專利名稱：一種gps接收機的信號捕獲方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種GPS接收機的信號捕獲方法，屬于衛(wèi)星導航中信號捕獲技術領域。
背景技術：
隨著信息技術的發(fā)展，在二十世紀70年代出現了衛(wèi)星導航系統GPS(globel positionsystem)，能夠廉價便捷的為全世界任何地方、任何時候，提供高精度和連續(xù)的位置、速度、航向、姿態(tài)和時間等信息。衛(wèi)星導航將改變空中、海上和陸上交通管制與調度系統的體制，為交通運輸的發(fā)展提供更大的空間，有利于世界海、陸、空運輸的經濟性與安全性，如用于加勒比海護航艦隊的GPS衛(wèi)星導航系統、用于客機的GPS導航系統、未來的大飛機將采用北斗衛(wèi)星導航系統。因此衛(wèi)星導航對于國家乃至世界經濟的發(fā)展、國際間的交流與合作有重大意義，有利于推動全球經濟一體化的發(fā)展。
隨著全球衛(wèi)星導航定位系統在國民經濟和國防建設的影響和作用日益增大，特別是其具有的重大戰(zhàn)略意義，已引起我國的高度重視，并相繼開展了有關研究，建立起深層次的衛(wèi)星導航定位研發(fā)基地。
GPS衛(wèi)星導航的主要設備是GPS接收機，GPS接收機涉及到的關鍵技術主要有信號的捕獲、高動態(tài)信號的跟蹤、高精度定位解算等。其中，信號捕獲是GPS接收機的重要組成部分，是信號跟蹤和解調導航數據位的前提?，F有的信號捕獲技術有碼相位串行捕獲、多普勒頻移串行捕獲，這些算法運算量大，費時長，不利于信號的快速捕獲、定位等。James Bao-yenTsui.Fundamentals of Global Positioning System Receiversa software approach[M].New YorkJohn Wiley&Sons Inc.，2000.公開了一種基于FFT(Fast FourierTransformation)的碼相位并行捕獲算法，其算法實現原理如圖1所示，基于FFT的碼相位并行捕獲算法運算相對較快，但是由于在具體實施過程中，通常的算法需要大量的傅里葉變換計算，也比較費時。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決上述問題，提出一種GPS接收機的信號捕獲方法，達到了捕獲時間短、捕獲結果精確的效果。
本發(fā)明的一種GPS接收機的信號捕獲方法，包括以下幾個步驟 步驟一設定多普勒頻移的搜索次序； 根據衛(wèi)星及載體的運動情況，設定多普勒頻移的搜索次序，搜索次序中包括n個多普勒頻移，搜索步長為q，單位為kHz； 步驟二GPS接收機接收中頻數字信號，對信號進行粗捕獲，得到粗多普勒頻移和C/A碼相位； 具體包括以下幾個步驟 (1)根據設定的多普勒頻移搜索次序，本地載波振蕩器與C/A碼發(fā)生器產生當前多普勒頻移下的中頻信號，中頻信號與接收到的中頻數字信號進行相關運算，得到第一個多普勒頻移處各個C/A碼相位的相關值，相關值中最大值為峰值P0，峰值P0對應的C/A碼相位為N0； (2)獲取第i個多普勒頻移處的各個碼相位的相關值，得到峰值Pi和峰值Pi對應的C/A碼相位Ni；其中，i＝2、3…n； (3)如果Pi/P0≥S，則停止進行第i+1個至第n個多普勒頻移的搜索，捕獲到與C/A碼發(fā)生器產生的C/A碼對應的衛(wèi)星信號，得到粗多普勒頻移fdop在第i個多普勒頻移處，對應的C/A碼相位是Ni，轉到步驟三，其中S為門限設置，根據信號信噪比確定，fdop單位為kHz；否則轉到步驟(4)； (4)如果S＞Pi/P0≥1，返回步驟(2)，計算i+1個多普勒頻移處的峰值和峰值對應的C/A碼相位；否則轉到步驟(5)； (5)如果Pi/P0＜1，則另P0＝Pi，返回步驟(2)，計算i+1個多普勒頻移處的峰值和峰值對應的C/A碼相位； (6)當所有多普勒頻移搜索完畢，沒有得到滿足Pi/P0≥S的Pi值，則表明信號中沒有與C/A碼發(fā)生器產生的C/A碼對應的衛(wèi)星信號，C/A碼發(fā)生器產生的下一顆衛(wèi)星的C/A碼序列，返回步驟(1)，繼續(xù)搜索衛(wèi)星信號； 步驟三對粗捕獲后的信號進行精細捕獲，得到精細多普勒頻移； 具體包括以下幾個步驟 I本地C/A碼產生器以步驟二中得到的C/A碼相位為起始位，產生T時間長度的本地C/A碼序列，將C/A碼序列與接收到的中頻數字信號相乘，剝離中頻數字信號的C/A碼，則中頻數字信號變?yōu)檫B續(xù)載波信號； II在
kHz范圍內，設步長
依次得到七個多普勒頻移x1至x7，分別將七個多普勒頻移下本地振蕩器產生的中頻信號與連續(xù)載波進行相關運算，得到七個相關值y1至y7，在七個相關值中選取d個相關值，依次記為h1至hd，h1至hd對應的多普勒頻移為e1至ed，3≤d≤7； 選取方法具體為 i當d＝3時，設七個相關值中最大的相關值為ym，對應的多普勒頻移為xm，取xm-1和xm+1及其對應的相關值為ym-1和ym+1，其中，2≤m≤6； ii當d＝4時，設七個相關值中最大的相關值為ym，ym對應的多普勒頻移為xm； ①當m＝2時，選取相關值y1至y4及其對應的多普勒頻移x1至x4； ②當m＝6時，選取相關值y4至y7及其對應的多普勒頻移x4至x7； ③當3≤m≤5時，取xm-1和xm+1及其對應的相關值為ym-1和ym+1，選取ym-2與ym+2之中較大值及其對應的多普勒頻移； iii當d＝5時，設七個相關值中最大的相關值為ym，對應的多普勒頻移為xm， ①當m＝2時，選取相關值y1至y5及其對應的多普勒頻移x1至x5； ②當m＝6時，選取相關值y3至y7及其對應的多普勒頻移x3至x7； ③當3≤m≤5時，取xm-2、xm-1、xm+1、xm+2及其對應的相關值為ym-2、ym-1、ym+1、ym+2； iv當d＝6時，將y1與y7中較小值及其對應的多普勒頻移去掉，選取其余六個相關值及其對應的多普勒頻移； v當d＝7時，選取七個相關值及其對應的多普勒頻移； 建立二次曲線的模型方程 其中a，b，c為待求系數，ei為多普勒頻移，hi為ei對應的相關值，i＝1、2、…d，則建立方程組 Ax＝B (2) 其中 采用二次曲線擬合方法，解線性方程組得 x＝(ATA)-1ATB (4) 通過式(4)得到a，b，c，帶入式(1)，根據二次曲線的性質得到最大值對應的位置為 X為精細多普勒頻移；則精細多普勒頻移X、步驟二中得到的C/A碼相位是Ni，完成衛(wèi)星信號捕獲，停止本顆衛(wèi)星多普勒頻移的搜索，返回步驟二，進入下一顆衛(wèi)星的捕獲。
本發(fā)明的優(yōu)點在于 (1)本發(fā)明中對中頻數字信號的粗捕獲，根據載體的運動特性，首先搜索多普勒頻移出現可能性較大的那些頻率，這種多普勒頻移的跳序搜索減少多普勒頻移搜索次數，減少搜索運算量，提高捕獲速度； (2)本發(fā)明中對中頻數字信號的粗捕獲，只需獲取某一多普勒頻移下，本地載波振蕩器和本地C/A碼發(fā)生器產生的中頻信號與接收的中頻數字信號在各個碼相位處的相關峰值，無需計算相關次最大值或者相關均值； (3)本發(fā)明中對中頻數字信號的精細捕獲，縮短多普勒頻移搜索步長，采用二次曲線擬合的方式獲得精細多普勒頻移，這樣得到的精細多普勒頻移速度快，精度高，捕獲結果準確，易于操作，而且對導航數據位的跳變不敏感； (4)本發(fā)明不僅能夠運用到GPS接收機系統中，也可以在其他基于CDMA信號格式的衛(wèi)星導航接收機系統中應用，具有較好的通用性。
圖1是背景技術中碼相位并行捕獲算法示意圖； 圖2是本發(fā)明的方法流程圖； 圖3是本發(fā)明的信號捕獲示意圖。
具體實施例方式 下面將結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。
本發(fā)明是一種GPS接收機的信號捕獲方法，流程如圖2和圖3所示，包括以下幾個步驟 步驟一設定多普勒頻移的搜索次序； 根據衛(wèi)星及載體的運動情況，設定多普勒頻移的搜索次序，搜索次序中包括n個多普勒頻移，搜索步長為q，單位為kHz。對于地面上運動的載體，多普勒頻移范圍設置在[-7，7]kHz比較合理，多普勒頻移在±2，±3kHz出現的概率較大，因此，首先搜索這些多普勒頻移能夠更快的捕獲到衛(wèi)星的中頻數字信號，本發(fā)明中設定多普勒頻移的搜索次序是[-2，2，-3，3，-1，1，-4，4，0，-5，5，-6，6，-7，7]，單位是kHz，搜索步長為1kHz。對于空中或者其他特定環(huán)境下的情況，多普勒頻移的搜索次序可有衛(wèi)星運動及載體的運動情況經過推導確定。
步驟二GPS接收機接收中頻數字信號，對信號進行粗捕獲，得到粗多普勒頻移和C/A碼相位； GPS接收機接收中頻數字信號，然后基于FFT的碼相位并行捕獲算法，本發(fā)明的粗捕獲具體包括以下幾個步驟 (1)根據設定的多普勒頻移搜索次序，本地載波振蕩器與C/A碼發(fā)生器產生當前多普勒頻移下的中頻信號，中頻信號與接收到的中頻數字信號進行相關運算，得到第一個多普勒頻移處各個C/A碼相位的相關值，相關值中最大值為峰值P0，峰值P0對應的C/A碼相位為N0； 所述的相關運算是指將中頻信號與接收到的中頻數字信號在各個點相乘，然后求和，得到的結果即為相關值。
(2)獲取第i個多普勒頻移處的各個碼相位的相關值，得到峰值Pi和峰值Pi對應的C/A碼相位Ni；其中，i＝2、3…n。
(3)如果Pi/P0≥S，其中S為門限設置，根據信號信噪比確定之間，門限在1.6-2.0之間，通常取經驗值1.8，則停止進行第i+1個至第n個多普勒頻移的搜索，捕獲到與C/A碼發(fā)生器產生的C/A碼對應的衛(wèi)星信號，得到粗多普勒頻移fdop在第i個多普勒頻移處，對應的C/A碼相位是Ni，fdop的單位為kHz，轉到步驟三；否則轉到步驟(4)； (4)如果S＞Pi/P0≥1，返回步驟(2)，計算i+1個多普勒頻移處的峰值和峰值對應的C/A碼相位；否則轉到步驟(5)； (5)如果Pi/P0＜1，則讓P0＝Pi，返回步驟(2)，計算i+1個多普勒頻移處的峰值和峰值對應的C/A碼相位； (6)當所有多普勒頻移搜索完畢，沒有得到滿足Pi/P0≥S的Pi值，則表明信號中沒有與C/A碼發(fā)生器產生的C/A碼對應的衛(wèi)星信號，改變C/A碼發(fā)生器產生的C/A碼，使C/A碼發(fā)生器產生的下一顆衛(wèi)星的C/A碼序列，返回步驟(1)，繼續(xù)搜索衛(wèi)星信號； 步驟三對粗捕獲后的信號進行精細捕獲，得到精細多普勒頻移； 因為粗捕獲得到的衛(wèi)星信號分辨率為
kHz的載頻，不能滿足載波跟蹤環(huán)的要求，因此本發(fā)明通過精細捕獲使本地載波振蕩器頻率和信號載波頻率相差在幾十赫茲內。
本發(fā)明利用粗捕獲得到的C/A碼相位，縮短多普勒頻移搜索步長計算相關值，采用二次曲線擬合的方法獲取精細載頻，具體包括以下幾個步驟 (1)本地C/A碼產生器以步驟二中得到的C/A碼相位為起始位，產生T時間長度的本地C/A碼序列，T為1-5ms，通常取1ms，將C/A碼序列與接收到的中頻數字信號相乘，剝離中頻數字信號的C/A碼，則中頻數字信號變?yōu)檫B續(xù)載波信號。
(2)根據粗捕獲得到的多普勒頻移fdop，則中頻數字信號多普勒頻移在
kHz之內，在
kHz范圍內，設步長
kHz，依次得到七個多普勒頻移x1至x7，分別將七個多普勒頻移下本地載波振蕩器產生的中頻信號與連續(xù)載波進行相關運算，得到七個相關值y1至y7，在七個相關值中選取d個相關值，依次記為h1至hd，h1至hd對應的多普勒頻移為e1至ed，3≤d≤7。
選取方法具體為 i當d＝3時，設七個相關值中最大的相關值為ym，對應的多普勒頻移為xm，取xm-1和xm+1及其對應的相關值為ym-1和ym+1，其中，2≤m≤6； ii當d＝4時，設七個相關值中最大的相關值為ym，ym對應的多普勒頻移為xm； ④當m＝2時，選取相關值y1至y4及其對應的多普勒頻移x1至x4； ⑤當m＝6時，選取相關值y4至y7及其對應的多普勒頻移x4至x7； ⑥當3≤m≤5時，取xm-1和xm+1及其對應的相關值為ym-1和ym+1，選取ym-2與ym+2之中較大值及其對應的多普勒頻移； iii當d＝5時，設七個相關值中最大的相關值為ym，對應的多普勒頻移為xm， ④當m＝2時，選取相關值y1至y5及其對應的多普勒頻移x1至x5； ⑤當m＝6時，選取相關值y3至y7及其對應的多普勒頻移x3至x7； ⑥當3≤m≤5時，取xm-2、xm-1、xm+1、xm+2及其對應的相關值為ym-2、ym-1、ym+1、ym+2； iv當d＝6時，將y1與y7中較小值及其對應的多普勒頻移去掉，選取其余六個相關值及其對應的多普勒頻移； v當d＝7時，選取七個相關值及其對應的多普勒頻移。
建立二次曲線的模型方程 其中a，b，c為待求系數，xi為多普勒頻移，yi為xi對應的相關值，i＝1、2、…d，則可建立方程組 Ax＝B(2) 其中 采用二次曲線擬合方法，解此線性方程組得 x＝(ATA)-1ATB (4) 通過式(4)得到a，b，c，帶入式(1)，根據二次曲線的性質得最大值對應的位置為 X即為精細多普勒頻移，則得到的精細多普勒頻移X和碼相位Ni，停止本顆衛(wèi)星多普勒頻移的搜索，返回步驟二，進入下一顆衛(wèi)星的捕獲。
利用實際采集得到及信號模擬器產生的多組信號進行仿真驗證，本發(fā)明捕獲費時約5s，多普勒頻移及C/A碼相位捕獲精度較高，能夠滿足載波跟蹤環(huán)路的要求。
實施例1 搜索PRN5號衛(wèi)星的衛(wèi)星信號，設中頻數字信號的中頻是4.123968MHz，采樣頻率是16.367667MHz，捕獲時多普勒頻移搜索步長1kHz，根據步驟一，設多普勒頻移搜索次序是[-2，2，-3，3，-1，1，-4，4，0，-5，5，-6，6，-7，7]，單位是kHz。
由步驟二得到，在多普勒頻移2kHz時，峰值3705比較突出，與第一個峰值1531相比，比值大于門限1.8，則可以確定信號中含有PRN5號衛(wèi)星的信號，且粗捕獲得到的多普勒頻移為2kHz，對應的碼相位是13001，后面的多普勒頻移則無需繼續(xù)搜索，為了清晰說明在其他幾個多普勒頻移處的相關值，列出相關值如表1。
表1PRN5星在各個多普勒頻移處的相關峰值及碼相位 根據步驟三，計算2kHz左右兩側間隔250Hz的6個相關值，列表如2。
表2精細多普勒頻計算的相關值 由上表可知，選擇多普勒頻移[1.25，1.5，1.75]kHz為自變量xi，對應相關峰值[3729，4481，3986]為因變量yi，經過曲線擬合，所得的精細多普勒頻移為1525Hz，至此，已經得到中頻數字信號的多普勒頻移為1525Hz及C/A碼相位13001，停止本顆衛(wèi)星多普勒頻移的搜索，進入下一顆衛(wèi)星的捕獲。
實施例2 搜索PRN8號衛(wèi)星的衛(wèi)星信號，設中頻數字信號的中頻是4.123968MHz，采樣頻率是16.367667MHz，捕獲時多普勒頻移搜索步長1kHz，根據步驟一，設多普勒頻移搜索次序是[-2，2，-3，3，-1，1，-4，4，0，-5，5，-6，6，-7，7]，單位是kHz。通過步驟二，表3是衛(wèi)星PRN8在各個多普勒頻移處的相關值，各個峰值比較接近，沒有突出的尖峰，最大峰值為1585，最小峰值為1255，不滿足較大峰值與較小峰值之比大于設定門限1.8的條件，則中頻數字信號中不含PRN8號衛(wèi)星的信號。
表3PRN8星在各個多普勒頻移處的相關峰值及碼相位
權利要求
1.一種GPS接收機的信號捕獲方法，其特征在于，包括以下幾個步驟
步驟一設定多普勒頻移的搜索次序；
根據衛(wèi)星及載體的運動情況，設定多普勒頻移的搜索次序，搜索次序中包括n個多普勒頻移，搜索步長為q，單位為kHz；
步驟二GPS接收機接收中頻數字信號，對信號進行粗捕獲，得到粗多普勒頻移和C/A碼相位；
具體包括以下幾個步驟
(1)根據設定的多普勒頻移搜索次序，本地載波振蕩器與C/A碼發(fā)生器產生當前多普勒頻移下的中頻信號，中頻信號與接收到的中頻數字信號進行相關運算，得到第一個多普勒頻移處各個C/A碼相位的相關值，相關值中最大值為峰值P0，峰值P0對應的C/A碼相位為N0；
(2)獲取第i個多普勒頻移處的各個碼相位的相關值，得到峰值Pi和峰值Pi對應的C/A碼相位Ni；其中，i＝2、3…n；
(3)如果Pi/P0≥S，則停止進行第i+1個至第n個多普勒頻移的搜索，捕獲到與C/A碼發(fā)生器產生的C/A碼對應的衛(wèi)星信號，得到粗多普勒頻移fdop在第i個多普勒頻移處，對應的C/A碼相位是Ni，轉到步驟三，其中S為門限設置，根據信號信噪比確定，fdop單位為kHz；否則轉到步驟(4)；
(4)如果S＞Pi/P0≥1，返回步驟(2)，計算i+1個多普勒頻移處的峰值和峰值對應的C/A碼相位；否則轉到步驟(5)；
(5)如果Pi/P0＜1，則另P0＝Pi，返回步驟(2)，計算i+1個多普勒頻移處的峰值和峰值對應的C/A碼相位；
(6)當所有多普勒頻移搜索完畢，沒有得到滿足Pi/P0≥S的Pi值，則表明信號中沒有與C/A碼發(fā)生器產生的C/A碼對應的衛(wèi)星信號，C/A碼發(fā)生器產生的下一顆衛(wèi)星的C/A碼序列，返回步驟(1)，繼續(xù)搜索衛(wèi)星信號；
步驟三對粗捕獲后的信號進行精細捕獲，得到精細多普勒頻移；
具體包括以下幾個步驟
I本地C/A碼產生器以步驟二中得到的C/A碼相位為起始位，產生T時間長度的本地C/A碼序列，將C/A碼序列與接收到的中頻數字信號相乘，剝離中頻數字信號的C/A碼，則中頻數字信號變?yōu)檫B續(xù)載波信號；
II在
kHz范圍內，設步長
依次得到七個多普勒頻移x1至x7，分別將七個多普勒頻移下本地振蕩器產生的中頻信號與連續(xù)載波進行相關運算，得到七個相關值y1至y7，在七個相關值中選取d個相關值，依次記為h1至hd，h1至hd對應的多普勒頻移為e1至ed，3≤d≤7；
選取方法具體為
i當d＝3時，設七個相關值中最大的相關值為ym，對應的多普勒頻移為xm，取xm-1和xm+1及其對應的相關值為ym-1和ym+1，其中，2≤m≤6；
ii當d＝4時，設七個相關值中最大的相關值為ym，ym對應的多普勒頻移為xm；
①當m＝2時，選取相關值y1至y4及其對應的多普勒頻移x1至x4；
②當m＝6時，選取相關值y4至y7及其對應的多普勒頻移x4至x7；
③當3≤m≤5時，取xm-1和xm+1及其對應的相關值為ym-1和ym+1，選取ym-2與ym+2之中較大值及其對應的多普勒頻移；
iii當d＝5時，設七個相關值中最大的相關值為ym，對應的多普勒頻移為xm，
①當m＝2時，選取相關值y1至y5及其對應的多普勒頻移x1至x5；
②當m＝6時，選取相關值y3至y7及其對應的多普勒頻移x3至x7；
③當3≤m≤5時，取xm-2、xm-1、xm+1、xm+2及其對應的相關值為ym-2、ym-1、ym+1、ym+2；
iv當d＝6時，將y1與y7中較小值及其對應的多普勒頻移去掉，選取其余六個相關值及其對應的多普勒頻移；
v當d＝7時，選取七個相關值及其對應的多普勒頻移；
建立二次曲線的模型方程
其中a，b，c為待求系數，ei為多普勒頻移，hi為ei對應的相關值，i＝1、2、…d，則建立方程組
Ax＝B(2)
其中
采用二次曲線擬合方法，解線性方程組得
x＝(ATA)-1ATB(4)
通過式(4)得到a，b，c，帶入式(1)，根據二次曲線的性質得到最大值對應的位置為
X為精細多普勒頻移；則精細多普勒頻移X、步驟二中得到的C/A碼相位是Ni，完成衛(wèi)星信號捕獲，停止本顆衛(wèi)星多普勒頻移的搜索，返回步驟二，進入下一顆衛(wèi)星的捕獲。
2.根據權利要求1所述的一種GPS接收機的信號捕獲方法，其特征在于，多普勒頻移的搜索次序為[-2，2，-3，3，-1，1，-4，4，0，-5，5，-6，6，-7，7]，單位是kHz，搜索步長為1kHz。
3.根據權利要求1所述的一種GPS接收機的信號捕獲方法，其特征在于，門限設置S取值為1.6-2.0之間。
4.根據權利要求3所述的一種GPS接收機的信號捕獲方法，其特征在于，門限設置S取值為1.8。
5.根據權利要求1所述的一種GPS接收機的信號捕獲方法，其特征在于，步驟三中，時間長度T為1-5ms。
6.根據權利要求5所述的一種GPS接收機的信號捕獲方法，其特征在于，步驟三中，時間長度T為1ms。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GPS接收機的信號捕獲方法，包括以下幾個步驟，步驟一設定多普勒頻移的搜索次序；步驟二GPS接收機接收中頻數字信號，對信號進行粗捕獲，得到粗多普勒頻移和C/A碼相位；步驟三對粗捕獲后的信號進行精細捕獲，得到精細多普勒頻移；本發(fā)明中對中頻數字信號的粗捕獲，根據載體的運動特性，首先搜索多普勒頻移出現可能性較大的那些頻率，這種多普勒頻移的跳序搜索減少多普勒頻移搜索次數，減少搜索運算量，提高捕獲速度；本發(fā)明中對中頻數字信號的精細捕獲，縮短多普勒頻移搜索步長，采用二次曲線擬合的方式獲得精細多普勒頻移，速度快，精度高，捕獲結果準確，易于操作，而且對導航數據位的跳變不敏感。
文檔編號G01S19/31GK101819278SQ201010133579
公開日2010年9月1日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權日2010年3月25日
發(fā)明者楊靜, 王獻中 申請人:北京航空航天大學