CN104076374A

CN104076374A - 一种高速gps接收机信号捕获方法

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Publication number: CN104076374A
Application number: CN201410266654.9A
Authority: CN
Inventors: 李擎; 王超亮; 苏中; 付国栋; 孙晓溪; 刘宁
Original assignee: Beijing Information Science and Technology University
Current assignee: Beijing Information Science and Technology University
Priority date: 2014-06-16
Filing date: 2014-06-16
Publication date: 2014-10-01

Abstract

一种高速GPS接收机信号捕获方法，利用惯性信息和星历信息辅助捕获环路，提前预报下一时刻的多普勒频移，预先估计出GPS信号的频率范围，并在此范围内进行多普勒频率的搜索；对基带的复信号和本地码序列进行FFT运算之前先进行抽取因子为M的抽取处理，然后依据捕获结果对M的值进行迭代处理，直至捕获成功。本发明通过减少FFT的运算点数来降低运算量，同时缩短频率搜索时间，实现对高动态GPS信号的快速捕获。

Description

一种高速GPS接收机信号捕获方法

技术领域

本发明属于卫星导航中信号捕获技术领域，尤其涉及一种高速GPS接收机的信号捕获方法。

背景技术

GPS（Global Position System）是一种可以在全球范围内为用户全天候提供实时、连续、高精度的位置、速度和时间信息的卫星导航系统，其主要终端设备是GPS接收机。GPS信号捕获是GPS接收机的关键技术之一，它直接影响着后续对信号的跟踪和定位数据的解算，决定着接收机的性能。

现有的GPS接收机C/A码捕获方法主要有两种：一种是基于时域的串行搜索捕获法，该方法需做比较多的滑动相关运算，费时而且耗硬件资源，不利于GPS接收机的快速捕获与定位；另一种是基于FFT的并行捕获法，该方法通过利用FFT代替大量的码相关运算来减少运算量，与基于时域的串行搜索捕获法相比，捕获速度相对较快，但是在具体实施过程中，基于FFT的并行捕获法需要进行大量的傅里叶变换运算，也比较费时。

此外，当GPS接收机在高动态环境中运行时，高速度、高加速度以及较大的加加速度都会在一定程度上增大多普勒频移范围和多普勒频移变化率，使得频率的搜索范围大大增加，而且多普勒频移的粗略估计包含在GPS码同步过程中，它直接影响着码偏移。码相位估计和多普勒频移估计是影响检测概率的主要因素，因此，这种情况下不利于GPS信号的快速捕获。

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种高速GPS接收机信号捕获方法，达到快速捕获高动态GPS信号的效果。

发明内容

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

在码域，提出一种基于迭代抽取的FFT码捕获算法，即先对基带的复信号进行迭代循环抽取处理，然后再作FFT运算进行捕获。若捕获成功，则进入信号跟踪过程；若捕获不成功，则通过逐次减小抽取因子M的值为前次的1/2，重新进行码相位的搜索，直至捕获成功为止。FFT的运算点数的减少带来了运算量的降低，从而进一步缩短了码相位的搜索时间。

同时，在频域，辅以从惯性导航解算出的载体的速度、位置数据和从星历信息中解算出的卫星的速度、位置数据，预先估计出GPS信号的频率范围，并在此范围内进行搜索，以通过缩小GPS信号频率搜索范围来缩短搜索的时间。

具体包括以下几个步骤：

（1）首先提取出T时刻的惯性信息以及星历信息，其中惯性信息由INS提供，星历信息可从导航电文中解调。然后根据下式可估算出此时由卫星与载体的相对运动产生的多普勒频移。

（1）

其中，：由卫星自身运动所产生的多普勒频率；：由载体自身运动产生的多普勒频率；：从卫星星历中解算出的的卫星的速度；：载波波长；：INS提供的载体速度；：第j颗卫星到用户连线方向的单位矢量。单位矢量=e1(卫星的位置)-e2(用户的位置)其中矢量e1可以从卫星的星历数据中解算得到，矢量e2可由INS解算得出。

（2）将估算到的多普勒频移引入到本地数控振荡器(NCO)中，使其产生本地载波，从而缩小T+1时刻的频率方向的搜索范围为。

（3）由本地码NCO产生本地码，经（单位：Hz）采样后进入抽取因子为M的抽取器进行抽取处理，即每隔M-1个采样点抽取出一个点，并将这些抽取出的点组成新的序列。

（4）在序列后补零，使其序列中元素个数成为2的整数次幂，然后对序列进行FFT变换，将其转换到频域，值为，并对取共轭为，将其预先存储起来，等待输入信号的到来。

（5）同样以为采样频率对GPS接收机T+1时刻的输入信号进行采样，将采样后的信息与本地信息对应相乘，完成载波的剥离，产生基带的复信号。使用抽取因子为M的抽取器对进行预处理，即每隔M-1个采样点抽取出一个点组成新的序列，之后通过在此序列后面补零，使序列中元素个数同样为2的整数次幂，然后对这些新数据点进行FFT运算，将其转换到频域，值为。

（6）将与点对点相乘，得结果。

（7）对进行IFFT运算，变换到时域为。

（8）取的模值为，并选取最大的与所设门限值进行比较，若大于门限值则捕获成功，读取相应的码相和多普勒频移；若小于门限值，则逐次减小抽取因子M值为，进入下一时刻的搜索捕获，通过M值迭代进行循环抽取，直至捕获成功。

（9）捕获成功后得到的码相对应到基码码相，可以通过以下公式转完成：

（2）

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明对GPS接收机中频数字信号的捕获，首先应用迭代循环抽取的方法对基带的复信号进行预处理，然后将抽取出的点组成一个新的序列进行FFT运算，通过减少FFT的运算点数来减少运算量，不仅可以得到与传统FFT捕获算法相同的码捕获结果，而且大大缩短了码捕获时间。

（2）本发明利用惯性信息和星历信息辅助捕获，通过INS提供的载体自身的速度、位置信息以及从星历数据中解算出的卫星的速度、位置信息，估算出载体相对于卫星在下一时刻的多普勒频移，可以将频率的搜索范围从KHz数量级缩小为Hz数量级，通过缩短频率搜索范围，大大缩短了频率的搜索时间。

（3）本发明不仅能够应用于一般GPS接收机的信号捕获，而且可以提高动态环境下GPS信号的捕获速度，以满足GPS接收机实时性的要求，并能够很好的解决载体在作高机动飞行时的GPS信号捕获问题。

附图说明

图1为本发明的基于迭代循环抽取和惯导辅助的GPS信号捕获方法示意图。

图2为本发明的捕获方法流程图。

图3为应用传统FFT捕获算法捕获PRN=22号卫星二维效果图。

图4为应用传统的FFT捕获算法捕获PRN=22号卫星三维效果图。

图5为应用本发明的高速GPS接收机信号捕获方法捕获PRN=22号卫星的二维效果图。

图6为应用本发明的高速GPS接收机信号捕获方法捕获PRN=22号卫星的三维效果图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明是一种高速GPS接收机信号捕获方法，流程如图1和图2所示，包括以下步骤：

步骤一：确定多普勒频移的搜索范围。

由惯导系统解算出载体在T时刻的速度，由卫星的星历信息解算出卫星的速度，由惯性信息及卫星的星历信息确定第j颗卫星到用户连线方向的单位矢量，根据式（1）确定出在第T+1时刻多普勒频移的搜索范围为。在此范围内进行码相位的搜索。

步骤二：产生本地抽取码，并将本地信号运算结果预先存储起来。

（1）由本地码NCO产生本地码，对本地码进行（单位:Hz）采样，并取1ms数据，其中。

（2）对采样数据进行抽取因子为M的抽取处理，即每隔M-1个采样点抽取出一个点，并将这些抽取出的点组成新的序列，其中

（3）

（4）

（3）在序列后补零，将序列中元素个数凑为2的整数次幂，然后对序列进行FFT运算，并取共轭为。将此结果预先保存在存储器中，为输入信号的到来提前做好准备，以进一步减少捕获时间。

步骤三：输入信号与本地信号相乘，读取捕获结果。

（1）对T+1时刻的输入信号进行采样，取1ms的数据，与本地信号相乘，剥离载波，产生基带的复信号。其中。

（2）使用抽取因子为M的抽取器对进行预处理，即每隔个采样点抽取出一个点作为新的序列，之后在序列后补零，将序列中元素个数凑为2的整数次幂，然后对这些新数据点进行FFT变换，值为。

（3）将与点对点相乘，得结果。然后对进行IFFT运算，变换到时域为。

（4）取的模值为，并选取最大的与所设门限值进行比较，若大于门限值则捕获成功，根据式（2）读取相应的码相和多普勒频移。

（5）若小于门限值，则减小抽取因子M值为，然后同时跳转至步骤一下的第（2）步和步骤二下的第（2）步，进入下一时刻的搜索捕获，循环执行此步骤，直至捕获成功。

实施例1：

为了对比分析传统的FFT捕获算法与改进的算法的捕获效果，首先应用传统的FFT捕获算法对PRN=22号卫星信号进行搜索，其中中频数字信号的信号中心频率是0.42MHz，采样频率为4.092MHz，多普勒频移搜索步长为500Hz。捕获结果见附图3和附图4：码相为2250，根据式（2）得到基码码相为562,多普勒频移为40kHz。

实施例2：

应用改进的捕获算法对PRN=22号卫星信号进行搜索。其中中频数字信号的信号中心频率是0.42MHz，采样频率为4.092MHz，多普勒频移搜索步长为500Hz。

根据步骤一，惯导系统提供的载体在T时刻的速度为6600m/s ，由星历数据提供的PRN=22号卫星在T时刻的速度为929m/s,载波,由公式（1）得=39.5KHz。用驱动本地数控振荡器，将T+1时刻的多普勒频移的搜索范围确定为[39.0KHz,40.5KHz]。

根据步骤二，对本地码进行采样，取1ms数据，则有4092个数据点，抽样因子M取值为4，即每隔三个点取出一个点组成新的序列，其中。通过补一个零对序列进行FFT运算后取共轭。

根据步骤三，对T+1时刻的输入信号进行采样，取1ms数据进行M=4的抽取处理，通过补一个零对抽取到的数据点,进行FFT运算，所得运算值与步骤二的运算值点对点相乘，然后通过IFFT运算和取模值运算得到最终的捕获结果，如附图5和附图6所示：码相为562，多普勒频移为40kHz。

Claims

1.一种高速GPS接收机信号捕获方法，其特征在于：

在频域，利用从惯性导航系统解算出的载体速度、位置数据和从星历信息中解算出的卫星速度、位置数据，预先估计出GPS信号的频率范围，并在此范围内进行搜索，以缩短搜索时间；

在码域，通过基于迭代循环抽取的FFT码捕获算法，即先对基带的复信号进行迭代循环抽取处理，然后再作FFT运算进行捕获；若捕获成功，则进入信号跟踪过程；若捕获不成功，则通过逐次减小抽取因子M的值为前次的1/2，重新进行码相位的搜索，直至捕获成功为止；FFT运算点数的减少进一步缩短码相位的搜索时间；

所述高速GPS接收机信号捕获方法包括以下步骤：

（1）提取出T时刻的惯性信息以及星历信息，其中惯性信息由INS提供，星历信息可从导航电文中解调，然后根据下式估算此时由卫星与载体的相对运动产生的多普勒频移；

其中，：由卫星自身运动所产生的多普勒频率；：由载体自身运动产生的多普勒频率；：从卫星星历中解算出的的卫星自身的速度；：载波波长；：INS提供的载体速度；：第j颗卫星到用户连线方向的单位矢量；单位矢量，其中，矢量e1为卫星的位置，可从卫星的星历数据中解算得到；矢量e2为用户的位置，可由INS解算得出；

（2）将估算到的多普勒频移引入到本地数控振荡器中，使其产生本地载波，将T+1时刻频率方向的搜索范围缩小为；

（3）由本地数控振荡器产生本地码，经采样后进入抽取因子为M的抽取器进行抽取处理，即每隔M-1个采样点抽取出一个点，并将这些抽取出的点组成新的序列；

（4）在序列后补零，使其序列中元素个数成为2的整数次幂，然后对序列进行FFT变换，将其转换到频域，值为，并对取共轭为，将其预先存储起来，等待输入信号；

（5）以为采样频率对GPS接收机T+1时刻的输入信号进行采样，将采样后的信息与本地信息对应相乘，完成载波的剥离，产生基带的复信号；使用抽取因子为M的抽取器对进行预处理，即每隔M-1个采样点抽取出一个点组成新的序列，在此序列后面补零，使序列中元素个数为2的整数次幂，然后对新数据点进行FFT运算，将其转换到频域，值为；

（6）将与点对点相乘，得结果；

（7）对进行IFFT运算，变换到时域为；

（8）取的模值为，并选取最大的与所设门限值进行比较，若大于门限值则捕获成功，读取相应的码相和多普勒频移；若小于门限值，则逐次减小抽取因子M值为，进入下一时刻的搜索捕获，直至捕获成功；

（9）捕获成功后得到的码相对应到基码码相，可以通过以下公式转换完成：

。

2.根据权利要求1所述的一种高速GPS接收机信号捕获方法，其特征在于：多普勒频移的搜索范围为[39000,40500]，单位Hz，搜索步长为500Hz。

3.根据权利要求1所述的一种高速GPS接收机信号捕获方法，其特征在于：所述抽取因子M的取值为，其中为信号采样频率。

4.根据权利要求3所述的一种高速GPS接收机信号捕获方法，其特征在于：在捕获不成功时，抽取因子M逐次减小为上次取值的1/2，通过迭代进行循环抽取，直至捕获成功。