CN103217695A - 一种gps的l1、l2c信号的捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速精确的GPS的L1、L2C信号的捕获方法，包括以下步骤：（1）对L1的C/A码信号进行捕获；（2）根据L1信号的捕获结果获得用于L2C信号捕获的辅助信息；（3）完成对L2C的CM码的捕获；（4）利用CL码和CM码之间的相位联系捕获到CL码。

Description

一种GPS的L1、L2C信号的捕获方法

技术领域

本发明属于卫星导航的技术领域，具体地涉及一种GPS的L1、L2C信号的捕获方法，其适合嵌入式软件接收机实现。

背景技术

软件接收机要实现对双频GPS（Global Positioning System，全球定位系统）信号的跟踪，必须首先捕获到L1信号中的C/A码和L2C信号中的CM或CL码。因为L2C信号中CM和CL码的长度是C/A码的10倍和750倍，若采取对L2C信号进行直接捕获的方法，完成捕获过程需要的时间长达100个小时，这使得直接捕获无法在软件接收机中实现，所以如何提高L2C信号的捕获速度是问题的关键。

L2C信号中的CL码实际采样点至少为码长的两倍，按照传统的方法，对这么长的采样序列直接进行时域串行相关或整段FFT计算，那么这样所需的运算存储空间和计算量非常大，不适合软件接收机特别是嵌入式软件接收机的实现。另外，直接整段的FFT还有几个其他的弊端，首先L2C信号中的CL码周期长达1.5秒，如果等到一个周期的数据全部存入缓冲，需要的缓冲空间非常大，更重要的是需要等待长达1.5秒的时间，这将给接收机的捕获过程引入一个额外的延迟。而且，即使在理论上任何长度的FFT都是可以直接计算的，但是大量的数据在内存中的同时转换也会降低计算的速度。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种快速精确的GPS的L1、L2C信号的捕获方法。

本发明的技术解决方案是：这种GPS的L1、L2C信号的捕获方法，包括以下步骤：

（1）对L1的C/A码信号进行捕获；

（2）根据L1信号的捕获结果获得用于L2C信号捕获的辅助信息；

（3）完成对L2C的CM码的捕获；

（4）利用CL码和CM码之间的相位联系捕获到CL码。

或者是，这种GPS的L1、L2C信号的捕获方法，包括以下步骤：

（1）对L1信号进行C/A码的捕获：如果有信号则计算出L1的载波多普勒频移和C/A码的初始相位n；若没捕获到则转入弱信号捕获，对L1信号进行高灵敏度捕获，得到L1的载波多普勒频移f_{carrier_L1}和C/A码的初始相位n，否则执行步骤（5）；

（2）根据公式（1）、（2）计算用于L2C信号捕获的辅助信息：

$f_{\mathrm{doppler}\_L2}=\frac{f_{\mathrm{carrier}\_L2}\left(\frac{\text{\Δv}}{c\±v_s}\right)}{f_{\mathrm{carrier}\_L1}\left(\frac{\mathrm{\Δv}}{c\±v_s}\right)}\·f_{\mathrm{doppler}\_L1}---\left(1\right)$

$=\frac{f_{\mathrm{carrier}\_L2}}{f_{\mathrm{carrier}\_L1}}\·f_{\mathrm{doppler}\_L1}$

ω_d(L2/L1)＝2πf_{doppler_L2}          （2）

其中Δv是卫星与接收机的相对运动速度，v_s是卫星的运动速度，c为光速，f_{carrier_L1}和f_{carrier_L2}分别为L1和L2C信号的载波多普勒频移，ω_d(L2/L1)为L2C信号的载波频率；

（3）根据公式（3）-（8）计算L2C信号的CM码信号的捕获：

${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\mathrm{CM}(t_k-{\hat{t}}_s)---\left(3\right)$

$\×\cos \left[({\mathrm{\ω}}_{L2\_\mathrm{IF}}-{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})t_k\right]$

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=-\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\mathrm{CM}(t_k-{\hat{t}}_s)---\left(4\right)$

$\×\sin \left[({\mathrm{\ω}}_{L2\_\mathrm{IF}}-{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})t_k\right]$

$I_{\mathrm{CM}\left(m\right)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\underset{l=0}{\overset{l_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})---\left(5\right)$

$Q_{\mathrm{CM}\left(m\right)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\underset{l=0}{\overset{l_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})---\left(5\right)$

${\mathrm{\ΔZ}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})$

${=\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})+\mathrm{j\Δ}{Q}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})$

$=\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\mathrm{CM}(t_k-{\hat{t}}_s)\exp [-({\mathrm{\ω}}_{L2\_\mathrm{IF}}-{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})t_k]---\left(7\right)$

$=\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}{y}_k{x}_k}}$

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{CM}}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\left|{\mathrm{\ΔZ}}_{\mathrm{CM}\left(m\right)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})\right|\\ =\sqrt{I_{\mathrm{CM}\left(m\right)}^2({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})+Q_{\mathrm{CM}\left(m\right)}^2({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})}\end{array}---\left(8\right)$

其中，P_CM代表捕获的判决函数，I_CM(m)和Q_CM(m)分别是第m个相干积分段的同相和正交积分。

和ω_d(L2/L1)分别是为码初始相位和L2C CM信号的载波频率，ΔZ_CM(m)是相关输出函数的值；

（4）在完成CM码的捕获与跟踪之后，利用CL码和CM码之间的相位联系捕获到CL码。

由于本方法能有效地减少L2C信号的多普勒频移和码相位的搜索范围，所以实现软件接收机中L1、L2C信号的快速精确捕获。

附图说明

图1是根据本发明的一个优选实施例的GPS的L1、L2C信号的捕获方法的流程图；

图2是图1中优化的CM码的捕获搜索示意图；

图3是图1中CM序列相关的分段FFT计算原理示意图；

图4图1中CM和CL码的相位联系示意图。

具体实施方式

这种GPS的L1、L2C信号的捕获方法，包括以下步骤：

（1）对L1的C/A码信号进行捕获；

（2）根据L1信号的捕获结果获得用于L2C信号捕获的辅助信息；

（3）完成对L2C的CM码的捕获；

（4）利用CL码和CM码之间的相位联系捕获到CL码。

优选地，步骤（3）在小范围内对L2C信号的码相位进行搜索。

优选地，在步骤（3）中利用快速傅里叶变换FFT和快速傅里叶逆变换IFFT来减少计算的数量，并且把连续积分截断成更短的部分进行连续积分。

优选地，在步骤（4）中，通过存储相对于CL码中的所有75个相位间隔的75个CL码的初始状态，然后在这些相位间隔中搜索，从而获到CL码信号。

或者是，这种GPS的L1、L2C信号的捕获方法，包括以下步骤：

（1）对L1信号进行C/A码的捕获：如果有信号则计算出L1的载波多普勒频移和C/A码的初始相位n；若没捕获到则转入弱信号捕获，对L1信号进行高灵敏度捕获，得到L1的载波多普勒频移f_{carrier_L1}和C/A码的初始相位n，否则执行步骤（5）；

（2）根据公式（1）、（2）计算用于L2C信号捕获的辅助信息：

$f_{\mathrm{doppler}\_L2}=\frac{f_{\mathrm{carrier}\_L2}\left(\frac{\text{\Δv}}{c\±v_s}\right)}{f_{\mathrm{carrier}\_L1}\left(\frac{\mathrm{\Δv}}{c\±v_s}\right)}\·f_{\mathrm{doppler}\_L1}---\left(1\right)$

$=\frac{f_{\mathrm{carrier}\_L2}}{f_{\mathrm{carrier}\_L1}}\·f_{\mathrm{doppler}\_L1}$

ω_d(L2/L1)＝2πf_{doppler_L2}          （2）

其中Δv是卫星与接收机的相对运动速度，v_s是卫星的运动速度，c为光速，f_{carrier_L1}和f_{carrier_L2}分别为L1和L2C信号的载波多普勒频移，ω_d(L2/L1)为L2C信号的载波频率；

（3）根据公式（3）-（8）计算L2C信号的CM码信号的捕获：

${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\mathrm{CM}(t_k-{\hat{t}}_s)---\left(3\right)$

$\×\cos \left[({\mathrm{\ω}}_{L2\_\mathrm{IF}}-{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})t_k\right]$

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=-\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\mathrm{CM}(t_k-{\hat{t}}_s)---\left(4\right)$

$\×\sin \left[({\mathrm{\ω}}_{L2\_\mathrm{IF}}-{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})t_k\right]$

$I_{\mathrm{CM}\left(m\right)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\underset{l=0}{\overset{l_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})---\left(5\right)$

$Q_{\mathrm{CM}\left(m\right)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\underset{l=0}{\overset{l_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})---\left(5\right)$

${\mathrm{\ΔZ}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})$

${=\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})+\mathrm{j\Δ}{Q}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})$

$=\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\mathrm{CM}(t_k-{\hat{t}}_s)\exp [-({\mathrm{\ω}}_{L2\_\mathrm{IF}}-{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})t_k]---\left(7\right)$

$=\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}{y}_k{x}_k}}$

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{CM}}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\left|{\mathrm{\ΔZ}}_{\mathrm{CM}\left(m\right)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})\right|\\ =\sqrt{I_{\mathrm{CM}\left(m\right)}^2({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})+Q_{\mathrm{CM}\left(m\right)}^2({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})}\end{array}---\left(8\right)$

其中，P_CM代表捕获的判决函数，I_CM(m)和Q_CM(m)分别是第m个相干积分段的同相和正交积分。

和ω_d(L2/L1)分别是为码初始相位和L2C CM信号的载波频率，ΔZ_CM(m)是相关输出函数的值；

（4）在完成CM码的捕获与跟踪之后，利用CL码和CM码之间的相位联系捕获到CL码。

在图1中，显示了L1辅助L2C捕获算法运用的整个过程，总共包括L1C/A码信号捕获、根据L1信号的捕获结果获得用于L2C信号捕获的辅助信息、L2C CM码信号的捕获、L2C CL码信号的捕获四个步骤。

在图2中，经过对CM码初始相位进行一维搜索，可以计算出L2C信号的准确码相位。但因为L1和L2C信号之间的码相位关系，我们只需要在很小的范围内对L2C信号的码相位进行搜索，即对CM码的捕获搜索进行优化。

在图3中，在对L2C CM码信号的捕获时，因为需要在多个码初始相位上进行计算，FFT和IFFT被用来减少计算的数量，但为了限制计算中FFT的长度，可以把连续积分截断成更短的部分进行连续积分。

在图4中，完成CM码的捕获与跟踪之后，因为每个周期的CL码正好包含75个周期的CM码，所以可以通过存储相对于CL码中的所有75个相位间隔的75个CL码的初始状态，然后L2C接收机通过在这些相位间隔中搜索，这样就能很快地捕获到CL码信号。

由于本方法能有效地减少L2C信号的多普勒频移和码相位的搜索范围，所以实现软件接收机中L1、L2C信号的快速精确捕获。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种GPS的L1、L2C信号的捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对L1的C/A码信号进行捕获；

（2）根据L1信号的捕获结果获得用于L2C信号捕获的辅助信息；

（3）完成对L2C的CM码的捕获；

（4）利用CL码和CM码之间的相位联系捕获到CL码。

2.根据权利要求1所述的GPS的L1、L2C信号的捕获方法，其特征在于，步骤（3）在小范围内对L2C信号的码相位进行搜索。

3.根据权利要求2所述的GPS的L1、L2C信号的捕获方法，其特征在于，在步骤（3）中利用快速傅里叶变换FFT和快速傅里叶逆变换IFFT来减少计算的数量，并且把连续积分截断成更短的部分进行连续积分。

4.根据权利要求3所述的GPS的L1、L2C信号的捕获方法，其特征在于，在步骤（4）中，通过存储相对于CL码中的所有75个相位间隔的75个CL码的初始状态，然后在这些相位间隔中搜索，从而获到CL码信号。

5.一种GPS的L1、L2C信号的捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对L1信号进行C/A码的捕获：如果有信号则计算出L1的载波多普勒频移和C/A码的初始相位n；若没捕获到则转入弱信号捕获，对L1信号进行高灵敏度捕获，得到L1的载波多普勒频移f_{carrier_L1}和C/A码的初始相位n，否则执行步骤（5）；

（2）根据公式（1）、（2）计算用于L2C信号捕获的辅助信息：

$f_{\mathrm{doppler}\_L2}=\frac{f_{\mathrm{carrier}\_L2}\left(\frac{\text{\Δv}}{c\±v_s}\right)}{f_{\mathrm{carrier}\_L1}\left(\frac{\mathrm{\Δv}}{c\±v_s}\right)}\·f_{\mathrm{doppler}\_L1}---\left(1\right)$

$=\frac{f_{\mathrm{carrier}\_L2}}{f_{\mathrm{carrier}\_L1}}\·f_{\mathrm{doppler}\_L1}$

ω_d(L2/L1)＝2πf_{doppler_L2}          （2）

其中Δv是卫星与接收机的相对运动速度，v_s是卫星的运动速度，c为光速，f_{carrier_L1}和f_{carrier_L2}分别为L1和L2C信号的载波多普勒频移，ω_d(L2/L1)为L2C信号的载波频率；

（3）根据公式（3）-（8）计算L2C信号的CM码信号的捕获：

${\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\mathrm{CM}(t_k-{\hat{t}}_s)---\left(3\right)$

$\×\cos \left[({\mathrm{\ω}}_{L2\_\mathrm{IF}}-{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})t_k\right]$

${\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=-\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\mathrm{CM}(t_k-{\hat{t}}_s)---\left(4\right)$

$\×\sin \left[({\mathrm{\ω}}_{L2\_\mathrm{IF}}-{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})t_k\right]$

$I_{\mathrm{CM}\left(m\right)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\underset{l=0}{\overset{l_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})---\left(5\right)$

$Q_{\mathrm{CM}\left(m\right)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\underset{l=0}{\overset{l_a-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\ΔQ}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})---\left(5\right)$

${\mathrm{\ΔZ}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})$

${=\mathrm{\ΔI}}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})+\mathrm{j\Δ}{Q}_{\mathrm{CM}(m,l)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})$

$=\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}}}{y}_k\mathrm{CM}(t_k-{\hat{t}}_s)\exp [-({\mathrm{\ω}}_{L2\_\mathrm{IF}}-{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})t_k]---\left(7\right)$

$=\underset{k={\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1}{\overset{{\mathrm{mn}}_{\∞h}+L1+L-1}{\mathrm{\Σ}{y}_k{x}_k}}$

$\begin{array}{c}{P}_{\mathrm{CM}}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})=\left|{\mathrm{\ΔZ}}_{\mathrm{CM}\left(m\right)}({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})\right|\\ =\sqrt{I_{\mathrm{CM}\left(m\right)}^2({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})+Q_{\mathrm{CM}\left(m\right)}^2({\hat{t}}_s,{\mathrm{\ω}}_{d(L2/L1)})}\end{array}---\left(8\right)$

其中，P_CM代表捕获的判决函数，I_CM(m)和Q_CM(m)分别是第m个相干积分段的同相和正交积分。

和ω_d(L2/L1)分别是为码初始相位和L2C CM信号的载波频率，ΔZ_CM(m)是相关输出函数的值；

（4）在完成CM码的捕获与跟踪之后，利用CL码和CM码之间的相位联系捕获到CL码。

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