CN114814900A - 一种码间差分与码并行的gps弱信号捕获方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星导航技术领域，公开了一种码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法及系统，包括数字下变频模块、码合并模块、数据存储模块、多普勒剥离模块、数据折叠模块、逐级匹配相干模块、码间差分模块、多普勒补偿模块、逐级相干模块与逐级非相干模块、峰值判决模块、普勒搜索完成判断模块、多普勒调控模块和结果输出模块。本发明的基于码间差分与码并行的高轨GPS信号捕获方法，为导航接收机提供快捷、高效的捕获算法；采用码间差分算法避免了导航数据跳变对相干积分时长的影响，通过提高相干积分时长提高GPS信号的捕获灵敏度。本发明采用逐级相干与逐级非相干算法，实现了不同强度信号的快速捕获，缩短了导航接收机首次定位时间。

Description

一种码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法及系统

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，尤其涉及一种码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法及系统。

背景技术

目前，随着卫星导航系统的发展，卫星导航从最初的军用领域逐步深入到民用领域的各个方面，隧道、森林、地铁、以及大型建筑物内部或地下车库等室内场所也逐渐成为导航技术应用的重要场所。卫星导航业务的需求快速增长，使得传统地面测控站的压力也越来越大。如果卫星或航天器拥有自主定位定轨的能力，将大大降低卫星测控成本。人们开始探索设计高轨卫星导航接收机为卫星和航天器提供定位导航服务。

传统高轨GPS导航接收机通过码并行算法获得相干积分值之后对数据进行非相干处理，例如“Block Acquisition of Weak GPS Signals in a Software Receiver”中所提到的算法，这种方式受导航数据跳变影响，相干时长受限，以及平方噪声的多次引入导致捕获灵敏度下降。又如专利“基于优化并行码相位搜索的GPS捕获电路”中所示方法，其资源消耗量大、捕获灵敏度低。同时传统GPS导航接收机采用固定捕获时长对高轨环境下的信号进行捕获，这对于高轨环境下的强信号而言，浪费了大量的捕获时间。而采用基于码间差分与码并行的高轨GPS信号捕获方法可以避免导航数据跳变对相干积分时长的影响，提高导航接收机的捕获灵敏度，同时算法中融入了逐级相干与逐级非相干算法，加快了信号的捕获速度，满足了高轨环境下信号的快速捕获和高灵敏度捕获要求。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)传统高轨GPS导航接收机通过码并行算法受导航数据跳变影响，相干时长受限，以及平方噪声的多次引入导致捕获灵敏度下降。

(2)基于优化并行码相位搜索的GPS捕获电路方法的资源消耗量大、捕获灵敏度低。

(3)传统GPS导航接收机采用固定捕获时长对高轨环境下的信号进行捕获，这对于高轨环境下的强信号而言，浪费了大量的捕获时间。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法及系统，尤其涉及一种基于码间差分与码并行的高轨GPS弱信号捕获方法、系统、介质、设备及终端，旨在解决高轨GPS导航接收机高灵敏度捕获和快速捕获卫星信号的问题。

本发明是这样实现的，一种码间差分与码并行的GPS弱信号捕获系统，所述码间差分与码并行的GPS弱信号捕获系统包括：

数字下变频模块，用于将基带数据进行数字下变频，去除数据中的残余载波，获得零中频数据后将数据传输至码合并模块；

码合并模块，用于根据采样速率将零中频数据进行累加合并，获得半码数据，并将数据送入数据存储模块进行存储；

数据存储模块，用于将获得的半码数据进行10毫秒乒乓存储，存储的数据经过读出后送入多普勒剥离模块；

多普勒剥离模块，用于将存储的数据以10毫秒为单元进行多普勒剥离，去除数据中的多普勒频率，并将数据送入数据折叠模块；

数据折叠模块，用于将多普勒剥离后的10毫秒数据按照对应码相位逐次折叠为1毫秒数据块，并将逐次折叠的数据块传输至逐级匹配相干模块；

逐级匹配相干模块，用于将不同折叠次数的数据块进行快速傅立叶变换后，与本地伪码的快速傅立叶的共轭结果进行相乘，再将复乘结果进行快速傅立叶逆变换，得到不同相干时长的相干值，随后将相干值同时送入码间差分模块和峰值判决模块；

码间差分模块，用于将逐级匹配相干模块得到的相干数据进行差分，差分方式采用码间差分法，将相邻码相位中的一个相干值取共轭后与另一个进行复乘，并将差分结果送入多普勒补偿模块；

多普勒补偿模块，用于补偿因多普勒效应产生的码相位偏移，使差分结果码相位互相对齐，随后将数据传送至逐级相干模块与逐级非相干模块；

逐级相干模块与逐级非相干模块，用于将多普勒补偿模块所得的结果对应位置进行K次逐级累加并取模，得到不同信噪比的相干值；对相干累积值取模后再进行L次逐级累加，得到不同捕获时长的相干数据，并将数据传送至峰值判决模块；

峰值判决模块，用于将逐级匹配相干模块、逐级相干模块与逐级非相干模块得到的结果进行峰值检测，判断峰均比是否超过捕获门限；如果峰值超过门限，则将进入到结果输出模块；如果未超过门限，则将进入到多普勒搜索完成判断模块；

普勒搜索完成判断模块，用于在未捕获到当前卫星的情况下判断多普勒频率是否搜索完成，如果搜索完成将进入到结果输出模块，如果未搜索完成将进入到多普勒调控模块；

多普勒调控模块，用于调控当前所要搜索的多普勒频率并传输至多普勒剥离模块；

结果输出模块，用于将捕获得到的多普勒信息、卫星号和码相位传送至跟踪模块。

进一步，所述逐级匹配相干模块通过将不同折叠次数的数据与本地伪码进行码并行相干，得到不同相干时长的码并行搜索结果，包括：

数据选择器，用于选择要进行FFT处理的数据源，捕获刚开始时，数据选择器将数据源选择为本地伪码；当本地伪码处理完成后，数据源选择为折叠数据，将FFT核的数据源进行选择切换，并将选择的数据传送至FFT单元；

FFT单元，用于将不同折叠次数的数据与本地伪码通过傅里叶变换转换至频域，将本地伪码的傅里叶变换值传送至存储单元，将不同折叠次数的数据经过傅里叶变换后传送至复乘单元；

存储单元，用于存储本地伪码的FFT共轭值，在使用时将数据产送至复乘单元；

复乘单元，用于将数据的傅里叶变换值和本地伪码的傅里叶变换值共轭后进行相乘，使用频域相乘代替时域卷积，并将复乘结果传送至IFFT单元；

IFFT单元，用于将复乘结果进行逆傅里叶变换，将相干结果从频域转换到时域，将数据传送至码分模块，并将数据取模后传送至峰值判决模块。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获系统的所述码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法，所述码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法包括以下步骤：

步骤一，利用数字下变频模块将基带数据和本地产生的载波信号进行混频，得到零中频数据，进而将零中频信号进行码合并，得到半码数据；

步骤二，利用数据存储模块将合并后的码片数据进行乒乓存储；利用多普勒剥离模块将存储的码片数据和本地生成的多普勒频率进行混频，去除数据中的多普勒频率，得到零多普勒数据；

步骤三，零多普勒数据通过数据折叠模块进行逐级折叠，得到1毫秒数据块；将1毫秒数据块与本地伪码进行相干，得到不同码相位的相干值；

步骤四，对经过码间差分模块的相干数据进行多普勒补偿，并经过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；

步骤五，通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。

进一步，所述码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法还包括：

数据折叠模块将多普勒剥离后的10毫秒数据按照对应码相位逐次折叠为1毫秒数据块，并将逐次折叠的数据块传输至逐级匹配相干模块；

逐级匹配相干模块将不同折叠次数的数据块进行快速傅立叶变换，与本地伪码的快速傅立叶的共轭结果进行相乘；将复乘结果进行快速傅立叶逆变换，得到不同相干时长的相干值，将相干值同时送入码间差分模块和峰值判决模块；

码间差分模块将逐级匹配相干模块得到的相干数据进行差分，差分方式采用码间差分法，将相邻码相位中的一个相干值取共轭后与另一个进行复乘，并将差分结果送入多普勒补偿模块；

多普勒补偿模块补偿因多普勒效应产生的码相位偏移，使差分结果码相位互相对齐，并将数据传送至逐级相干模块与逐级非相干模块。

进一步，所述码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法还包括：

逐级相干模块与逐级非相干模块将多普勒补偿模块所得的结果对应位置进行K次逐级累加并取模，得到不同信噪比的相干值；对相干累积值取模后再进行L次逐级累加，得到不同捕获时长的相干数据，将数据传送至峰值判决模块；

峰值判决模块将逐级匹配相干模块、逐级相干模块与逐级非相干模块得到的结果进行峰值检测，判断峰均比是否超过捕获门限，如果峰值超过门限，将进入到结果输出模块，如果未超过门限，将进入到多普勒搜索完成判断模块；

普勒搜索完成判断模块在未捕获到当前卫星的情况下判断多普勒频率是否搜索完成，如果搜索完成则进入结果输出模块；如果未搜索完成则进入多普勒调控模块，调控当前所要搜索的多普勒频率并传输至多普勒剥离模块；结果输出模块将捕获得到的多普勒信息、卫星号和码相位传送至跟踪模块。

进一步，所述码间差分模块通过将码并行搜索的相干结果进行差分，差分方式采用码间差分法，在2048个码相位的相干值中将相邻的码相位相干值进行差分，得到2047符号固定的差分结果，并将第一个码相位相干值和第2048个码相位相干值进行差分得到第2048个差分结果。

进一步，所述逐级相干模块与逐级非相干模块通过将多普勒补偿的后相干结果进行逐次相干与逐次非相干；相干次数不同，获得不同相干时长的相干值；不同时长的相干值用于捕获不同强度的信号。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用数字下变频模块将基带数据和本地产生的载波信号进行混频，得到零中频数据；将零中频信号进行码合并，得到半码数据；利用数据存储模块将合并后的码片数据进行乒乓存储；利用多普勒剥离模块将存储的码片数据和本地生成的多普勒频率进行混频，去除数据中的多普勒频率，得到零多普勒数据；

零多普勒数据通过数据折叠模块进行逐级折叠，得到1毫秒数据块；利用逐级匹配相干模块将1毫秒数据块与本地伪码进行相干，得到不同码相位的相干值；利用多普勒补偿模块对经过码间差分模块的相干数据进行多普勒补偿，并经过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；

通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，则将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序；如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。

本发明的另一目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用数字下变频模块将基带数据和本地产生的载波信号进行混频，得到零中频数据；将零中频信号进行码合并，得到半码数据；利用数据存储模块将合并后的码片数据进行乒乓存储；利用多普勒剥离模块将存储的码片数据和本地生成的多普勒频率进行混频，去除数据中的多普勒频率，得到零多普勒数据；

零多普勒数据通过数据折叠模块进行逐级折叠，得到1毫秒数据块；利用逐级匹配相干模块将1毫秒数据块与本地伪码进行相干，得到不同码相位的相干值；利用多普勒补偿模块对经过码间差分模块的相干数据进行多普勒补偿，并经过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；

通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，则将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序；如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，请从以下几方面分析本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明提供的逐级相干模块与逐级非相干模块通过将多普勒补偿的后相干结果进行逐次相干与逐次非相干，相干次数不同可获得不同相干时长的相干值，不同时长的相干值可用于捕获不同强度的信号，同时可以防止较强信号的漏捕，提高信号的捕获概率。

本发明采用码间差分算法避免了导航数据跳变对相干积分时长的影响，通过提高相干积分时长来提高GPS信号的捕获灵敏度。本发明采用逐级相干与逐级非相干算法，实现了不同强度信号的快速捕获，缩短了导航接收机首次定位时间。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明提供的基于码间差分与码并行的高轨GPS信号捕获方法，为导航接收机提供快捷、高效的捕获算法。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

本发明的技术方案填补了国内外业内技术空白：传统导航接收机为避免导航数据跳变对相干积分符号的影响，通常采用非相干累积方式来提高信号捕获灵敏度，但是非相干累积会引入平方噪声，抑制信噪比的提升，导致导航接收机捕获灵敏度受限。而本发明使用码间差分算法避免了导航数据跳变对相干积分符号的影响，通过对差分结果继续进行相干累积来提升信噪比，进而提升GPS信号的捕获灵敏度。同时本发明采用了逐级相干与逐级非相干的方式对不同强度的信号进行捕获，可以大幅缩短捕获时间，使接收机快速完成定位解算。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法流程图；

图2是本发明实施例提供的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获系统结构框图；

图3是本发明实施例提供的逐级匹配相干结构框图；

图4是本发明实施例提供的码间差分结构框图；

图5是本发明实施例提供的当信号强度为-149dBm时捕获结果图；

图6是本发明实施例提供的在-147dBm的信号强度下导航接收机搜索不同多普勒得到的不同码相位相干值结果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

一、解释说明实施例。为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

如图1所示，本发明实施例提供的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法包括以下步骤：

S101，利用数字下变频模块将基带数据和本地产生的载波信号进行混频，得到零中频数据，进而将零中频信号进行码合并，得到半码数据；

S102，利用数据存储模块将合并后的码片数据进行乒乓存储；利用多普勒剥离模块将存储的码片数据和本地生成的多普勒频率进行混频，去除数据中的多普勒频率，得到零多普勒数据；

S103，零多普勒数据通过数据折叠模块进行逐级折叠，得到1毫秒数据块；将1毫秒数据块与本地伪码进行相干，得到不同码相位的相干值；

S104，对经过码间差分模块的相干数据进行多普勒补偿，并经过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；

S105，通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。

如图2所示，本发明实施例提供的种基于码间差分与码并行的高轨GPS信号捕获系统，包括数字下变频模块、码合并模块、数据存储模块、多普勒剥离模块、数据折叠模块、逐级匹配相干模块、码间差分模块、多普勒补偿模块、逐级相干模块与逐级非相干模块、峰值判决模块、普勒搜索完成判断模块、多普勒调控模块和结果输出模块。数字下变频模块是将基带数据和本地产生的载波信号进行混频，实现残余载波信号的剥离，得到零中频数据。码合并模块是将零中频信号通过累加的方式合并为半码数据。数据存储模块是将合并后的码片数据进行存储，为了防止数据出现中断，采用两个RAM对数据进行乒乓存储，每个RAM可存储10毫秒数据。多普勒剥离模块是将存储的码片数据和本地生成的多普勒频率进行混频，去除数据中的多普勒频率，得到零多普勒数据。数据折叠模块是将10毫秒的零多普勒数据进行逐级折叠，得到1毫秒数据块，达到减少计算量和提高信噪比的目的。逐级匹配相干模块是利用FFT和IFFT将数据折叠模块得到逐级折叠数据块与本地伪随机相干得到不同相干时长的相干数据。码间差分模块是将不同码相位的相干数据进行差分，避免导航数据跳变对相干数据符号的影响。多普勒补偿模块是将差分数据进行多普勒补偿，根据多普勒频率对差分数据的码相位进行修正。逐级相干模块与逐级非相干模块是将经过多普勒补偿的数据进行逐次相干与非相干，得到不同捕获时长的相干数据。峰值判决模块是将不同时长的相干数据结果进行判决，找出最佳码相位和最佳多普勒，并通过门限值判断是否捕获到卫星信号。普勒搜索完成判断模块是在当前捕获流程未捕获到卫星信号时，判断当前卫星的多普勒搜索是否完成，如果多普勒频率搜素完成则结束捕获流程，如果多普勒频率未搜索完成，则继续搜索当前卫星的剩余多普勒频率。多普勒调控模块是根据当前要搜索的多普勒范围生成多普勒控制字，并通过多普勒控制字产生相应的多普勒频率。结果输出模块是将捕获结束时所得到的多普勒频率、码相位、相干数据最大值和相干数据均值等信息传送至跟踪模块。

本发明实施例提供的逐级匹配相干模块通过将不同折叠次数的数据与本地伪码进行码并行相干，得到不同相干时长的码并行搜索结果，其包括：数据选择器，用于选择要进行FFT处理的数据源，捕获刚开始时，数据选择器将数据源选择为本地伪码；当本地伪码处理完成后，数据源选择为折叠数据，通过将FFT核的数据源进行选择切换，实现FFT核共用，节省处理器资源，并将选择的数据传送至FFT模块；FFT模块，用于将不同折叠次数的数据与本地伪码通过傅里叶变换转换至频域，将本地伪码的傅里叶变换值传送至存储模块，将不同折叠次数的数据经过傅里叶变换后传送至复乘模块；存储模块，用于存储本地伪码的FFT共轭值，在使用时将数据产送至复乘模块；复乘模块，用于将数据的傅里叶变换值和本地伪码的傅里叶变换值共轭后进行相乘，即使用频域相乘代替时域卷积，并将复乘结果传送至IFFT模块；IFFT模块，用于将复乘结果进行逆傅里叶变换，即将相干结果从频域转换到时域，一方面将数据传送至码分模块，另一方面将数据取模后传送至峰值判决模块。

如图3所示，本发明采用逐级匹配相干的方式，主要利用FFT与IFFT将数据与本地伪码进行匹配相干，实现码并行搜索。当捕获开始时，通过数据选择器选择本地伪码进行FFT操作，并且将本地伪码的FFT值取共轭进行存储，通过数据选择器选取数据源可以达到FFT核共用，节省资源的目的。而不同折叠次数的数据会依次被送入FFT核进行处理，例如，当从10毫秒数据存储RAM中读取出第1毫秒数据时，数据被存入折叠RAM的同时也会被送进FFT核，当第2毫秒的数据被读取出来与第1毫秒的数据完成累加时，同样也会被送入折叠RAM和FFT核，依次类推，会将不同折叠次数的折叠数据进行FFT处理。与此同时，模块会将不同折叠次数的数据FFT值与存储的本地伪码FFT共轭值进行复乘，此时会得到频域相干值，只需将此时的数据进行IFFT变换，便可将相干值转换至时域。这种处理方式在实现码并行搜索的同时会得到不同时长的相干数据，在后续操作中通过对不同时长的相干数据进行峰值检测，便可实现不同强度信号的快速捕获。

本发明实施例提供的逐级相干模块与逐级非相干模块通过将多普勒补偿的后相干结果进行逐次相干与逐次非相干，相干次数不同可获得不同相干时长的相干值，不同时长的相干值可用于捕获不同强度的信号，同时可以防止较强信号的漏捕，提高信号的捕获概率。

如图4所示，采用码间差分方式，主要利用GPS码型结构固定的特性，对不同相位的相干值进行差分，避免导航数据跳变对相干值符号的影响。差分方式采用码间差分法，即在N个码相位的相干值中将相邻的码相位相干值进行差分，得到N-1符号固定的差分结果，最后将第一个码相位相干值和第N个码相位相干值进行差分得到第N个差分结果。经过码间差分法得到的结果符号不受导航数据跳变影响，可以通过再次相干来提高信噪比，实现捕获灵敏度的提升。

码间差分模块通过将码并行搜索的相干结果进行差分，避免导航数据跳变对相干值符号的影响。差分方式采用码间差分法，即在2048个码相位的相干值中将相邻的码相位相干值进行差分，得到2047符号固定的差分结果，最后将第一个码相位相干值和第2048个码相位相干值进行差分得到第2048个差分结果。

二、应用实施例。为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

本发明通过可编程逻辑门阵列(FPGA)搭配DSP实现GPS信号的捕获，首先导航接收机将卫星模拟器发出的信号进行放大处理，并将放大后的信号传送至射频处理板，射频处理板会依次对信号进行二次放大、滤波、下变频处理，同时下变频模块带有自动增益控制功能，以此满足导航接收机对不同强度信号的捕获需求。当射频处理板的信号输出后，模数转换模块会对其进行转换，得到数字信号。

当DSP触发捕获启动信号时，FPGA便会对数据信号进行处理，首先将数字信号和本地产生的中频信号混频，剥离掉数据中残余的中频信号。随后对其进行累积处理，得到码速率为2.048MHz的半码数据，并将半码数据进行存储。存储采用两个深度为20480的RAM进行乒乓存储，保证捕获过程中数据不发生间断。当某一个RAM中数据存满之后对其进行读取，读取出的数据与本地多普勒频率进行复乘，去除数据中的多普勒频率。随后对其进行逐级折叠，并与本地伪码进行相干，相干采用FFT和IFFT在频域实现码并行相干，通过不同折叠次数的数据块和本地码的相干值可以检测不同强度的强信号。在得到相干之后对其进行码间差分，避免导航数据跳变对相干值符号的影响，此时将差分数据进行多普勒补偿后再次进行逐级相干积分，提高信号的信噪比。同时对实时的相干积分数据进行判断，查看是否捕获到卫星信号。当逐级相干达到一定次数之后对其进行少量的非相干，提高GPS信号捕获灵敏度。当捕获时长满足设定的时间之后对最终的相干数据进行峰值检测与判决，实现弱信号捕获的判决。在此过程中，判决模块首先判断单个多普勒频率下不同码相位的相干值，其次通过判断不同多普勒中的最大相干值，得到准确的多普勒频率和码相位。捕获结束时会将所得到的多普勒频率、码相位、相干值最大值和均值传送至跟踪模块。与此同时，DSP通过改变卫星号，并传送至捕获模块来完成对所有卫星的快速捕获。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

三、实施例相关效果的证据。本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合试验过程的数据、图表等进行描述。

为验证本发明的可行性，首先通过采集卡采集卫星信号对其进行仿真验证，当信号强度为-149dBm时，捕获结果如图5所示。

由图5可知，在-149dBm的极限灵敏度下，本发明中的算法依然能够准确的捕获GPS卫星信号。

与此同时，为验证导航接收机的可靠性，将导航接收机连接到卫星信号模拟器，对卫星信号进行实时捕获，并将不同码相位的相干值输出，如图6所示。

图6中所示的是在-147dBm的信号强度下，导航接收机搜索不同多普勒得到的不同码相位相干值结果，从图中可以看出，在该强度下导航接收机依然能够准确的捕获到卫星信号。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种码间差分与码并行的GPS弱信号捕获系统，其特征在于，所述码间差分与码并行的GPS弱信号捕获系统包括：

数字下变频模块，用于将基带数据进行数字下变频，去除数据中的残余载波，获得零中频数据后将数据传输至码合并模块；

码合并模块，用于根据采样速率将零中频数据进行累加合并，获得半码数据，并将数据送入数据存储模块进行存储；

数据存储模块，用于将获得的半码数据进行10毫秒乒乓存储，存储的数据经过读出后送入多普勒剥离模块；

多普勒剥离模块，用于将存储的数据以10毫秒为单元进行多普勒剥离，去除数据中的多普勒频率，并将数据送入数据折叠模块；

数据折叠模块，用于将多普勒剥离后的10毫秒数据按照对应码相位逐次折叠为1毫秒数据块，并将逐次折叠的数据块传输至逐级匹配相干模块；

逐级匹配相干模块，用于将不同折叠次数的数据块进行快速傅立叶变换后，与本地伪码的快速傅立叶的共轭结果进行相乘，再将复乘结果进行快速傅立叶逆变换，得到不同相干时长的相干值，随后将相干值同时送入码间差分模块和峰值判决模块；

码间差分模块，用于将逐级匹配相干模块得到的相干数据进行差分，差分方式采用码间差分法，将相邻码相位中的一个相干值取共轭后与另一个进行复乘，并将差分结果送入多普勒补偿模块；

多普勒补偿模块，用于补偿因多普勒效应产生的码相位偏移，使差分结果码相位互相对齐，随后将数据传送至逐级相干模块与逐级非相干模块；

逐级相干模块与逐级非相干模块，用于将多普勒补偿模块所得的结果对应位置进行K次逐级累加并取模，得到不同信噪比的相干值；对相干累积值取模后再进行L次逐级累加，得到不同捕获时长的相干数据，并将数据传送至峰值判决模块；

峰值判决模块，用于将逐级匹配相干模块、逐级相干模块与逐级非相干模块得到的结果进行峰值检测，判断峰均比是否超过捕获门限；如果峰值超过门限，则将进入到结果输出模块；如果未超过门限，则将进入到多普勒搜索完成判断模块；

普勒搜索完成判断模块，用于在未捕获到当前卫星的情况下判断多普勒频率是否搜索完成，如果搜索完成将进入到结果输出模块，如果未搜索完成将进入到多普勒调控模块；

多普勒调控模块，用于调控当前所要搜索的多普勒频率并传输至多普勒剥离模块；

结果输出模块，用于将捕获得到的多普勒信息、卫星号和码相位传送至跟踪模块。

2.如权利要求1所述的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获系统，其特征在于，所述逐级匹配相干模块通过将不同折叠次数的数据与本地伪码进行码并行相干，得到不同相干时长的码并行搜索结果，包括：

数据选择器，用于选择要进行FFT处理的数据源，捕获刚开始时，数据选择器将数据源选择为本地伪码；当本地伪码处理完成后，数据源选择为折叠数据，将FFT核的数据源进行选择切换，并将选择的数据传送至FFT单元；

FFT单元，用于将不同折叠次数的数据与本地伪码通过傅里叶变换转换至频域，将本地伪码的傅里叶变换值传送至存储单元，将不同折叠次数的数据经过傅里叶变换后传送至复乘单元；

存储单元，用于存储本地伪码的FFT共轭值，在使用时将数据产送至复乘单元；

复乘单元，用于将数据的傅里叶变换值和本地伪码的傅里叶变换值共轭后进行相乘，使用频域相乘代替时域卷积，并将复乘结果传送至IFFT单元；

IFFT单元，用于将复乘结果进行逆傅里叶变换，将相干结果从频域转换到时域，将数据传送至码分模块，并将数据取模后传送至峰值判决模块。

3.一种应用如权利要求1～2任意一项所述的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获系统的所述码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法，其特征在于，所述码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法包括以下步骤：

步骤一，利用数字下变频模块将基带数据和本地产生的载波信号进行混频，得到零中频数据，进而将零中频信号进行码合并，得到半码数据；

步骤二，利用数据存储模块将合并后的码片数据进行乒乓存储；利用多普勒剥离模块将存储的码片数据和本地生成的多普勒频率进行混频，去除数据中的多普勒频率，得到零多普勒数据；

步骤三，零多普勒数据通过数据折叠模块进行逐级折叠，得到1毫秒数据块；将1毫秒数据块与本地伪码进行相干，得到不同码相位的相干值；

步骤四，对经过码间差分模块的相干数据进行多普勒补偿，并经过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；

步骤五，通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序，如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。

4.如权利要求3所述的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法，其特征在于，所述码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法还包括：

数据折叠模块将多普勒剥离后的10毫秒数据按照对应码相位逐次折叠为1毫秒数据块，并将逐次折叠的数据块传输至逐级匹配相干模块；

逐级匹配相干模块将不同折叠次数的数据块进行快速傅立叶变换，与本地伪码的快速傅立叶的共轭结果进行相乘；将复乘结果进行快速傅立叶逆变换，得到不同相干时长的相干值，将相干值同时送入码间差分模块和峰值判决模块；

码间差分模块将逐级匹配相干模块得到的相干数据进行差分，差分方式采用码间差分法，将相邻码相位中的一个相干值取共轭后与另一个进行复乘，并将差分结果送入多普勒补偿模块；

多普勒补偿模块补偿因多普勒效应产生的码相位偏移，使差分结果码相位互相对齐，并将数据传送至逐级相干模块与逐级非相干模块。

5.如权利要求3所述的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法，其特征在于，所述码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法还包括：

逐级相干模块与逐级非相干模块将多普勒补偿模块所得的结果对应位置进行K次逐级累加并取模，得到不同信噪比的相干值；对相干累积值取模后再进行L次逐级累加，得到不同捕获时长的相干数据，将数据传送至峰值判决模块；

峰值判决模块将逐级匹配相干模块、逐级相干模块与逐级非相干模块得到的结果进行峰值检测，判断峰均比是否超过捕获门限，如果峰值超过门限，将进入到结果输出模块，如果未超过门限，将进入到多普勒搜索完成判断模块；

普勒搜索完成判断模块在未捕获到当前卫星的情况下判断多普勒频率是否搜索完成，如果搜索完成则进入结果输出模块；如果未搜索完成则进入多普勒调控模块，调控当前所要搜索的多普勒频率并传输至多普勒剥离模块；结果输出模块将捕获得到的多普勒信息、卫星号和码相位传送至跟踪模块。

6.如权利要求3所述的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法，其特征在于，所述码间差分模块通过将码并行搜索的相干结果进行差分，差分方式采用码间差分法，在2048个码相位的相干值中将相邻的码相位相干值进行差分，得到2047符号固定的差分结果，并将第一个码相位相干值和第2048个码相位相干值进行差分得到第2048个差分结果。

7.如权利要求3所述的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获方法，其特征在于，所述逐级相干模块与逐级非相干模块通过将多普勒补偿的后相干结果进行逐次相干与逐次非相干；相干次数不同，获得不同相干时长的相干值；不同时长的相干值用于捕获不同强度的信号。

8.一种计算机设备，其特征在于，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用数字下变频模块将基带数据和本地产生的载波信号进行混频，得到零中频数据；将零中频信号进行码合并，得到半码数据；利用数据存储模块将合并后的码片数据进行乒乓存储；利用多普勒剥离模块将存储的码片数据和本地生成的多普勒频率进行混频，去除数据中的多普勒频率，得到零多普勒数据；

零多普勒数据通过数据折叠模块进行逐级折叠，得到1毫秒数据块；利用逐级匹配相干模块将1毫秒数据块与本地伪码进行相干，得到不同码相位的相干值；利用多普勒补偿模块对经过码间差分模块的相干数据进行多普勒补偿，并经过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；

通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，则将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序；如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

利用数字下变频模块将基带数据和本地产生的载波信号进行混频，得到零中频数据；将零中频信号进行码合并，得到半码数据；利用数据存储模块将合并后的码片数据进行乒乓存储；利用多普勒剥离模块将存储的码片数据和本地生成的多普勒频率进行混频，去除数据中的多普勒频率，得到零多普勒数据；

零多普勒数据通过数据折叠模块进行逐级折叠，得到1毫秒数据块；利用逐级匹配相干模块将1毫秒数据块与本地伪码进行相干，得到不同码相位的相干值；利用多普勒补偿模块对经过码间差分模块的相干数据进行多普勒补偿，并经过逐级相干模块与逐级非相干得到不同时长的相干数据；

通过峰值判决是否捕获到卫星信号，若捕获到卫星信号时，则将捕获的信息传送至跟踪模块并终止捕获程序；如果未捕获到卫星信号，则通过普勒搜索完成判断模块判断是否继续进行捕获，直至捕获到当前卫星或遍历搜索完所有多普勒频率。

10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求1～2任意一项所述的码间差分与码并行的GPS弱信号捕获系统。

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