CN102680986A - 一种基于频率可调的gps接收机信号捕获反馈回路及捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星导航定位技术领域，具体涉及一种根据信噪比结果协调控制输入信号频率的GPS接收机信号捕获反馈回路，还涉及该反馈回路使用的信号捕获方法。本发明包括：输入数据预处理装置将信号进行输入捕获预处理后传送给信号捕获装置进行捕获，捕获结果、载噪比估计装置计算信号的载噪比，输入数据预处理装置根据捕获结果、载噪比估计装置计算的结果调整信号频率并重新传递给输入数据预处理装置进行输入捕获预处理。本发明能够根据输出的信号载噪比情况实时地制定预处理策略，使其满足捕获性能的基本要求，进而最大化地降低捕获流程所耗费的资源，减轻系统运算负担。

Description

一种基于频率可调的GPS接收机信号捕获反馈回路及捕获方法

技术领域

本发明属于卫星导航定位技术领域，具体涉及一种根据信噪比结果协调控制输入信号频率的GPS接收机信号捕获反馈回路，还涉及该反馈回路使用的信号捕获方法。

背景技术

GPS接收机的基本组成方法包括：天线部分、射频前端部分、基带处理部分和导航解算部分。天线部分实现微弱的GPS信号的接收；射频前端部分实现信号的功率放大、噪声滤除、频率转换，以及模数转换；基带处理部分实现信号的捕获、跟踪，以及位同步等；导航解算部分根据得到的码相位，多普勒频移，导航电文等信息计算定位结果。其中，输入捕获模块的数据频率会直接影响到信号的载噪比，不同数据频率的信号将会影响基带处理部分的运算量和灵敏度。采用低的数据频率，捕获速度得到提高，信号的载噪比却下降，更加符合高动态环境下的定位要求；而采用高的数据频率，得到的信号载噪比较高，捕获的速度却受到限制，该情况更加符合弱信号环境下对GPS接收机平台的要求。

GPS接收机的工作环境通常是不断变化的，传统的硬件接收机和目前的软件接收机均无法实时的根据捕获信号的质量来调整输入捕获的数据的频率，因此在GPS软件接收机的基础上增加一个根据捕获结果和载噪比估计值协调控制输入数据频率的反馈回路，就可以同时兼顾捕获时间和捕获灵敏之间的关系，进而达到GPS接收机根据工作环境的不同实时调整输入数据频率和信号质量的策略。然而目前的GPS接收机仅有射频前端到基带处理的正向通路，难以进行输入数据频率的协调控制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种降低捕获流程耗费资源，减轻系统运算负担的基于频率可调的GPS接收机信号捕获反馈回路，本发明的目的还在于提供一种该反馈回路使用的信号捕获方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明的一种基于频率可调的GPS接收机信号捕获反馈回路，包括信号捕获装置（3），捕获结果、载噪比估计装置（5），协调控制装置（6）和输入数据预处理装置（7），其特征是：输入数据预处理装置将信号进行输入捕获预处理后传送给信号捕获装置进行捕获，捕获结果、载噪比估计装置计算信号的载噪比，输入数据预处理装置根据捕获结果、载噪比估计装置计算的结果调整信号频率并重新传递给输入数据预处理装置进行输入捕获预处理。

本发明的一种基于频率可调的GPS接收机信号捕获方法包括如下步骤：

（1）将接收的GPS信号进行频率转换和模数转换，获得中频数字信号；

（2）对中频数字信号进行输入捕获预处理；

（3）捕获中频数字信号；

（4）根据捕获结果计算信号的载噪比：

C/N₀=SNR-10lg(T_coh)=A²/(2σ²)-10lg(T_coh)

其中，C/N₀为信号载噪比估计，SNR为信号信噪比估计，T_coh为相干积分时间，A为有用信号的幅度，σ为标准差常数，使噪声信号满足（0，σ²）的高斯分布；

（6）对信号载噪比和接收机处理能力进行比较，如果信号载噪比低于接收机的处理能力，则增加相干积分时间，达到积分时长仍无法捕获信号，结束整个流程；如果信号载噪比高于接收机的处理能力，则将原始信号序列的数据a₁，a₂，a₃，a₄，......，a_n，进行1/T下采样，T为整数，结果为：

b₁=(a₁+a₂+…+a_T)/T；

b₂=(a_T+1+a_T+2+…+a_2T)/T；

…；

b_n/T=(a_(n-1)T+1+a_(n-1)T+2+…+a_nT)/T；

并将该结果作为中频数字信号返回步骤（3）重新进行捕获。

所述捕获中频数字信号的步骤如下：

（1）将中频数字信号和本地的数字控制振荡器相乘，分别得到同向信号和正交信号；

（2）分别对同向信号和正交信号作快速傅里叶变换；

（3）对本地C/A码作复共轭；

（4）将步骤（2）的结果和步骤（3）的结果作复数相乘；

（5）将步骤（4）的结果作快速傅里叶变换逆变换；

（6）对快速傅里叶变换逆变换的结果求模，选择最大值；

（7）将最大值和门限进行比较，若最大值大于门限值，则捕获到卫星信号；若最大值小于门限则没有捕获到信号。

本发明的有益效果在于：

本发明在传统GPS接收机的结构上增加了根据捕获结果调整预处理策略的反馈回路及信号捕获方法，能够根据输出的信号载噪比情况实时地制定预处理策略，使其满足捕获性能的基本要求，进而最大化地降低捕获流程所耗费的资源，减轻系统运算负担。

附图说明

图1是本发明的基本方法图；

图2是基于FFT的信号捕获装置原理图；

图3是射频前端和基带处理平台的连接示意图；

图4是协调控制装置的工作流程图；

图5是本发明中数据1/2下采样的实施和1/4下采样的实施。

具体实施方式

如图1所示，本发明在现有的基于FPGA和其它可编程控制硬件平台的软件接收机框架下，设计了一种基于频率可调的GPS接收机信号捕获方法。在传统的将射频前端（2）中频数字信号直接送入基带处理的前向通路的基础上，增加一个根据捕获结果和载噪比估计值调节射频前端输出信号频率的反馈回路，包括：信号捕获装置（3），捕获结果、载噪比评估装置（5），协调控制装置（6）和数据频率预处理装置（7）。

本发明中，天线用于接收GPS的原始信号，射频前端装置对接收到的信号进行频率转换和模数转换，进而获得适合计算机平台处理的中频数字信号。本发明中选择的射频前端装置需要具有和基带处理装置进行时钟频率交互的功能，如典型射频前端芯片Maxim公司的MAX2769，和后续的基带处理平台之间可以通过SPI总线的形式实现通讯。MAX2769和后续基带处理平台的连接方式如图2所示，SPI总线包括串行时钟线接口SCLK，低电平有效的从机选择线/CS，输入数据线SDATA，输出的信号包括I0、I1、Q0、Q1，本发明中仅需用I路信号。

本发明中信号捕获采用基于FFT的方式，如图3所示。由本地载波数字控制振荡器（NCO）产生的两路相互正交的信号sin(ωt)和cos(ωt)分别和输入的数字中频信号相乘，再将I支路的值作为实部、Q支路的值作为虚部构成一个新的复序列，即：x(n)=I(n)+jQ(n)，对这个新的序列做复数的FFT。与此同时，由本地产生的C/A码也做FFT。将上述两个FFT所得到的结果做复数乘法，然后将得到的序列进行快速傅里叶逆变换（Inverse Fast Fouriertransform，IFFT）。对IFFT的结果逐个求模，比较并找出最大值，将最大值和预先设定的门限比较，如果小于门限则表示没有捕获到信号，此时以频率步长为单位在下一个频点重复上述过程，直到捕获成功或搜索完所有的卫星。

本发明中信号跟踪装置是在信号捕获装置获得粗略的载波和伪码信息的基础上，进行精确的载波和伪码信息估计。

本发明中涉及装置（5），（6）和（7）的具体控制流程为：将通过基带处理部分得到的捕获卫星数量，以及捕获载噪比信息，送入到协调控制装置，据此应用FPGA和其它可编程控制平台编写分频程序生成所需要的输入信号频率，将该数据送入信号捕获装置。

本发明的卫星信号捕获载噪比估计装置的实施可根据以下公式估计信号载噪比值。

C/N₀=SNR-10lg(T_coh)=A²/(2σ²)-10lg(T_coh)

其中，C/N₀为信号载噪比估计，SNR为信号信噪比估计，T_coh为相干积分时间，A为有用信号的幅度，而且噪声信号满足（0，σ²）的高斯分布。

本发明中协调控制装置的频率调整策略如图4所示，比较载噪比估计值和接收机可处理最低载噪比的差异。如果信号质量不低于接收机的处理能力，则考虑适当的数据下采样。如果低于接收机的处理能力，则考虑增加相干积分时间。为了保证系统资源的均衡利用，相干积分的时间设定为10ms，一旦达到积分时长仍无法捕获到信号，则选择其它卫星进行同样流程的捕获处理。

本发明中的输入数据的预处理通过对输出中频数字信号的平均下采样实现。以图5为例，假设原始信号序列的数据分别为a₁，a₂，a₃，a₄，......，a_n，将其进行1/2下采样得到结果如图5所示，其中

b₁=(a₁+a₂)/2

b₂=(a₃+a₄)/2

…

b_n/2=(a_n-1+a_n)/2

而将其进行1/4下采样得到结果如图5所示，其中

c₁=(c₁+c₂+c₃+c₄)/4

…

c_n/4=(c_n-3+c_n-2+c_n-1+c_n)/4

此外，对于基于ARM，DSP硬件平台的软件接收机，也可通过增反向通路的方式，实现频率可调的GPS接收机信号捕获方法。

Claims (3)

1.一种基于频率可调的GPS接收机信号捕获反馈回路，包括信号捕获装置（3），捕获结果、载噪比估计装置（5），协调控制装置（6）和输入数据预处理装置（7），其特征是：输入数据预处理装置将信号进行输入捕获预处理后传送给信号捕获装置进行捕获，捕获结果、载噪比估计装置计算信号的载噪比，输入数据预处理装置根据捕获结果、载噪比估计装置计算的结果调整信号频率并重新传递给输入数据预处理装置进行输入捕获预处理。

2.一种基于频率可调的GPS接收机信号捕获方法，其特征是，包括如下步骤：

（1）将接收的GPS信号进行频率转换和模数转换，获得中频数字信号；

（2）对中频数字信号进行输入捕获预处理；

（3）捕获中频数字信号；

（4）根据捕获结果计算信号的载噪比：

C/N₀=SNR-10lg(T_coh)=A²/(2σ²)-10lg(T_coh)

其中，C/N₀为信号载噪比估计，SNR为信号信噪比估计，T_coh为相干积分时间，A为有用信号的幅度，σ为标准差常数，使噪声信号满足（0，σ²）的高斯分布；

（6）对信号载噪比和接收机处理能力进行比较，如果信号载噪比低于接收机的处理能力，则增加相干积分时间，达到积分时长仍无法捕获信号，结束整个流程；

如果信号载噪比高于接收机的处理能力，则将原始信号序列的数据a₁，a₂，a₃，a₄，......，a_n，进行1/T下采样，T为整数，结果为：

b₁=(a₁+a₂+…+a_T)/T；

b₂=(a_T+1+a_T+2+…+a_2T)/T；

…；

b_n/T=(a_(n-1)T+1+a_(n-1)T+2+…+a_nT)/T；

并将该结果作为中频数字信号返回步骤（3）重新进行捕获。

3.根据权利要求2所述的一种基于频率可调的GPS接收机信号捕获方法，其特征是，所述捕获中频数字信号的步骤如下：

（1）将中频数字信号和本地的数字控制振荡器相乘，分别得到同向信号和正交信号；

（2）分别对同向信号和正交信号作快速傅里叶变换；

（3）对本地C/A码作复共轭；

（4）将步骤（2）的结果和步骤（3）的结果作复数相乘；

（5）将步骤（4）的结果作快速傅里叶变换逆变换；

（6）对快速傅里叶变换逆变换的结果求模，选择最大值；

（7）将最大值和门限进行比较，若最大值大于门限值，则捕获到卫星信号；若最大值小于门限则没有捕获到信号。

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