捕获的详细说明。

图9是利用跟踪相关器对卫星信号进行重捕获的流程图。在卫星信号的跟踪过程中，实时判定信号是否中断，902，如果信号出现短暂中断，判定信号中断时间，如果信号中断时间超过C＝10s，判定重捕获失败，904，跟踪通道关闭；在信号中断的10s以内，当前跟踪通道连续对相邻的5个搜索单元进行搜索，每次搜索完成后，进入906判定是否出现峰值，如果没有峰值，继续905的搜索；如果出现峰值，进入907，进行虚警排除与信号确认，判定峰值对应的相关单元是否存在信号，如果信号不存在，返回903；如果信号存在，说明卫星信号恢复，并且重捕获成功，进入跟踪状态，继续跟踪该卫星信号。

以上所述方法，仅以实施实例作具体描述，任何熟悉此类技术者运用本发明方法对分层式GPS信号并行捕获方法及其模块所作的修饰、变化，皆属本发明主张的专利范围，而不限于上述的实例。

Claims (8)

1.分层式GPS信号并行捕获方法，它包括以下步骤：

(1)构架一个由分层式GPS信号并行捕获模块和微处理器组成的基带信号处理器；

(2)分层式GPS信号并行捕获模块包括四个不同架构的子模块：

1)大规模搜索引擎子模块，简称大规模搜索引擎；

2)中等规模搜索引擎子模块，简称中等规模搜索引擎；

3)捕获相关器子模块，简称捕获相关器；

4)跟踪相关器子模块，简称跟踪相关器；

(3)多个子模块协同捕获GPS信号

根据先验信息的不同，多个子模块协同实现对GPS信号的三种捕获：

1)初始捕获，大规模搜索引擎与捕获相关器协同完成对GPS信号的初始捕获；

2)频率精细捕获，捕获相关器完成对GPS信号频率精细捕获；

3)重捕获，跟踪相关器完成对GPS信号的重捕获；

(4)定义先验信息

1)先验信息包括多普勒频率不确定范围和码相位不确定范围；

2)以先验信息确定搜索空间的大小；

(5)定义捕获层次：

1)无先验信息的并行初始捕获

在接收机冷启动情况下，没有任何先验信息，需要对多个多普勒频率和所有不确定范围可能的码相位进行搜索，对于GPS C/A码信号，需要搜索2046个可能的码相位；采用大规模并行搜索，同时完成全码相位和多个多普勒频率的并行初始捕获；

2)有先验信息的并行初始捕获

在具有精确时间辅助或者其它已捕获卫星信号时间信息的情况下，码相位不确定范围得以缩小，对于GPS C/A码信号，会有多达几百个码相位不确定范围，采用中等规模搜索引擎对部分码相位空间进行并行初始捕获；

3)有先验信息的频率精细捕获

在大规模搜索引擎或中等规模搜索引擎完成并行的初始捕获后，每一个搜索单元产生一个相关值，从大量的相关值中选出若干峰值，由捕获相关器分别对这些峰值进行多次串行捕获，排除虚假峰值；对于真实的峰值，捕获相关器完成GPS信号的频率精细捕获，能够得到更加精确的多普勒频率；

4)跟踪过程的重捕获

在跟踪过程中，由于障碍物遮挡原因，导致信号短暂中断，此短暂时间内信号的多普勒频率和码相位变化较小，运行跟踪相关器，通过跟踪相关器的捕获和跟踪卫星信号功能，完成对短暂失锁GPS信号的重捕获。

2.根据权利要求1所述的分层式GPS信号并行捕获方法，其特征还在于：所述捕获相关器的精细捕获功能的实现方法，包括以下步骤：

(1)捕获相关器采用多个捕获通道构架，1～N个捕获通道；

(2)3个捕获通道同时对相邻的3个搜索单元进行相关运算；3个搜索单元对应的码相位相同，多普勒频率间距为df；

(3)3个捕获通道完成对相邻的3个搜索单元相关运算，得到3个相关值Y_P，Y_E，Y_L，三个相关值Y_P，Y_E，Y_L，对应的多普勒频率偏差分别为f₀，f₀-df，f₀+df；

(4)利用相关运算得到的三个相关值Y_P，Y_E，Y_L，及它们对应的多普勒频率偏差为f₀，f₀-df，f₀+df，计算多普勒频率偏差f₀，f₀由下面的公式计算得到：

$f_0=\frac{Y_E-Y_L}{{2Y}_P-(Y_E+Y_L)}\·\frac{\mathrm{df}}{2}$

(5)判断多普勒频率偏差f₀，准确估计多普勒频率，实现精确捕获；

当Y_E＝Y_L时，f₀＝0，表示多普勒频率估计准确；Y_E＞Y_L时，具有正的多普勒频率偏差，否则具有负的多普勒频率偏差，多普勒频率偏差都由公式计算而准确得到。

3.一种执行权利要求1所述方法构成的分层式GPS信号并行捕获模块，其特征在于：它由不同构架方式的大规模搜索引擎子模块、中等规模搜索引擎子模块、捕获相关器子模块和跟踪相关器子模块组成；各子模块为并行结构，每个子模块输入端都连接来自前端的数字中频信号输出端，每个子模块数据接口端都通过数据总线与微处理器连接。

4.根据权利要求3所述的分层式GPS信号并行捕获模块，其特征在于：所述的大规模搜索引擎子模块采用了匹配滤波器和DFT滤波器组的组合架构，它由M个匹配滤波器、M个DFT滤波器和M路多选一选择器组成；匹配滤波器的M个部分相关结果输入到M路多选一选择器中，M路多选一选择器依次从中选择一个部分相关结果进入对应的DFT滤波器中，如果该DFT滤波器对应的一位使能信号有效，DFT滤波器就进行滤波处理，并输出相应搜索单元的搜索信息，否则该DFT滤波器被关闭，不进行滤波处理，从而实现对DFT滤波器组的可配置；大规模搜索引擎具有全码相位搜索能力，并且能够根据多普勒频率搜索范围自适应调整多普勒频率搜索能力。

5.根据权利要求3所述的分层式GPS信号并行捕获模块，其特征在于：所述的中等规模搜索引擎采用部分匹配滤波器的架构，一个中等规模搜索引擎由基带信号数字延迟线、抽头系数乘法器组、多输入端口加法器、二输入端口加法器和FIFO寄存器组成；基带信号数字延迟线的输出分别与抽头系数相乘，相乘的结果经多输入端口加法器进行相加得到一个部分相关值，该部分相关值通过一个二输入端口加法器与FIFO寄存器中的数据累加并存入FIFO中对应的寄存器中；中等规模搜索引擎具有部分码相位并行搜索能力，能从任意一个码相位起点开始，完成对一段连续的码相位不确定范围的并行搜索。

6.根据权利要求3所述的分层式GPS信号并行捕获模块，其特征在于：所述的捕获相关器采用多个捕获通道构架，它包括多个相互独立的捕获通道；数字中频信号先与本地载波NCO输出的载波混频，产生基带信号，再与本地码产生器输出的码相乘，进行积分得到一个相关值；多个相互独立的捕获通道得到N个相关值；捕获相关器的每一个通道完成对一个信号搜索单元的相关运算，能对多个离散分布、不连续的信号搜索单元同时进行搜索。

7.根据权利要求3所述的分层式GPS信号并行捕获模块，其特征在于：所述的跟踪相关器采用多个相互独立的跟踪通道构架；跟踪相关器子模块包括多个跟踪通道，多个跟踪通道相互独立，每一个通道包括多路并行的相关单元；每一个通道中，数字中频信号先与本地载波NCO输出的载波混频，产生基带信号，再分别与本地码产生器输出的多个本地码相乘，相乘结果进行积分，得到多个相关值，每一个相关值对应于一个不同的码相位；多个跟踪通道对应于多个多普勒频率；用一个跟踪通道对应一个多普勒频率，同一个跟踪通道多路相关单元对应于一个多普勒频率的连续的多个码相位；每一个相关单元完成对一个信号搜索单元的相关运算。

8.根据权利要求4所述的分层式GPS信号并行捕获模块，其特征在于：所述的DFT滤波器组包括M个独立的DFT滤波器，每个DFT滤波器都能单独受控制关闭或开启，配置DFT滤波器组中DFT滤波器工作的数目，最小1个，最大M个；在M个使能控制信号的控制下，大规模搜索引擎具有能够根据多普勒频率搜索范围自适应调整多普勒频率搜索能力。

Images