CN103592663B - 一种gps l2c信号cl码的捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种GPS？L2C信号CL码的捕获方法，所述方法对低信噪比的GPS？L2C信号进行粗捕获，粗捕获过程采用了时频域双折叠技术，压缩数据长度，再通过FFT循环相关运算，以及阈值检测，得到同步伪码相位所在的折叠区间；精捕获过程采用了FFT循环相关及阈值检测，获得准确的伪码相位，完成整个捕获。本发明方法通过折叠，将码长较长的CL码缩短，使得单次FFT运算的点数大大减少；同时，相干积分时间增加，提升了精度；通过双折叠，并将捕获分为了粗捕获和精捕获两部分，取得了减少检测时间与提升检测精度两者上的折中，具有较高的实用价值。

Description

一种GPS L2C信号CL码的捕获方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其是涉及一种GPSL2C信号CL码的捕获方法。

背景技术

当今时代，GPS（GlobalPositionSystem，全球定位系统）的应用范围已经渗透到测绘、通信、军事、航天、电力、遥感等多个领域，而各行各业对于其应用也有着更高的要求。GPS信号包括不同的频率段，其中最常使用的是L1频率段所包含的C/A民用码。而民用L1信号应用越来越多的受到条件限制，如在信号较弱，干扰噪声较强的低信噪比条件下信号接收机难以捕获、跟踪到信号。而低信噪比环境是人类活动不可避免的主要环境之一，如室内定位、城市及隧道环境下的车辆导航以及航天器深空探测领域等。

随着第一颗GPSIIR-M卫星于2005年9月26日入轨运行,GPSIIR-M卫星提供了一个新的频段L2频段,其中的民用信号L2C信号采用了特殊的民用中等长度码即CM码和民用长码即CL码，进行时分复用，相比传统的C/A码，L2C码码长更长，使信号间的互相关值更小，进而信号间的干扰也更小，也使得长时间的相干积分成为可能，在低信噪比环境中更具优势，使得L2C信号能够实现在室内、林荫路、隧道等微弱信号条件下的应用。到目前为止已经有8颗现代化卫星开始发射L2C试验信号，官方预计在2016年GPSL2C信号将能够实现24星全星座运行。

但是对于L2C信号的捕获存在以下问题：首先若仍采用原来L1C/A码的捕获方法进行捕获，其精度及计算时间都是现在的硬件条件无法满足的。其次，目前国内外公开的方案较少且存在不同的问题，其中主要方案有首先捕获CM码进而对CL码捕获进行辅助捕获，然而该方案一旦在低信噪比条件下，CM码捕获将更加难以完成；还有一种扩展折叠复制码捕获技术用于CL码的捕获，该方案在不需要CM码辅助的情况下，可以利用FFT实现CL码的快速直接捕获，节约了时间，但使得噪声和互相关干扰增加了，使得信号的灵敏度大大降低。因此需要一种快速、高灵敏度的方案对CL码进行直接捕获。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足,本发明提出了一种GPSL2C信号CL码的捕获方法。所述方法兼顾了计算时间和捕获灵敏度，实现快速、高精度的对CL码进行直接捕获。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种GPSL2C信号CL码的捕获方法，包括如下步骤：

步骤A，信号处理，以得到时域和频域两路折叠信号；具体过程如下：

步骤A-1，对接收到的L2C信号进行数据采样，采样数目为KN个，之后将KN个采样分为K块，每块为N×1的向量，再将所述K个N×1的向量叠加，得到具有N个数据点的折叠频域信号

步骤A-2，通过本地伪码发生器产生本地伪码序列，采样本地伪码序列，每次采样MN个点，并分成M块，每块为N×1的向量，再将所述M个N×1的向量叠加，得到具有N个数据点的折叠时域信号

步骤B，粗捕获CL码信号，对步骤A中得到的时域及频域的折叠信号进行FFT并行捕获，找出相位同步的本地伪码采样；具体过程如下：

步骤B-1，将步骤A中的时域和频域两路折叠信号分别进行FFT循环相关运算：

对折叠的频域信号进行FFT运算，并对FFT运算结果取复共轭得到

对折叠的时域信号进行FFT运算得到

步骤B-2，将与的乘积进行IFFT运算，得到频域信号与时域信号粗捕获相关结果 $C=<\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&RightArrow;}{s}},\stackrel{\&OverBar;}{\stackrel{\&RightArrow;}{r}}>;$

步骤B-3，对步骤B-2所得频域与时域信号的粗捕获相关结果C进行平方检测，如果有超出阈值的尖峰值，则认为捕获成功，记录此时对应的时域折叠信号；否则舍弃前（M-K）N个本地伪码采样，再补充（M-K）N个本地伪码采样，对新的MN个本地伪码采样返回步骤A-2，继续执行；

步骤C，精捕获CL码信号，通过粗捕获得到的本地伪码折叠信号序列得到较为精确的同步的本地伪码相位，其过程如下：

步骤C-1，对于粗捕获得到的本地伪码折叠信号，其对应的原始未折叠的信号即为MN个采样的信号，以及输入信号的KN个采样，对所述两路采样进行FFT循环相关运算：

取本地伪码的N个采样r_i，进行FFT运算得到R_i；

取N/2个输入信号采样，再后面添加N/2个0，扩展到长度为N的序列s_i，进行FFT运算并取复共轭得到

将与R_i相乘，然后进行IFFT运算，得出精捕获相关结果C_i=<r_i,s_i>，精捕获相关结果中前N/2个数据进行平方检测，得出相关结果C_i的幅值；

步骤C-2，移动N/2个本地伪码采样，重复步骤C-1直到对MN个本地伪码采样全部完成检测；

步骤C-3，对步骤C-1每一次执行获得平方检测的幅值，找出其中的最大值，则运算得出该最大值所对应的本地伪码采样即为精捕获结果。

步骤A中，所述M、K的取值，满足M>10K。

步骤B中，所述FFT循环相关运算，每次运算点数为N个，即折叠的时域信号与频域信号全部的点数。

步骤B中，所述的阈值，使用唐搜索检测器获得。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种GPSL2C信号CL码的捕获方法，所述方法对低信噪比的GPSL2C信号进行粗捕获，粗捕获过程采用了时频域双折叠技术，压缩数据长度，再通过FFT循环相关运算，以及阈值检测，得到同步伪码相位所在的折叠区间；精捕获过程采用了FFT循环相关及阈值检测，获得准确的伪码相位，完成整个捕获。本发明方法通过折叠，将码长较长的CL码缩短，使得单次FFT运算的点数大大减少；同时，相干积分时间增加，提升了精度；通过双折叠，并将捕获分为了粗捕获和精捕获两部分，取得了减少检测时间与提升检测精度两者上的折中，具有较高的实用价值。

附图说明

图1是CL码粗捕获示意图。

图2是折叠方式的示意图。

图3是CL码精捕获示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明提出的一种GPSL2C信号CL码的捕获方法进行详细说明：

一种GPSL2C信号CL码的捕获方法，分为粗捕获及精捕获部分，其中粗捕获用于获得同步相位所在的大致区间，精捕获得出较为精确的同步相位。

如图1所示为粗捕获的流程图，步骤如下：

粗捕获第一步，信号的输入及采样。频域信号采用L2C信号模拟器产生的数字中频信号，用来模拟实际卫星信号。由于GPS现代化卫星并未实现全网运行，因此方案实施采取了使用信号模拟器产生仿真输入信号的方式进行。对数字中频信号取采样点数为KN个。使用本地伪码发生器产生本地伪码序列，用于相位同步的检测。对本地伪码信号的采样点数为MN个。其中对于M、K的选取，应取M>10K。

粗捕获第二步，对时域频域信号的折叠。如图2所示是折叠方式的示意图，附图以K=3，M=9为例，图中K、M取值为方便描绘，实际选取中M>10K。对频域信号的折叠方式如下：首先将数字中频信号分块为K块，每块均为N×1向量，即每一个分块包含N个采样。每一块又可以分为正交和同相两路成分，即：

${\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_k={\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_{I,k}+j{\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_{Q,k}$

其中， ${\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_{I,k}={[s_{I,\mathrm{kN}},s_{I,\mathrm{kN}+1},...,s_{I,\mathrm{kN}+N-1}]}^T,$ 是同相成分，

${\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_{Q,k}={[s_{Q,\mathrm{kN}},s_{Q,\mathrm{kN}+1},...,s_{Q,\mathrm{kN}+N-1}]}^T,$ 是正交成分，

k表示序号，k=0,1,2,…,K-1，I表示同相，Q表示正交。

再将分块的数字中频信号采样折叠成为其中折叠运算为 ${\stackrel{\stackrel{\&OverBar;}{\&RightArrow;}}{s}}_Q=B_Q{\stackrel{\&RightArrow;}{I}}_{K\&times;1},B_I=[{\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_{I,o},{\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_{I,1},...,{\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_{I,K-1}],B_Q=[{\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_{Q,o},{\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_{Q,1},...,{\stackrel{\&RightArrow;}{s}}_{Q,K-1}],{\stackrel{\&RightArrow;}{I}}_{K\&times;1}$ 是求和向量。这样，就将中频信号的KN个采样点的折叠为N个。

类似的，对本地伪码采样折叠方式如下：首先将本地伪码采样分块为M块，每块均为N×1向量，即每一个分块包含N个采样。得到：

${\stackrel{\&RightArrow;}{r}}_m={[c_{mN},c_{\mathrm{mN}+1},...,c_{\mathrm{mN}+N-1}]}^T$

其中m表示分块的序号，m=0,1,2,…,M-1。

再将本地伪码采样折叠成其中 $B_r=[{\stackrel{\&RightArrow;}{r}}_0,{\stackrel{\&RightArrow;}{r}}_1,...,{\stackrel{\&RightArrow;}{r}}_{M-1}].{\stackrel{\&RightArrow;}{l}}_{M\&times;1}$ 是求和向量。这样，就将本地伪码的MN个采样点折叠为N个。

粗捕获第三步，FFT循环相关运算及阈值检测。对所述折叠后的时域频域两路信号与进行FFT相关运算，折叠后两路信号均为N点，则每次相关运算点数为N。相关运算方式如下：首先对折叠的数字中频信号进行FFT运算并取复共轭得到对折叠的本地伪码信号进行FFT运算得到再对与两者乘积进行IFFT，即得到了两者的相关运算结果C可以分为同相项的相关结果和正交项的相关结果平方检测即检测值，然后对于平方检测的结果中出现的峰值与阈值进行大小比较。其中阈值的获取采用唐搜索检测器获取。超出阈值认为捕获成功，否则舍去前(M-K)N个本地伪码相位采样，重新添加(M-K)N个本地伪码相位采样构成新的MN个采样，不改变频域信号采样，重复对新得到的时域信号的折叠及FFT相关运算及阈值检测，直到出现超过阈值的检测结果，并记录超出阈值检测所对应的本地伪码采样。

通过所述的折叠方法，将KN个信号采样以及MN个本地伪码采样均折叠为N个，在一次FFT过程中，能够并行检测（M-K）N个本地伪码相位，而常规非折叠情况只能检测N个本地伪码相位，使得对较长的CL码的捕获中检测相位的时间大大缩短。同时，想干积分的时间增长为非折叠情况的K倍，使得检测的精度有了很大的提升。并且，由于取值M>10K，使得折叠算法整体上起到了缩短时间，提高精度的效果。

粗捕获获得的本地伪码采样，将进一步用于精捕获。附图3是精捕获的流程图。精捕获的频域信号使用的粗捕获信号输入的KN个采样的数字中频信号。时域信号是经过粗捕获获得的本地伪码相位折叠码，取其对应原始未折叠的MN个采样本地伪码。精捕获使用KN个数字中频信号采样以及MN个本地伪码采样，进行FFT相关运算找出同步效果最好的本地伪码采样。所述FFT相关运算方式如下：取N个本地伪码相位采样r_i进行FFT运算得到R_i。取N/2个数字中频信号采样并补上N/2个0构成的N位序列s_i，进行FFT并取复共轭得到之后对R_i与相乘并进行IFFT得到相关结果C_i=<r_i,s_i>。对相关结果中前N/2+1个元素进行平方检测得到幅值并记录。之后移动N/2个本地伪码相位采样，重复FFT循环相关运算，并进行平方检测记录幅值结果。直到对MN个粗捕获得到的本地伪码采样全部完成所述FFT循环相关运算，并进行平方检测，找出其中最大的幅值，其对应的伪码相位为精捕获的结果。

通过精捕获的过程，使得粗捕获获得的范围较大的本地伪码采样进一步精确。所述的粗捕获缩小搜索范围，精捕获进一步确定结果的方法，取得了对于CL码捕获时间缩短、精度提升的有益效果。

Claims (4)

1.一种GPSL2C信号CL码的捕获方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A，信号处理，以得到折叠频域信号和折叠时域信号；具体过程如下：

步骤A-1，对接收到的L2C信号进行数据采样，采样数目为KN个，之后将KN个采样分为K块，每块为N×1的向量，再将所述K个N×1的向量叠加，得到具有N个数据点的折叠频域信号

步骤A-2，通过本地伪码发生器产生本地伪码序列，采样本地伪码序列，每次采样MN个点，并分成M块，每块为N×1的向量，再将所述M个N×1的向量叠加，得到具有N个数据点的折叠时域信号

步骤B，粗捕获CL码信号，对步骤A中得到的折叠频域信号和折叠时域信号进行FFT并行捕获，找出相位同步的本地伪码采样；具体过程如下：

步骤B-1，将步骤A中的折叠频域信号和折叠时域信号分别进行FFT循环相关运算：

对折叠频域信号进行FFT运算，并对FFT运算结果取复共轭得到

对折叠时域信号进行FFT运算得到

步骤B-2，将与的乘积进行IFFT运算，得到频域信号与时域信号粗捕获相关结果

步骤B-3，对步骤B-2所得频域与时域信号的粗捕获相关结果C进行平方检测，如果有超出阈值的尖峰值，则认为捕获成功，记录此时对应的折叠时域信号；否则舍弃前(M-K)N个本地伪码采样，再补充(M-K)N个本地伪码采样，对新的MN个本地伪码采样返回步骤A-2，继续执行；

步骤C，精捕获CL码信号，通过粗捕获得到的折叠时域信号序列得到较为精确的同步的本地伪码相位，其过程如下：

步骤C-1，对于粗捕获得到的折叠时域信号，其对应的原始未折叠的信号即为MN个采样的信号，以及输入信号的KN个采样，对所述两路采样进行FFT循环相关运算：

取本地伪码的N个采样r_i，进行FFT运算得到R_i；

取N/2个输入信号采样，再后面添加N/2个0，扩展到长度为N的序列s_i，进行FFT运算并取复共轭得到

将与R_i相乘，然后进行IFFT运算，得出精捕获相关结果C_i＝<r_i,s_i>，精捕获相关结果中前N/2个数据进行平方检测，得出相关结果C_i的幅值；

步骤C-2，移动N/2个本地伪码采样，重复步骤C-1直到对MN个本地伪码采样全部完成检测；

步骤C-3，对步骤C-1每一次执行获得平方检测的幅值，找出其中的最大值，则运算得出该最大值所对应的本地伪码采样即为精捕获结果。

2.根据权利要求1所述的一种GPSL2C信号CL码的捕获方法，其特征在于，步骤A中，所述M、K的取值，满足M>10K。

3.根据权利要求1所述的一种GPSL2C信号CL码的捕获方法，其特征在于，步骤B中，所述FFT循环相关运算，每次运算点数为N个，即折叠时域信号与折叠频域信号的点数。

4.根据权利要求1所述的一种GPSL2C信号CL码的捕获方法，其特征在于，步骤B中，所述的阈值，使用唐搜索检测器获得。