CN102914782A - 一种适用于gps弱信号的快速捕获方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于GPS弱信号的快速捕获方法，包括以下步骤：（1）取一段Mms中频信号的数据，1<M≤10，将其分成若干段1ms的数据，运用基于FFT的频域循环相关法进行相干积分，并将各自结果进行非相干累积，得到中频信号的初频率和伪码初始相位。（2）另取一段中频数据与步骤（1）得到的伪码初始相位相乘来剥离中频数据中的伪码信息。（3）根据步骤（1）得到的初频率，在其[-500Hz,500Hz]频移范围内设置步长为50Hz的21个待捕获频率，进行时域滑动捕获，得到精度为50Hz的载频。本发明具有捕获速度快、精度高及运算量较少的优点，可以将载频误差控制在25Hz内，大大提高后续跟踪环路的处理效率。
Description
技术领域
本发明涉及GPS信号处理领域，特别涉及一种适用于GPS弱信号的快速捕获方法。
背景技术
全球定位系统是美国国防部海陆空三支军队在上世纪70年代共同研制的卫星导航系统，英文全称为“Navigation Satellite Timing And Ranging/GlobalPositioning System”，简称GPS系统。它是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全球性、全能性（海洋、陆地、航空和航天）、全天候连续性和实时性的导航定位和定时功能，广泛为各种用户提供精密的坐标、速度和授时等服务。它是当前技术上最为成熟并已实用的一种卫星导航定位系统，目前GPS系统已在交通管理、地形测量、野外勘探、以及导航等多个领域得到了广泛的应用。利用GPS系统进行定位、授时和测速，首先需要捕获到GPS卫星信号。信号捕获的目的是获得当前接收机所在位置的可见卫星序号，然后计算出其载波频率以及伪随机码的相位信息，从而为后续的信号跟踪提供初始条件。GPS信号的捕获是一个二维的搜索过程，具体是利用C/A码的强自相关性，通过复现不同的本地载波频率和C/A码相位，将本地产生的信号与接收到的信号作相关运算，找到相关峰值的位置，从而确定出载波频率和C/A码相位。
目前捕获GPS信号的方法较多，典型的方法有：时域滑动法、基于FFT（快速傅里叶变换）的频域循环相关法。时域滑动法的优点是结构清晰简单，易于实现，缺点是运算量巨大，处理速度慢；而基于FFT的循环相关法能够显著减少运算量，提高捕获速度，但捕获频率的精度与所用数据的长度相关，精度越高，所需的数据越长，随着数据的增长，运算量与导航数据比特跳转的概率都会增大，因此在处理有限长度的数据时，不容易获得高分辨率的捕获频率。
目前研究GPS信号捕获的方法中，针对弱信号的快速精细捕获的研究还不多，在实际的场景中，由于信号受到障碍物等影响，很多接收到的信号都变得非常微弱，达不到理想的处理指标，因此，提供一种针对GPS弱信号的快速精细捕获方法成为一个极具实际意义的研究课题。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种适用于GPS弱信号的快速捕获方法。该方法能够快速捕获到误差在20Hz左右(≤25Hz)的载波频率，远小于跟踪环路所需的误差(200Hz)，同时信噪比较高，能够实现针对GPS弱信号的快速捕获，具有捕获精度高及运算量较少的优点。
本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种适用于GPS弱信号的快速捕获方法，包括以下步骤：
（1）取一段Mms中频信号的数据，1<M≤10，将其分成若干段1ms的数据，运用基于FFT的频域循环相关法进行相干积分，并将各自结果进行非相干累积，捕获得到中频载波信号的初频率和伪码初始相位。
（2）另取一段中频数据与步骤（1）中得到的伪码初始相位相乘来剥离中频数据中的伪码相位信息。这样就消除了伪码相位对下一步时域精细捕获的影响，提高了时域捕获的速度。
（3）根据步骤（1）中得到的初频率fr，在其[-500Hz，500Hz]频移范围内设置步长为50Hz的21个待捕获频率：[(fr-500)Hz，(fr-450)Hz，…，fr Hz…，(fr+450)Hz，(fr+500)Hz]，进行时域滑动捕获，最后得到频率分辨率为50Hz的捕获频率。该捕获频率与实际的信号载频相差在20Hz左右，这已经大大满足了跟踪环路所需要的载频误差在200Hz范围内的要求。
具体的，所述步骤（1）中运用基于FFT的频域循环相关法进行相干积分，并将各自结果进行非相干累积的步骤如下：
将每毫秒的输入数据进行快速傅里叶变换，将输入数据变换到频域X(k)；
然后以1kHz为间隔产生21个本地码，以覆盖多普勒频移范围[-10kHz,10kHz]；
对产生的本地码进行FFT操作变换到频域，并取其复共轭；
将以上频域结果进行逐点相乘后，对其结果进行FFT逆变换得到时域结果；
最后将每毫秒对应的时域结果进行非相干累积，找到累积后的最大值，将最大值和门限值进行比较，如果最大值大于门限值则说明捕获成功，根据最大值的位置得到载波频率和伪码初始相位，其中载波频率是以1kHz为频率分辨率的初始捕获频率，称其为初频率。如果最大值小于门限值，则说明数据中不存在该颗卫星信息，改变星号，搜索下颗卫星信息。
现有技术中，对于弱信号(S/N≤-19dB/2MHz)的捕获通常采用相干积分和非
相干积分的方法来提高输入信号的信噪比（S/N）。相干积分是指输入信号变成连续波信号后，用快速傅里叶变换的方法来得到它的频率的操作。如果对1ms的数据进行相干处理，得到的等效带宽为1kHz。一般来说，相对于1ms的相干积分，n ms相干积分的附加增益Gc为：Gc=10lg（n），例如n=2ms和10ms，附加增益分别为Gc=3dB和10dB。但在实际的GPS信号处理中，由于导航数据每20ms就可能发生一次相位跳变，所以限制相干积分的长度，通常弱信号的捕获采用的数据最大长度是10ms，这是因为连续的两组10ms数据中，可以保证一组数据中没有相位的跳变。非相干积分是通过把一组长的输入数据分成许多段，对每段进行相干积分的操作，然后把同一频率相干积分的幅度值累加起来，这样来获得额外的S/N增益，从而弱信号被增强。
具体的，所述步骤（3）中进行时域滑动捕获的具体步骤是：
设初频率为fr，在其[-500Hz，500Hz]频移范围内设置以50Hz为间隔的21个待捕获频率为[(fr-500)Hz，(fr-450)Hz，…，fr Hz…，(fr+450)Hz，(fr+500)Hz]，在时域内将上述待捕获频率分别与步骤（2）得到的已剥离伪码相位信息的中频数据进行相关运算，每次计算结果与门限值进行比较，大于门限值则说明捕获成功，其所对应的频率即为捕获得到的载波精细频率；如果小于门限值，则通过搜索控制来进行下一个频率点的相关运算。此步骤最多搜索全部21个频率点，直到找到大于门限值的频率点为止。
本发明方法捕获得到的载波频率与实际的信号载频相差在20Hz左右(≤25Hz)。相对于一般捕获方法得到的载频精度，本发明方法将捕获载频精度提高将近十倍，大大提高了后续跟踪环路的处理效率。对于捕获环路之后的跟踪环路而言，一般捕获得到载波频率在200Hz误差范围内都可进入跟踪环路进行数据处理，但载频误差越小，跟踪环路所需要跟踪的载频范围就越窄，从而数据处理的效率就越高。一般认为捕获环路得到的载频误差小于五十赫兹时就可看作是得到了精细载频，即载波精细频率。
本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
现有技术中，传统的时域滑动捕获方法由于在每个频率点上都要进行所有的码相位滑动计算，整个捕获是一个二维的搜索过程，计算量巨大，耗时较长；而循环相关捕获方法，其计算量相对时域滑动法较小，但捕获频率的精度与所用数据的长度相关，精度越高，所需的数据越长，这样采样的点数就会增多，计算量就会增大，而且其受导航数据比特跳转的影响也会增大。因此对于要求获得精度较高的捕获频率，循环相关方法就不太适合。而本发明方法正是考虑到两种捕获方法的优势和劣势，综合了时域滑动与循环相关两种捕获方法，利用其优势互补，快速捕获到误差在20Hz左右(≤25Hz)的载波频率，远小于跟踪环路所需的误差(200Hz)，同时结合相干积分和非相干积分的方法来提高捕获信号的信噪比，从而实现针对GPS弱信号的快速捕获，该方法具有捕获速度快、捕获精度高及运算量较少的优点。这对于研究当今非常热门的弱信号捕获具有非常重要的意义。
附图说明
图1是GPS信号二维捕获模型示意图；
图2是时域滑动法捕获的结构原理图；
图3是基于FFT的频域循环相关法的结构原理图；
图4是本发明方法的流程图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
GPS信号的捕获是一个二维的搜索过程，如图1所示，具体是利用C/A码的强自相关性，通过复现不同的本地载波频率和C/A码相位，将本地产生的信号与接收到的信号作相关运算，找到相关峰值的位置，从而确定出载波频率和C/A码相位。现有技术中捕获GPS信号的方法可以分为两大类，一种是时域滑动法，另一种是基于FFT的频域循环相关法。两者的捕获原理图如图2和图3，而其它捕获方法大部分都是在两者的基础上改进而来，以适应不同场景的捕获目的。
捕获速度是判断软件接收机捕获算法优劣的重要指标，根据原理图分析计算以上两种算法在特定频率点上捕获一次所需要的运算量。
对于时域滑动法，假设一个Ts时间内有N个采样点，本地伪码的采样信号每滑动一个采样周期就要计算一次相关结果，需要进行N次相乘和N-1次相加，所以在时域计算N个相关值，所需乘法次数为：N2，所需加法次数为：N(N-1)。
对于基于FFT的频域循环相关法，这种方法将时域内大量的相关运算用2次FFT，1次IFFT以及1次逐点相乘代替，如果预先算好本地伪码的FFT，保存在接收机的储存器中，还可以进一步减少实际需要的运算量，只需要完成一个FFT和一个IFFT即可。一般情况下所需的运算量如下：所需的乘法次数：3×N/2×log2N+N；所需的加法次数：3×N×log2N。
因此可以得到基于FFT的频域循环相关法比时域滑动法节省了大量的运算量，而且随着采样点数的增多，基于FFT的频域循环相关法捕获效率优势更加明显。但是时域滑动法的优点是结构清晰简单，易于实现。而基于FFT的循环相关法虽然能够显著减少运算量，提高捕获速度，但捕获频率的精度与所用数据的长度相关，精度越高，所需的数据越长，随着数据的增长，运算量与导航数据比特跳转的概率都会增大。因此在处理有限长度的数据时，就不容易获得高分辨率的捕获频率。
为此，本实施例给出了一种如图4所示的适用于GPS弱信号的快速捕获方法，该方法包括以下步骤：
（1）取一段Mms中频信号的数据，1<M≤10，将其分成若干段1ms的数据，运用基于FFT的频域循环相关法进行相干积分，并将各自结果进行非相干累积，从而快速的捕获到载波信号的大致频率，这里称其为初频率，频率分辨率为1kHz，同时捕获也会得到伪码（C/A码）的初始相位信息。
（2）另取一段2ms中频数据与步骤（1）中得到的伪码初始相位相乘来剥离中频数据中的伪码相位信息。这样就消除了伪码相位对下一步时域精细捕获的影响，提高了时域捕获的速度。
（3）根据步骤（1）中得到的初频率，在其[-500Hz，500Hz]频移范围内设置步长为50Hz的21个待捕获频率：[(fr-500)Hz，(fr-450)Hz，…，fr Hz…，(fr+450)Hz，(fr+500)Hz]，进行时域滑动捕获，最后得到频率分辨率为50Hz的捕获频率。该捕获频率与实际的信号载频相差在20Hz左右，这已经大大满足了跟踪环路所需要的载频误差在200Hz范围内的要求。
所述步骤（1）中运用基于FFT的频域循环相关法进行相干积分，并将各自结果进行非相干累积的步骤如下：
将每毫秒的输入数据进行快速傅里叶变换，将输入数据变换到频域X(k)；
然后本地伪码发生器以1kHz为间隔产生21个本地码，以覆盖多普勒频移范围[-10kHz，10kHz]；
对产生的本地码进行FFT操作变换到频域，并取其复共轭；
将以上频域结果进行逐点相乘后，对其结果进行FFT逆变换得到时域结果；
最后将每毫秒对应的时域结果进行非相干累积，找到累积后的最大值，将最大值和门限值进行比较，如果最大值大于门限值则说明捕获成功，根据最大值的位置得到载波频率和伪码初始相位，其中载波频率是以1kHz为频率分辨率的初始捕获频率，称其为初频率。如果最大值小于门限值，则说明数据中不存在该颗卫星信息，改变星号，搜索下颗卫星信息。
所述步骤（3）中进行时域滑动捕获的具体步骤是：设初频率为fr，其周围设置以精细捕获步长50Hz为间隔的21个待捕获频率：[(fr-500)Hz，(fr-450)Hz，…，fr Hz…，(fr+450)Hz，(fr+500)Hz]，在时域内将上述待捕获频率分别与步骤（2）得到的已剥离伪码相位信息的去伪码数据进行相关运算，每次计算结果与门限值进行比较，大于门限值则说明捕获成功，其所对应的频率即为捕获得到的载波精细频率；如果小于门限值，则通过搜索控制来进行下一个频率点的相关运算，直到找到大于门限值的频率点为止，此步骤最多搜索全部21个频率点。
表1为时域滑动法、循环相关法与本发明方法的计算复杂度比较，利用三种方法对M ms弱信号分别进行捕获，来获得精度为50Hz，误差在25Hz内的载波频率。假设1ms内的采样点为N个。
表1各种捕获方法的乘法和加法运算次数
时域滑动法将载波多普勒频移范围[-10kHz+fc，10kHz+fc]（fc为载波中心频率）分为以50Hz为间隔的401个频率点进行滑动搜索；循环相关方法是在频域内对401个频率点进行并行搜索；而本发明方法是先利用循环相关的方法在频域内进行并行搜索，得到初始的载波频率，然后再在时域内进行串行的精细搜索。
从公式可以得出，随着采样率的增大，三种方法的计算量差别越来越明显，显然本发明方法计算量的优势随着采样率的增大变得越来越明显。
同理，当采样率一定时，随着非相干积分数目增大，三种方法的计算量对比如表2所示，以此来进一步说明本发明方法适用于弱信号的快速捕获。下表给出的是当M=5、8、10时，在采样率为5000时，三种方法的乘法与加法次数比较（单位：108次）
表2各算法随着非相干积分数目变化所对应的计算量变化情况
由上表计算可以看出，当非相干累积的数目M分别为5、8、10，得到精度为50Hz的载频时，结合时域滑动和循环相关各自优势的本发明方法比单独使用其任一方法都能节省较大的运算量。以上分析说明本发明方法适用于非相干积分快速捕获GPS弱信号。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种适用于GPS弱信号的快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）取一段Mms中频信号的数据，1<M≤10，将其分成若干段1ms的数据，运用基于FFT的频域循环相关法进行相干积分，并将各自结果进行非相干累积，捕获得到中频载波信号的初频率和伪码初始相位；
（2）另取一段中频数据与步骤（1）中得到的伪码初始相位相乘来剥离中频数据中的伪码相位信息；
（3）根据步骤（1）中得到的初频率，在其[-500Hz,500Hz]频移范围内设置步长为50Hz的21个待捕获频率，进行时域滑动捕获，最后得到频率分辨率为50Hz的捕获频率。
2.根据权利要求1所述的适用于GPS弱信号的快速捕获方法，其特征在于，所述步骤（1）中运用基于FFT的频域循环相关法进行相干积分，并将各自结果进行非相干累积的步骤如下：
将每毫秒的输入数据进行快速傅里叶变换，将输入数据变换到频域X(k)；
然后以1kHz为间隔产生21个本地码，以覆盖多普勒频移范围[-10kHz,10kHz]；
对产生的本地码进行FFT操作变换到频域，并取其复共轭；
将以上频域结果进行逐点相乘后，对其结果进行FFT逆变换得到时域结果；
最后将每毫秒对应的时域结果进行非相干累积，找到累积后的最大值，将最大值和门限值进行比较，如果最大值大于门限值则说明捕获成功，根据最大值的位置得到载波频率和伪码初始相位，其中载波频率是以1kHz为频率分辨率的初始捕获频率，称其为初频率；如果最大值小于门限值，则说明数据中不存在该颗卫星信息，改变星号，搜索下颗卫星信息。
3.根据权利要求2所述的适用于GPS弱信号的快速捕获方法，其特征在于，所述步骤（3）中进行时域滑动捕获的具体步骤是：
设初频率为fr，在其[-500Hz,500Hz]频移范围内设置以50Hz为间隔的21个待捕获频率：[(fr-500)Hz，(fr-450)Hz，…，fr Hz…，(fr+450)Hz，(fr+500)Hz]，在时域内将上述待捕获频率分别与步骤（2）得到的已剥离伪码信息的中频数据进行相关运算，每次计算结果与门限值进行比较，大于门限值则说明捕获成功，其所对应的频率即为捕获到的载波精细频率；如果小于门限值，则通过搜索控制来进行下一个频率点的相关运算。
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