CN104714241A - 一种快速gps位同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种快速GPS位同步方法，首先实现输入信号与本地同频载波信号的混频，然后进行去载波后的信号与本地伪随机码的相干积分，计算第k-1次积分值与第k次积分值的点积差分，利用点积差分输出结果的特有性质来判断数据位的翻转点，实现位同步，最后根据统计时间内的数据跳变点的直方图统计结果确认位同步点。本发明能干缩短定位等待时间，提高位同步点的判定概率，算法成熟稳定且易于实现。

Description

一种快速GPS位同步方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，是一种适用于GPS卫星信号位同步的快速方法。。

背景技术

在现代导航应用过程中，卫星导航接收机已经成为多种设备中的重要组成部分，在某些设备应用过程中，由于该设备运行时间短，接收机的快速定位能力就成为了判定该设备性能好坏的关键因素。GPS卫星导航接收机在捕获、跟踪接收信号后，接着要对信号进行位同步和帧同步，从而从接收信号那里获得信号发射时间和导航电文，并最终实现GPS定位。其中，位同步是实现定位功能的关键一环，缩短位同步时间可以有效的缩短接收机首次定位时间。

传统的位同步方法有过零检测法、累计寻求极值法等。同相支路输出I(k)是一个C/A码周期的相关值，即1ms的输出，正交相支路输出Q(k)主要是噪声。过零检测法就是求出相邻毫秒同相支路输出之间的差值，如果差值超过一定的门限，就表示有数据翻转。累计寻求极值法是求出连续20ms的同相支路的能量之和，依次滑动20个1ms，然后寻求这些能量之和的最大值，该最大值对应的起点就是位开始的的位置。它们的特点是：算法的输入量多采用跟踪环路中同相支路的输出。传统位同步方法的这一输入量决定了其开始进行位同步的时间是在接收机稳定进入跟踪状态之后，这样就增加了位同步的等待时间，从而延长了定位时间。另外由于强弱信号产生的幅度不同以及噪声的影响，有可能会导致数据位翻转点判定错误，进一步延长了接收机定位时间。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种快速实现GPS位同步的方法，该方法算法简单，易于实现，能较快的实现GPS位同步。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

步骤一，输入卫星信号S_i(t)与本地同频的正弦载波信号S_oI(t)和余弦载波信号S_oQ(t)分别进行混频，得到去载波后同相支路的信号S_I(t)＝S_i(t)S_oI(t)和去载波后的正交相支路信号S_Q(t)＝S_i(t)S_oQ(t)；

步骤二，分别对S_I(t)和S_Q(t)进行相关运算，得到第k次同相支路积分输出 $I\left(k\right)={\∫}_{(k-1)T}^{\mathrm{kT}}{S}_I\left(t\right)\×C(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$ 和第k次正交相支路积分输出 $Q\left(k\right)={\∫}_{(k-1)T}^{\mathrm{kT}}{S}_Q\left(t\right)\×C(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt},$ 其中，C(t-τ)是本地伪随机码，τ为输入卫星信号伪随机码与本地伪随机码之间的相位差，T为积分器积分时间，时长为伪码周期的整数倍；

步骤三，求出第k-1次积分值I(k-1)、Q(k-1)与第k次积分值I(k)、Q(k)的点积差分I(k)I(k-1)+Q(k)Q(k-1)；

步骤四，将点积差分换算为 $2P\×\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\π}{f}_{d}T\right)}{4{\mathrm{\π}}^2{f}_d^2}\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{d}T\right)\×[1-2\mathrm{\δ}(K-{K-}_b)],$ 其中，p为信号能量，f_d为输入信号与载波发生器频差，K＝K_b处即为翻转点，将翻转点作为位同步点；

步骤五，在统计时间T_bs内，载波环每间隔一个相干积分时间作为一个计数点，该计数点输出一个值为0或1的当前数据比特估计值，首先将载波环所输出的计数点用1～20循环编号，其中首个编号为1的计数点的位置任意选定，然后逐个统计相邻两个计数点之间的数据跳变情况，直到下面情况之一发生：

a.两个计数点的计数超过了设定的第一门限N₁；

b.一个计数点的计数超过了设定的第二门限N₂；

如果情况a发生，则位同步失败，重复步骤五，重新启动位同步；如果情况b发生，则确认位同步成功，该点即为位同步点；

如果统计时间T_bs内，以上两种情况都没有发生，那么从本步骤计算后的下一个计数点开始，重新执行步骤五；若载波环在尚未实现位同步之前出现对信号的失锁，则从失锁的计数点开始，重新执行步骤五。

本发明的有益效果是：本发明的步骤三采用点积差分的方法，无需在接收机稳定进入跟踪状态之后才开始进行位同步，而是在信号捕获后的频率修正阶段或者是在信号跟踪状态内完成位同步，有效缩短定位等待时间。本发明的步骤五采用直方图法可以提高位同步点的判定概率。本发明的算法基于点积差分算法和直方图算法，算法成熟稳定且易于实现。

附图说明

图1是GPS接收相关运算方框图；

图2是脉冲函数特性示意图；

图3是[1-2δ(k-k_b)]特性示意图；

图4是成功的位同步直方图。

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，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供的GPS位同步方法基于点积差分算法和直方图算法。算法步骤如下：

步骤一：实现输入信号与本地同频载波信号的混频。

输入卫星信号S_i(t)与本地同频的正弦载波信号S_oI(t)和余弦载波信号S_oQ(t)分别进行混频，得到去载波后同相支路的信号S_I(t)＝S_i(t)S_oI(t)和去载波后的正交相支路信号S_Q(t)＝S_i(t)S_oQ(t)。

步骤二：实现去载波后的信号与本地伪随机码的相干积分。

相关器分别对S_I(t)与C(t-τ)，S_Q(t)与C(t-τ)进行相关运算得到如下相关结果：

$I\left(k\right)={\∫}_{(k-1)T}^{\mathrm{kT}}{S}_I\left(t\right)\×C(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}---\left(1\right)$

$Q\left(k\right)={\∫}_{(k-1)T}^{\mathrm{kT}}{S}_Q\left(t\right)\×C(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}---\left(2\right)$

其中，C(t-τ)是本地伪随机码，τ为输入卫星信号伪随机码与本地伪随机码之间的相位差，T为积分器积分时间，时长为伪码周期的整数倍，I(k)是第k次同相支路积分输出，Q(k)是第k次正交相支路积分输出。

步骤三：实现第k-1次积分值与第k次积分值的点积差分运算。

第K-1次积分值I(k-1)和Q(k-1)，以及第k次积分值I(k)和Q(k)，根据公式(3)求出点积差分。

I(k)I(k-1)+Q(k)Q(k-1)  (3)

点积差分在载波环处于相位锁定状态时就可以使用，且运算量小。

步骤四：利用点积差分输出结果的特有性质来判断数据位的翻转点，实现位同步。

点积差分结果输出(3)式经带入换算后得到以下(4)式

$2P\×\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\π}{f}_{d}T\right)}{4{\mathrm{\π}}^2{f}_d^2}\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{d}T\right)\×[1-2\mathrm{\δ}(K-{K-}_b)]---\left(4\right)$

p为信号能量，f_d为输入信号与载波发生器频差，K＝K_b处即为翻转点，将翻转点作为位同步点；

上式中，在频率修正或信号跟踪过程中，cos(2πf_dT)的值或正或负，不会出现单位脉冲那样的跳变，因此的信号是连续的，而[1-2δ(K-K_b)]特性与单位脉冲类似，在K＝K_b处会出现值为-1的数据跳变，根据此特性就可以判断数据位的翻转点，实现位同步。

步骤五：统计T_bs秒时间内的数据跳变点的直方图，根据直方图统计结果确认位同步点。

在实际的位同步过程中，由于受噪声的影响，单独一次的判断可能会造成误判，因此本发明采用直方图法来降低错误概率。直方图法是一种基本的位同步方法，在相干积分时间为1ms的情况下，载波环每1ms作为一个计数点，该计数点输出一个值为0或1的当前数据比特估计值。直方图法首先将载波环所输出的计数点用1～20循环编号，其中编号为1的首个计数点是任意选定的，然后逐个统计相邻两个计数点之间的数据跳变情况，直到下面情况之一发生(门限N₁,N₂是统计直方图时预先设置的门限值，该门限值与统计时间T_bs长短有关系。本发明优选统计时间T_bs为1秒，对应的经验值N₁为15，N₂为25)：

a.两个计数点的计数超过了门限N₁；

b.一个计数点的计数超过了门限N₂；

如果a发生，则位同步失败，重复步骤五，重新启动位同步；如果b发生，则确认位同步成功，该点即为位同步点；如果统计时间T_bs内，以上两种情况都没有发生，那么接收机从本步骤计算后的下一个计数点开始，继续对数据流进行逐个检查和统计；若载波环在尚未实现位同步之前出现对信号的失锁，则从失锁的计数点开始，继续对数据流进行逐个检查和统计。

结合图1说明本发明的具体实施方式。

步骤一：实现输入信号与本地同频载波信号的混频。

如图1所示，输入信号

其中，P为信号功率，D(t)为导航数据，C(t)为输入伪随机码，f_i为信号频率，为初相。

载波发生器同相支路输出为载波发生器正交相支路输出为其中，f_o为频率。

则混频后输出同相支路为S_i(t)S_oI(t)，正交支路输出为S_i(t)S_oQ(t)。

步骤二：实现去载波后的信号与本地伪随机码的相干积分。

根据式(1)可得第k次同相支路积分输出为：

$I\left(k\right)={\∫}_{(k-1)T}^{\mathrm{kT}}{S}_i\left(t\right)\×S_{\mathrm{oI}}\left(t\right)\×C(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}---\left(6\right)$

输入信号与载波发生器频差为f_d＝f_i-f_o，本地伪随机码发生器输出为C(t-τ)，τ为输入伪随机码与本地伪随机码之间的相位差，T为积分器积分时间，时长为伪随机码周期的整数倍。假定此时接收机已经完成信号的捕获，实现了码同步，进入了频率修正阶段，则τ≈0。由此第k次同相支路积分输出式(6)可以进行如下换算

同理，第k次正交支路积分输出为

步骤三：实现第k-1次积分值与第k次积分值的点积差分运算。

根据式(3)，可以得到点积差分如式(9)所示：

D(k)为第K个数据位，其值为1或者-1，则D(k)D(k-1)的值为1或者-1，且只在数据位翻转的时候为-1，该性质与脉冲函数类似。由此，若数据位的翻转点为k_b，则式(9)可以写成以下形式

$\begin{array}{c}I\left(k\right)I(k-1)+Q\left(k\right)Q(k-1)\\ =2P\×\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\π}{f}_{d}T\right)}{4{\mathrm{\π}}^2{f_d}^2}\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{d}T\right)\×[1-2]\mathrm{\δ}(k-k_b)\end{array}---\left(10\right)$

步骤四：利用点积差分输出结果的特有性质来判断数据位的翻转点，实现位同步。

分析式(10)，p为信号能量，是一个基本稳定的正值；而f_d＝f_i-f_o，为输入信号与载波发生器频差，当信号捕获成功之后，f_d基本是一个很小的值且变化很小，可见且该值也基本不变；cos(2πf_dT)的值则要么正要么负，也基本不变；由此，式(9)的主要特性就由[1-2δ(k-k_b)]决定。脉冲函数的特性如图2所示，[1-2δ(k-k_b)]的特性如图3所示。

由图3可以看出，该数据一般情况下均为1，只有在数据翻转点为-1，且该翻转点两边值均为1。回头观察式(10)，统计该点积差分的数据符号位，若该数据某点发生符号跳变且该点前后两点的数据符号位一致，则该点即为位同步点。

步骤五：统计T_bs秒时间内数据跳变点的直方图，根据直方图统计结果判定位同步点。

直方图算法的输入量即为点积差分结果中符号跳变点所在位置，对应于点积差分结果的每一个符号跳变，直方图相应格子内的计数便增加一个增量，直到位同步成功。

图4为一次成功完成位同步的带有计数门限的直方图，利用直方图判断位同步的过程为：

选定某个数据比特为起始点，并编号为0；

将载波环所输出的1ms宽数据比特流用0～19循环编号；

初始时，每个格子计数器设定为0；

若载波环所输出的1ms宽数据比特发生了跳变，则在对应的直方图格子中加1；

该过程继续下去直到下面情况之一发生；

a.两个格子的计数超过了门限N₁(本发明优选N₁为15)

b.一个格子的计数超过了门限N₂(本发明优选N₂为25)

如果a发生，则位同步失败，重新启动位同步；如果b发生，则位同步成功，该点位置即为位同步点。

如果在统计时间T_bs秒(本发明优选T_bs为1秒)内，以上两种情况都没有发生，那么接收机对统计过程清零继续对数据流进行逐个检查和统计。若载波环在尚未实现位同步之前出现对信号的失锁，则以上统计过程同样需要清零重启。

经过以上七个步骤可以快速准确实现GPS的位同步。

Claims (1)

1.一种快速GPS位同步方法，其特征在于包括下述步骤：

步骤一，输入卫星信号S_i(t)与本地同频的正弦载波信号S_oI(t)和余弦载波信号S_oQ(t)分别进行混频，得到去载波后同相支路的信号S_I(t)＝S_i(t)S_oI(t)和去载波后的正交相支路信号S_Q(t)＝S_i(t)S_oQ(t)；

步骤二，分别对S_I(t)和S_Q(t)进行相关运算，得到第k次同相支路积分输出 $I\left(k\right)={\∫}_{(k-1)T}^{\mathrm{kT}}{S}_I\left(t\right)\×C(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt}$ 和第k次正交相支路积分输出 $Q\left(k\right)={\∫}_{(k-1)T}^{\mathrm{kT}}{s}_Q\left(t\right)\×C(t-\mathrm{\τ})\mathrm{dt},$ 其中，C(t-τ)是本地伪随机码，τ为输入卫星信号伪随机码与本地伪随机码之间的相位差，T为积分器积分时间，时长为伪码周期的整数倍；

步骤三，求出第k-1次积分值I(k-1)、Q(k-1)与第k次积分值I(k)、Q(k)的点积差分I(k)I(k-1)+Q(k)Q(k-1)；

步骤四，将点积差分换算为 $2P\×\frac{{\sin }^2\left(\mathrm{\π}{f}_{d}T\right)}{4{\mathrm{\π}}^2{f}_d^2}\cos \left(2\mathrm{\π}{f}_{d}T\right)\×[1-2\mathrm{\δ}(K-K_b)],$ 其中，p为信号能量，f_d为输入信号与载波发生器频差，K＝K_b处即为翻转点，将翻转点作为位同步点；

步骤五，在统计时间T_bs内，载波环每间隔一个相干积分时间作为一个计数点，该计数点输出一个值为0或1的当前数据比特估计值，首先将载波环所输出的计数点用1～20循环编号，其中首个编号为1的计数点的位置任意选定，然后逐个统计相邻两个计数点之间的数据跳变情况，直到下面情况之一发生：

a.两个计数点的计数超过了设定的第一门限N₁；

b.一个计数点的计数超过了设定的第二门限N₂；

如果情况a发生，则位同步失败，重复步骤五，重新启动位同步；如果情况b发生，则确认位同步成功，该点即为位同步点；

如果统计时间T_bs内，以上两种情况都没有发生，那么从本步骤计算后的下一个计数点开始，重新执行步骤五；若载波环在尚未实现位同步之前出现对信号的失锁，则从失锁的计数点开始，重新执行步骤五。