專利名稱：Gps信號(hào)捕獲方法與系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及GPS (Global Position System,全球定位系統(tǒng))弱信號(hào)捕獲領(lǐng)域,具體涉及一種GPS信號(hào)捕獲方法與系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，GPS已經(jīng)在全世界 得到了廣泛的應(yīng)用，但大多是在信號(hào)條件較理想的環(huán)境中。當(dāng)信號(hào)條件不理想時(shí)，例如在室內(nèi)、森林和城市等環(huán)境中，遮擋、多徑和干擾等現(xiàn)象較嚴(yán)重，GPS就得不到很好的應(yīng)用。而這些環(huán)境恰是人類活動(dòng)的主要場(chǎng)所，在這些環(huán)境中有很多重要的GPS應(yīng)用需求，高性能GPS衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)正是為滿足這一需求而產(chǎn)生的，成了導(dǎo)航領(lǐng)域的主要研究方向。而GPS信號(hào)的高靈敏度捕獲算法處在GPS接收機(jī)基帶信號(hào)處理的最前端，是提高GPS接收機(jī)性能的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的快速傅里葉變換(FFT)的頻域捕獲技術(shù)具有運(yùn)算效率高的特性，但積累時(shí)間不能過長(zhǎng)。差分相干處理技術(shù)將相干積分結(jié)果進(jìn)行差分處理，延長(zhǎng)了積累時(shí)間，提高了弱GPS信號(hào)的捕獲靈敏度。然而當(dāng)接收機(jī)和GPS衛(wèi)星相對(duì)速度較大時(shí)，接收機(jī)接收的GPS信號(hào)將產(chǎn)生較大的多普勒頻移，在長(zhǎng)時(shí)間積分下，大多普勒頻移將對(duì)碼片速率產(chǎn)生較大影響，造成碼周期不準(zhǔn)，用FFT做循環(huán)卷積時(shí)存在相關(guān)功率損失；差分相干捕獲也會(huì)引起殘余載波多普勒頻率的相關(guān)功率損失。Ziedan N I，焦瑞祥等人利用DBZP技術(shù)減小了 FFT計(jì)算過程中由大多普勒頻移引起碼片速率變化造成的相關(guān)功率損失，然而捕獲過程中，在每個(gè)預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間內(nèi)都需要對(duì)最可靠的數(shù)據(jù)位組合進(jìn)行估計(jì)，并利用它去掉先前的數(shù)據(jù)位，這樣需要較大的運(yùn)算開銷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種GPS信號(hào)捕獲方法與系統(tǒng)，該方法與系統(tǒng)能夠有效降低在傅里葉變換過程中由大多普勒頻移引起碼片速率變化而造成的相關(guān)功率損失。為解決上述問題，本發(fā)明是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的一種GPS信號(hào)捕獲方法，包括如下步驟步驟一對(duì)衛(wèi)星發(fā)射GPS模擬信號(hào)進(jìn)行下變頻及采樣，并設(shè)定合適的多普勒頻移變量初值及最大值即設(shè)定多普勒頻移搜索范圍，同時(shí)設(shè)定多普勒頻移搜索間隔、檢測(cè)閾值、衛(wèi)星號(hào)變量初值及衛(wèi)星號(hào)最大值；步驟二 根據(jù)待搜索的衛(wèi)星號(hào)及其多普勒頻率偏移產(chǎn)生本地偽碼信號(hào)；步驟三對(duì)采樣后的GPS信號(hào)和本地產(chǎn)生的偽碼信號(hào)進(jìn)行雙塊零拓展；步驟四對(duì)步驟三中經(jīng)雙塊零拓展后的信號(hào)利用快速傅里葉變換循環(huán)卷積進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算;步驟五對(duì)步驟四的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行處理，并保留第一個(gè)有用信息子塊；步驟六對(duì)保存的有用信息子塊進(jìn)行差分相干累加；
步驟七計(jì)算步驟六中差分相干結(jié)果的相關(guān)均值，并從步驟六的差分相干結(jié)果中找出最大相關(guān)值，然后計(jì)算最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值(Maximum to mean, MTM)；步驟八將步驟七中計(jì)算的最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值與步驟一所設(shè)定的檢測(cè)閾值進(jìn)行比較；若比較結(jié)果超過檢測(cè)閾值，則步驟七中最大相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的碼相位和多普勒頻移值即為初次捕獲的碼相位和多普勒頻移值；若比較結(jié)果未超過檢測(cè)閾值，則重復(fù)步驟二搜索同一顆衛(wèi)星的下一多普勒頻移，當(dāng)該顆衛(wèi)星所設(shè)頻率點(diǎn)搜完后，則重復(fù)步驟二搜索下一顆衛(wèi)星，直到搜索完所有的衛(wèi)星，則退出捕獲，表示捕獲不成功。為了能夠削弱殘余載波多普勒頻移造成的功率損失，作為上述方案的改進(jìn)，本發(fā)明在獲得了初次捕獲的碼相位和多普勒頻移之后，還進(jìn)一步包括對(duì)初次捕獲的多普勒頻移進(jìn)行修正的步驟，即步驟九根據(jù)步驟六的差分相干結(jié)果，首先利用式①求出多普勒頻移誤差的估計(jì)值，然后根據(jù)多普勒頻移誤差的估計(jì)值利用式②對(duì)初次捕獲的多普勒頻移值進(jìn)行修正；
4d①上式中，4為多普勒頻移誤差的估計(jì)值，Ta為相干積分時(shí)間，& (f)為又下第k段碼時(shí)延為f的相關(guān)結(jié)果，為m「丨段碼時(shí)延為f的相關(guān)結(jié)果，義為初次捕獲的多普勒頻移值；
_9]上式中，//為修正后的多普勒頻移值，又為初次捕獲的多普勒頻移值，^為多普勒頻移誤差的估計(jì)值；步驟十利用修正后的多普勒頻移對(duì)碼相位進(jìn)行二次搜索，即利用修正后的多普勒頻移值重復(fù)步驟二進(jìn)行捕獲，若在修正后的多普勒頻移上捕獲成功，則此時(shí)最大相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的碼相位和修正后的多普勒頻移值即為捕獲結(jié)果。上述方案中，所述多普勒頻移搜索范圍最好為-IOKHz IOKHz。上述方案中，所述多普勒頻移搜索間隔最好為250Hz 500Hz。上述方案中，所述檢測(cè)閾值最好介于3 7之間。上述方案中，所述衛(wèi)星號(hào)變量的初值最好為I,最大值為30。—種GPS信號(hào)捕獲系統(tǒng),包括如下模塊變頻采樣模塊對(duì)衛(wèi)星發(fā)射GPS模擬信號(hào)進(jìn)行下變頻并采樣；本地偽碼產(chǎn)生模塊根據(jù)待搜索的衛(wèi)星號(hào)及其多普勒頻率偏移產(chǎn)生本地偽碼信號(hào);雙塊零拓展模塊分別對(duì)變頻采樣模塊輸出的GPS信號(hào)和本地偽碼產(chǎn)生模塊輸出的偽碼信號(hào)進(jìn)行雙塊零拓展；快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊對(duì)雙塊零拓展模塊輸出的信號(hào)利用快速傅里葉變換循環(huán)卷積進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算；有用信息保存模塊對(duì)快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊輸出的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行處理，并保留第一個(gè)有用信息子塊；累加模塊對(duì)有用信息保存模塊內(nèi)保存的有用信息子塊進(jìn)行差分相干累加；
最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值計(jì)算模塊計(jì)算累加模塊輸出的差分相干結(jié)果的相關(guān)均值，并從累加模塊輸出的差分相干結(jié)果中找出最大相關(guān)值，然后計(jì)算此時(shí)的最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值；最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值閾值檢測(cè)模塊將最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值計(jì)算模塊輸出的最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值與預(yù)先設(shè)定的檢測(cè)閾值進(jìn)行比較；若比較結(jié)果超過檢測(cè)閾值，則最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值計(jì)算模塊中的最大相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的碼相位和多普勒頻移值即為初次捕獲的碼相位和多普勒頻移值；若比較結(jié)果未超過檢測(cè)閾值，則返回至本地偽碼產(chǎn)生模塊搜索同一顆衛(wèi)星的下一多普勒頻移，當(dāng)該顆衛(wèi)星所設(shè)頻率點(diǎn)搜完后，則重復(fù)本地偽碼產(chǎn)生模塊搜索下一顆衛(wèi)星，直到搜索完所有的衛(wèi)星，則退出捕獲，表示捕獲不成功。作為上述方案的改進(jìn)，在最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值閾值檢測(cè)模塊的輸出端，還接有對(duì)初次捕獲的多普勒頻移進(jìn)行修正的修正模塊，該修正模塊首先根據(jù)累加模塊輸出的差分相干結(jié)果，求出多普勒頻移誤差的估計(jì)值，并利用該多普勒頻移誤差的估計(jì)值對(duì)初次捕獲的多普勒頻移進(jìn)行修正；然后利用修正后的多普勒頻移值對(duì)碼相位進(jìn)行二次搜索， 即利用修正后的多普勒頻移值重復(fù)步驟二進(jìn)行捕獲，若在修正后的多普勒頻移上捕獲成功，則此時(shí)最大相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的碼相位和修正后的多普勒頻移值即為捕獲結(jié)果。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明將快速傅里葉變換(FFT)、雙塊零拓展(Double BlockZero Padding, DBZP)、差分相干、頻差修正等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合,這樣既能實(shí)現(xiàn)高效快速的GPS信號(hào)捕獲，還能改善快速傅里葉變換計(jì)算過程中由大多普勒頻移引起碼片速率變化而造成的相關(guān)功率損失；此外，本發(fā)明在捕獲過程中還引入了頻差修正技術(shù)，削弱了殘余多普勒頻移誤差造成的功率損失，并實(shí)現(xiàn)高效快速的捕獲。


圖I為一種GPS信號(hào)捕獲系統(tǒng)的原理圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明一種GPS信號(hào)捕獲方法，如圖I所示，包括有如下步驟步驟一對(duì)衛(wèi)星發(fā)射的GPS模擬信號(hào)進(jìn)行下變頻及采樣，并設(shè)定合適的多普勒頻移變量初值及最大值即設(shè)定多普勒頻移搜索范圍，同時(shí)設(shè)定多普勒頻移搜索間隔、檢測(cè)閾值、衛(wèi)星號(hào)變量初值及衛(wèi)星號(hào)最大值。在本發(fā)明中，所述多普勒頻移搜索范圍為-IOKHz IOKHz。所述多普勒頻移的搜索間隔為250Hz 500Hz。所述檢測(cè)閾值是指MTM檢測(cè)閾值，其中MTM表示最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值，若計(jì)算所得MTM超過檢測(cè)閾值Bt即認(rèn)為信號(hào)被準(zhǔn)確捕獲，在本發(fā)明中，所述檢測(cè)閾值Bt設(shè)定為3 7之間。根據(jù)目前GPS衛(wèi)星的數(shù)目，在本發(fā)明中，所述衛(wèi)星號(hào)變量的初值設(shè)定為I，最大值設(shè)定為30。從衛(wèi)星發(fā)射的LI頻段GPS模擬信號(hào)下變頻和采樣后的數(shù)字中頻信號(hào)為
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式中，A為信號(hào)幅度，d(t)為導(dǎo)航數(shù)據(jù)信息，C(t)為C/A碼’ fd為多普勒頻移，fL1為高頻載波頻率，fIF為中頻載波頻率，0為初始相位，n(t)為加性高斯白噪聲，\為第j個(gè)采樣時(shí)刻，T為信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)延。步驟二 根據(jù)待搜索的衛(wèi)星號(hào)及其多普勒頻率偏移產(chǎn)生本地偽碼信號(hào)。第k個(gè)時(shí)間段本地產(chǎn)生的偽碼信號(hào)模型為
權(quán)利要求
1.GPS信號(hào)捕獲方法，其特征是包括如下步驟 步驟ー對(duì)衛(wèi)星發(fā)射的GPS模擬信號(hào)進(jìn)行下變頻及采樣，并設(shè)定合適的多普勒頻移變量初值及最大值即設(shè)定多普勒頻移捜索范圍，同時(shí)設(shè)定多普勒頻移捜索間隔、檢測(cè)閾值、衛(wèi)星號(hào)變量初值及衛(wèi)星號(hào)最大值； 步驟ニ 根據(jù)待搜索的衛(wèi)星號(hào)及其多普勒頻率偏移產(chǎn)生本地偽碼信號(hào)； 步驟三對(duì)采樣后的GPS信號(hào)和產(chǎn)生本地偽碼信號(hào)進(jìn)行雙塊零拓展； 步驟四對(duì)步驟三中經(jīng)雙塊零拓展后的信號(hào)利用快速傅里葉變換循環(huán)卷積進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算； 步驟五對(duì)步驟四的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行處理，并保留第一個(gè)有用信息子塊； 步驟六對(duì)保存的有用信息子塊進(jìn)行差分相干累加； 步驟七計(jì)算步驟六中差分相干結(jié)果的相關(guān)均值，并從步驟六的差分相干結(jié)果中找出最大相關(guān)值，然后計(jì)算最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值； 步驟八將步驟七中計(jì)算的最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值與步驟一所設(shè)定的檢測(cè)閾值進(jìn)行比較；若比較結(jié)果超過檢測(cè)閾值，則步驟七中最大相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的碼相位和多普勒頻移值即為初次捕獲的碼相位和多普勒頻移值；若比較結(jié)果未超過檢測(cè)閾值，則重復(fù)步驟ニ捜索同一顆衛(wèi)星的下一多普勒頻移，當(dāng)該顆衛(wèi)星所設(shè)頻率點(diǎn)搜完后，則重復(fù)步驟ニ捜索下ー顆衛(wèi)星，直到搜索完所有的衛(wèi)星，則退出捕獲，表示捕獲不成功。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的GPS信號(hào)捕獲方法，其特征是，在獲得了初次捕獲的碼相位和多普勒頻移之后，還進(jìn)一歩包括對(duì)初次捕獲的多普勒頻移進(jìn)行修正的步驟，即 步驟九根據(jù)步驟六的差分相干結(jié)果，首先利用式①求出多普勒頻移誤差的估計(jì)值，然后根據(jù)多普勒頻移誤差的估計(jì)值利用式②對(duì)初次捕獲的多普勒頻移值進(jìn)行修正； Δ又=(り)① 2^ia k=l 上式中，多普勒頻移誤差的估計(jì)值，Ta為相干積分時(shí)間，& (f)為元下第k段碼時(shí)延為ぞ的相關(guān)結(jié)果，n_r(f)為又下第k-Ι段碼時(shí)延為f的相關(guān)結(jié)果，又為初次捕獲的多普勒頻移值； Λ'=Λ+ΔΑ ② 上式中，テン為修正后的多普勒頻移值，又為初次捕獲的多普勒頻移值，八4為多普勒頻移誤差的估計(jì)值； 步驟十利用修正后的多普勒頻移值對(duì)碼相位進(jìn)行二次捜索，即利用修正后的多普勒頻移值重復(fù)步驟ニ進(jìn)行捕獲，若在修正后的多普勒頻移上捕獲成功，則此時(shí)最大差分相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的碼相位和修正后的多普勒頻移值即為捕獲結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述GPS信號(hào)捕獲方法，其特征是，所述多普勒頻移捜索范圍為-IOKHz IOKHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述GPS信號(hào)捕獲方法，其特征是，所述多普勒頻移捜索間隔為250Hz 500Hz ο
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述GPS信號(hào)捕獲方法，其特征是，所述檢測(cè)閾值介于3 7之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述GPS信號(hào)捕獲方法，其特征是，衛(wèi)星號(hào)變量的初值為1，最大值為30。
7.GPS信號(hào)捕獲系統(tǒng)，其特征是包括如下模塊 變頻采樣模塊對(duì)衛(wèi)星發(fā)射的GPS模擬信號(hào)進(jìn)行下變頻并采樣； 本地偽碼產(chǎn)生模塊根據(jù)待搜索的衛(wèi)星號(hào)及其多普勒頻率偏移產(chǎn)生本地偽碼信號(hào)； 雙塊零拓展模塊分別對(duì)變頻采樣模塊輸出的采樣后的信號(hào)和本地偽碼產(chǎn)生模塊輸出的偽碼信號(hào)進(jìn)行雙塊零拓展； 快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊對(duì)雙塊零拓展模塊輸出的信號(hào)利用快速傅里葉變換循環(huán)卷積進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算； 有用信息保存模塊對(duì)快速傅里葉變換循環(huán)卷積相關(guān)模塊輸出的相關(guān)結(jié)果進(jìn)行處理，并保留第一個(gè)有用信息子塊； 累加模塊對(duì)有用信息保存模塊內(nèi)保存的有用信息子塊進(jìn)行差分相干累加； 最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值計(jì)算模塊計(jì)算累加模塊輸出的差分相干結(jié)果的相關(guān)值均值，并從累加模塊輸出的差分相干結(jié)果中找出最大值、并計(jì)算此時(shí)的最大相關(guān)值，然后計(jì)算此時(shí)的最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值； 最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值閾值檢測(cè)模塊將最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值計(jì)算模塊輸出的最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值與預(yù)先設(shè)定的檢測(cè)閾值進(jìn)行比較；若比較結(jié)果超過檢測(cè)閾值，則最大相關(guān)值與相關(guān)均值的比值計(jì)算模塊中最大差分相干值所對(duì)應(yīng)的碼相位和多普勒頻移值即為初次捕獲的碼相位和多普勒頻移值；若比較結(jié)果未超過檢測(cè)閾值，則返回至本地偽碼產(chǎn)生模塊搜索下一多普勒頻移，當(dāng)該顆衛(wèi)星所設(shè)頻率點(diǎn)搜完后，則重復(fù)本地偽碼產(chǎn)生模塊搜索下ー顆衛(wèi)星，直到搜索完所有的衛(wèi)星，則退出捕獲，表示捕獲不成功。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的GPS信號(hào)捕獲系統(tǒng)，其特征是在MTM閾值檢測(cè)模塊的輸出端，還接有對(duì)初次捕獲多普勒頻移進(jìn)行修正的修正模塊，該修正模塊首先根據(jù)累加模塊輸出的差分相干結(jié)果，求出多普勒頻移誤差的估計(jì)值，并利用該多普勒頻移誤差的估計(jì)值對(duì)初次捕獲的多普勒頻移值進(jìn)行修正；然后，利用修正后的多普勒頻移值對(duì)碼相位進(jìn)行二次捜索，即利用修正后的多普勒頻移值重復(fù)步驟ニ進(jìn)行捕獲，若在修正后的多普勒頻移上捕獲成功，則此時(shí)最大相關(guān)值所對(duì)應(yīng)的碼相位和修正后的多普勒頻移值即為捕獲結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公開一種GPS信號(hào)捕獲方法與系統(tǒng)，該方法與系統(tǒng)將快速傅里葉變換(FFT)、雙塊零拓展(Double Block Zero Padding，DBZP)、差分相干、頻差修正等技術(shù)有機(jī)地結(jié)合，使其既能實(shí)現(xiàn)高效快速的GPS信號(hào)捕獲，還能改善快速傅里葉變換計(jì)算過程中由大多普勒頻移引起碼片速率變化而造成的相關(guān)功率損失；此外，頻差修正技術(shù)還能夠削弱殘余多普勒頻移誤差造成的功率損失，并實(shí)現(xiàn)高效快速的捕獲。
文檔編號(hào)G01S19/24GK102662183SQ20121012833
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月27日
發(fā)明者張彤, 張順嵐, 歐陽寧, 莫建文, 袁華, 首照宇 申請(qǐng)人:桂林電子科技大學(xué)