CN101464508B

CN101464508B - 一种gps的c/a码信号的捕获方法

Info

Publication number: CN101464508B
Application number: CN2008101882263A
Authority: CN
Inventors: 赖建文
Original assignee: SUZHOU LATEST ELECTRONICS CO Ltd
Current assignee: Xu Jun
Priority date: 2008-12-19
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2011-05-04
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: CN101464508A

Abstract

本发明公开了GPS通信技术领域中的一种GPS的C/A码信号的捕获方法。该方法包括粗捕获过程和精捕获过程；其中，粗捕获过程包括对***设定的L颗卫星并行进行搜索；使用基于FFT的码相位搜索，得到粗略的码相位和载波频率；精捕获过程包括根据粗捕获得到的码相位和载波频率设置精捕获载波频率步进，确定精捕获的搜索范围；将去除码相位影响的输入信号与本地载波信号相关，并将相关值与预设门限值相比较，以确定是否真正捕获到卫星信号。本发明与现有的GPS捕获方法相比，提高了GPS信号的捕获性能，在保证GPS快速捕获的同时，实现GPS捕获高精度的要求。

Description

一种GPS的C/A码信号的捕获方法

技术领域

本发明属于GPS通信技术领域，尤其涉及一种GPS的C/A码信号的捕获方法。

背景技术

GPS(Global Positioning System)全球定位***作为新一代卫星导航定位***，最初是由美国军方开发并供海陆空三军使用的。经过多年发展，当前GPS***已成为一种被广泛采用的军民两用***，它的应用领域和应用前景远远超出了该***设计者当初的设想，在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的领域中，都被作为一项非常重要的技术手段和方法，用来进行导航、定时、定位、地球物理参数测定和大气物理参数测定等。

GPS全球定位***是一个无线电空间定位***，它利用导航卫星和地面站为全球提供全天候、高精度、连续、实时的三维坐标(纬度，经度，海拔)、三维速度和定位信息，地球表面上任何地点均可以用于定位和导航。GPS***包括三大部分：空间部分-GPS卫星星座；地面控制部分-地面监控***，用户设备部分-GPS信号接收机。GPS空间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座，其中由21颗工作卫星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，卫星的分布使得在全球的任何地方、任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形，提供了在时间上连续的全球导航能力。地面监控部分包括四个监控间、一个上行注入站和一个主控站，用于监测、控制、修正和注入各个GPS卫星的导航数据。GPS接收机可接收到如下信息：用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星坐标的广播星历，精度为几米至几十米(各个卫星不同，随时变化)；以及GPS***信息，如卫星状况等。

GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为1575.42兆赫的L1载波和频率为1227.60兆赫的L2载波，分别调制多种信号。主要有：

(1)C/A(Coarse/Acquisition：粗/捕获)码

C/A码被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码(Pseudo-randomNumber，PRN)，其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以测定测站到卫星间的距离的一种主要的信号。

(2)P码

P码又被称为精码，调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码，周期为七天。由于保密限制，普通用户无法利用P码来进行导航定位。

(3)导航信息

导航信息即数据码调制在L1载波上，其信号频率为50赫兹，包含GPS卫星的轨道参数、卫星钟修正数和其它一些***参数。用户一般需要利用此导航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播星历。

对于普通用户来说，GPS***提供标准定位服务(Standard PositioningService，SPS)，这一般通过解析调制在L1载波上的不同卫星的C/A码信息来实现。由于卫星的位置是事先知道的，且根据GPS卫星星座的分布，在地球表面的任意时间任意地点，一般能同时接收4到11颗卫星的信号。而在三维情况下，利用3颗卫星即可组成3个方程，解析出当前位置的坐标(X，Y，Z)。实际上考虑到卫星和接收机之间的时钟误差，因此需要引入第4颗卫星，组成4个方程，求解当前点的坐标值和时钟误差，从而得到当前位置的经纬度和高程。当然，实际上接收机可以接收超过4颗以上的卫星信号，因此可以进一步修正通过4颗卫星的信号解析出的结果，以尽可能减小误差。

由上面的介绍可知，GPS提供的标准定位服务需要解调L1载波上的C/A码上的信息。L1的频率上的信号可表示为

S_L1＝A_pP(t)D(t)cos(2πf₁t+φ)+A_cC(t)D(t)sin(2πf₁t+φ) (1)

式中S_L1是载波L1上的信号，A_p是P码的幅度，P(t)＝±1表示P码的相位，即P码伪随机序列，D(t)＝±1表示数据码，即导航电文信息，f₁是L1上的频率，即1575.42MHz，φ是初始相位，A_c是C/A码的幅度，C(t)＝±1表示C/A码的相位，即C/A码伪随机序列。合成的GPS信号向全球发射，随时随地供接收机解算导航定位信息使用。

图1是GPS接收机的基本原理图，GPS卫星发射的信号被天线接收，通过射频(Radio Frequency，RF)链将输入信号放大到合适的幅度并将频率转换到需要的输出频率上，再通过模/数转换器(ADC)将输出信号变成数字信号，进入数字域处理，经过信号捕获、跟踪、子帧识别、星历和伪距解析、卫星位置和用户位置计算。其中，捕获是指发现某一个卫星的信号；跟踪是得到导航数据的相位变化；而根据导航数据的相位跳变，可得到子帧和导航数据，从导航数据里就可得到星历和伪距；最后根据卫星的位置和伪距计算出用户的位置。

为了跟踪GPS信号并进行信息解码，就必须先用捕获处理来检测信号的存在。启动捕获程序寻找相对于接收机的可视卫星，如果已经大致知道卫星的粗略位置和时间，或者通过最近记录的广播星历可以计算出可用卫星的信号，此时，只需要搜索几个卫星。当然，如果初始设置的卫星是错误的，则卫星定位的时间会比较长，因为此时捕获程序一开始搜索的是错误的卫星，上述方法称为热启动。此外还有一种称为冷启动的卫星信号接收方法，即接收机不知道卫星的具体信息，必须对所有的卫星进行捕获，这会非常耗时，因此一般总是乐于选择能够快速捕获的方法。

一旦捕获程序检测到信号，就必须提供给跟踪模块一些必要的参数，如C/A码周期的起始位置和输入信号的载波频率。一般采集到的数据包含几个卫星的信号，每个信号的C/A码起始位置不同，开始时间不同，多普勒频移也不同。捕获模块需要找到C/A码的起始位置，并用此信息对接收信号进行解扩，输出一个连续波信号，得到载波频率。为了加快捕获速度，接收机可以对多个卫星进行并行捕获，即同时对N个卫星进行捕获。同时，GPS信号的捕获过程是一个二维搜索过程，如图2所示，每一个方块代表特定C/A码起始位置和特定载波偏移的信号，接收机产生每个方块对应的本地复现信号，并与接收信号进行相关，通过比较接收信号与本地复现信号的相关结果，来判断信号是否捕获。

目前常用的捕获方法有以下几种：

1.序贯搜索捕获法

如图3所示，经过ADC以后的中频输入信号与本地产生的PRN码相乘以后，再与本地载波的同相分量和正交分量相乘，形成同相I路信号和正交Q路信号，然后分别经过积分-清除，平方求和环节，最后与预设门限值相比较，判断信号是否捕获，如果捕获，则进入后续处理环节；如果未捕获，则通过同步控制环节调整本地码的相位和载波频率，重新进行上述过程。

由上述介绍可知，序贯搜索方法在码相位和载波频率二个方向上进行扫描搜索，以找到匹配的码相位和载波频率。因为引起载波变化的多普勒频移有正有负，因此在载波频率方向，一般从标称频率开始，向正负两个方向依次进行扫描；而在码相位方向，由于开始时没有任何有关相位的信息，因此可以从任何相位开始扫描，当然一般选择从起始相位开始，依次遍历所有相位，直至捕获到信号。这种方法的原理非常简单，实现也比较方便，但需要扫描的码相位和载波频率的组合太多，导致耗时较长。

2.载波频率并行搜索捕获法

上述序贯搜索需要搜索的码相位和载波频率的组合太多，耗时太长，因此如果可以将所***相位或者所有载波频率通过一次搜索过程即可判断是否与输入信号匹配，则可大大节约时间，改善性能。

频率并行搜索捕获通过快速傅里叶变换(FFT)，将处理过程由时域变为频域，如图4所示。输入信号与本地产生的PRN码相乘后，通过FFT变换到频域，如果此时本地产生的码相位与输入信号相匹配，则在频域上载波频率对应的位置有个显著的峰值，超过预设门限，如果此时码相位与输入信号不匹配，则频域上各频率对应的位置没有显著的峰值，因此进入同步控制环节调整本地产生的码相位，重复上述过程。即通过FFT，可将所有频率一次搜索完毕，因此可减少搜索次数。

3.码相位并行搜索捕获法

上述频率并行搜索是将所有频率一次搜索完毕，同样也可以将所***相位一次搜索完成，而且由于码相位搜索次数远大于频率的搜索次数，因此如果可以将码相位一次搜索完成，则搜索效率要远大于频率并行搜索。

在序贯搜索中，输入信号与不同码相位的本地码相乘，而实际上可以计算输入信号与没有相位移动的PRN码的循环相关，通过相关与卷积操作在时域、频域之间的联系来得到所***相位的相关结果。图5是码相位并行搜索的示意图。输入信号与本地载波的同相分量和正交分量分别相乘，得到I路和Q路信号，然后经过FFT，与经过FFT的PRN码相乘，然后将结果通过IFFT(傅里叶反变换)转换到时域，其结果的绝对值表示输入信号与PRN码的相关性。如果相关结果中有一个明显的峰值，即峰值超过预设门限，则对应的码相位就是输入信号的码相位。

以上三种方法中，序贯搜索法需要在码相位和载波频率二维图样上依次搜索；而载波频率并行搜索只需在码相位一维图样上依次搜索；码相位并行搜索只需在载波频率一维图样上依次搜索；且码相位步进数比载波频率步进数大得多，因此，第三种方法所需的搜索次数最少，第二种次之，第一种最多。

GPS信号的捕获过程除了需要捕获时间短以外，还需要捕获精度尽可能高，即使得误捕概率低，这与具体的捕获算法有关，尤其与上述方法中的门限预设值相关。当前，为了降低误捕概率，通常需要对初始捕获进行确认，比如：对初始捕获得到的码相位和载波频率连续进行N次捕获确认，如果其中超过M次的相关结果大于预设门限，则表示初始捕获有效，否则，当前初始捕获无效，重新开始捕获过程。又比如，预设值A和K，如果相关值大于预设门限，则K加1，判断K是否等于A，如果是，则表示信号捕获，否则不调整码相位和载波频率，继续捕获；如果相关值不大于预设门限，则K减1，判断K是否等于零或者相关时间是否超过最大相关时间，如果不是，则不调整码相位和载波频率，继续捕获，否则表示信号未捕获，调整码相位和载波频率，并重新设置K，继续捕获。

需要说明的是，各个卫星使用的粗/捕获码之间几乎不相关，即不同C/A码之间的相关值很小；C/A的自相关特性很好，即同一C/A码如果没***相位偏移，则相关值很大，如果存在码相位偏移，则相关值很小。

综上所述，GPS信号的捕获过程要求捕获的速度快、捕获精度高。而现有的方法各有各的优缺点。为了提高GPS信号的捕获性能，加快捕获速度，需要对上述方法进行改进。利用FFT的方法虽然可以减少搜索的次数，但FFT操作的运算量比较大，因此需要设法降低FFT操作的次数；而由于C/A码良好的自相关特性和互相关特性，可以通过一次搜索多个卫星的信号，降低FFT的使用数目；另外，门限的设置与捕获性能密切相关，因此设计合理的门限设置方法以及相关的参数是非常重要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种GPS的C/A码信号的捕获方法，解决目前使用的GPS信号捕获方法无法做到快速且精准兼备的问题。

本发明的技术方案是，一种GPS的C/A码信号的捕获方法，包括粗捕获过程和精捕获过程，其特征是所述粗捕获过程包括下列步骤：

步骤11：本地产生L个卫星信号对应的PRN码，并进行模2加和，然后对结果进行FFT及取共轭操作，得到信号C(k)；

步骤12：本地产生在载波频率搜索范围内的载波频率信号s(n)，并与一段输入信号相乘，然后经过FFT运算，得到信号X(k)；

步骤13：将C(k)与X(k)相乘，得到R(k)，然后进行IFFT运算，得到r(n)，并取模|r(n)|；

步骤14：找出|r(n)|中最大的L个值，并与预设门限值相比较，确定大于预设门限值的|r(n)|对应的码相位和载波频率；

步骤15：将每对码相位和载波频率对应的每个卫星的本地信号与输入信号做相关，结果与预设门限值相比较，如果大于预设门限值，则表示该对码相位和载波频率对应的该卫星信号存在，粗捕获完成；否则跳到步骤11重新进行粗捕获；

所述精捕获过程包括下列步骤：

步骤21：根据粗捕获获得的码相位和载波频率，设置精捕获载波频率步进；

步骤22：根据精捕获载波频率的步进，确定精捕获的搜索范围；

步骤23：根据粗捕获得到的码相位，对输入信号进行处理，去除码相位的影响；

步骤24：在搜索范围内，将去除码相位影响的输入信号与本地载波信号相关，并将相关值与预设门限值相比较，以确定是否真正捕获到卫星信号；

步骤25：如果在搜索范围内没有捕获卫星信号，则跳到步骤11，继续前述各步骤的捕获过程；如果捕获到卫星信号，则将该卫星对应的码相位和载波频率输出，该卫星的捕获结束，继续其他卫星的捕获过程。

所述本地产生L个卫星信号对应的PRN码，L是预先设定的值。

所述步骤14和步骤15中，预设门限值为固定经验值或根据噪声大小设置的值。

所述根据粗捕获获得的码相位和载波频率，设置精捕获载波频率步进的方法是，将搜索空间的码相位定义为粗捕获获得的码相位，载波频率定义为粗捕获获得的载波频率两边各F赫兹，F为粗捕获载波频率的步进；精捕获载波频率步进设置为G赫兹，G＝F/J，J为正整数。

所述步骤24中，预设门限值为固定经验值或根据噪声大小设置的值。

所述将去除码相位影响的输入信号与本地载波信号相关，并将相关值与预设门限相比较，以确定是否真正捕获到卫星信号的方法是，本地载波信号与去除码相位影响的输入信号相关值第一次大于预设门限值开始的连续N次相关值中，如果有M个大于预设门限值，则表示卫星信号捕获；其中M、N为正整数，N大于等于M。

本发明提供的一种GPS的C/A码信号的捕获方法，与现有的GPS捕获方法相比，提高了GPS信号的捕获性能，在保证GPS快速捕获的同时，实现GPS捕获高精度的要求。

附图说明

图1是GPS接收机基本原理图。

图2是GPS接收机中的二维捕获样图。

图3是序贯搜索捕获法示意图。

图4是载波频率并行捕获法示意图。

图5是码相位捕获法示意图。

图6是本发明的GPS的C/A码信号的粗捕获方法流程图。

图7是本发明中GPS的C/A码信号的粗捕获方法示意图。

图8是本发明的GPS的C/A码信号的精捕获方法流程图。

图9是本发明的GPS的C/A码信号的精捕获方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明提供一种GPS的C/A码信号的捕获方法，包括粗捕获过程和精捕获过程。本发明的思路是：首先，对L颗卫星并行进行搜索，L由***设定；使用基于FFT的码相位搜索，得到粗略的码相位和载波频率；判断是否捕获成功所使用的预设门限值设置为固定的经验值，或者根据噪声大小设置的值；如果基于FFT的码相位搜索输出的相关值大于预设门限值，则需要对每个大于预设门限值的相关值对应的码相位和载波频率进行进一步验证，以确定捕获的是哪个卫星。根据上述得到的粗略的码相位和载波频率进行精捕获；搜索空间的码相位定义为粗捕获已得到的粗略码相位，载波频率定义为粗捕获已得到的粗略载波频率两边各F赫兹，F为的粗捕获载波频率的步进；精捕获载波频率步进设置为G赫兹，满足G＝F/J，J为正整数；判断是否捕获成功所使用的预设门限值设置为固定的经验值，或者根据噪声大小设置的值；确认是否真正捕获采用以下方法：连续N次输入信号与本地信号相关中，相关和值大于预设门限值的次数不低于M，其中M、N为正整数且N大于等于M。

在实施例中，不失一般性，取L＝2，F＝200，G＝20，J＝10，N＝10，M＝8。

图6是本发明的GPS的C/A码信号的粗捕获方法流程图。图6中，步骤601：本地产生2个卫星信号对应的PRN码，并进行模2加和，然后对结果进行FFT及取共轭操作，得到信号C(k)。

步骤602：本地产生在载波频率搜索范围内的载波频率信号s(n)，并与一段输入信号相乘，然后经过FFT运算，得到信号X(k)。

步骤603：将C(k)与X(k)相乘，得到R(k)，然后进行IFFT运算，得到r(n)，并取模|r(n)|。

步骤604：找出|r(n)|中最大的2个值，并与预设门限相比较，确定大于门限的|r(n)|对应的码相位和载波频率；

步骤605：将每对码相位和载波频率对应的每个卫星的本地信号与输入信号做相关，结果与预设门限相比较，如果大于门限，则表示该对码相位和载波频率对应的该卫星信号存在，粗捕获完成；否则需要回到步骤601重新进行搜索。

图7是本发明中GPS的C/A码信号的粗捕获方法示意图。图7从另一个方面说明了GPS的C/A码信号的粗捕获方法的实现过程。

图8是本发明的GPS的C/A码信号的精捕获方法流程图。图8中，步骤801：根据粗捕获获得的码相位和载波频率，设置精捕获载波频率步进。

步骤802：根据精捕获载波频率的步进，确定精捕获的搜索范围。

步骤803：根据粗捕获得到的码相位，对输入信号进行处理，去除码相位的影响。

步骤804：在搜索范围内，将去除码相位影响的输入信号与本地载波信号相关，并将相关值与预设门限值相比较，以确定是否真正捕获到卫星信号。

步骤805：如果在搜索范围内没有捕获卫星信号，则跳到步骤601，继续前述各步骤的捕获过程；如果捕获到卫星信号，则将该卫星对应的码相位和载波频率输出，该卫星的捕获结束，继续其他卫星的捕获过程。确定是否真正捕获到卫星信号，采取的方法是：从该本地信号与输入信号相关值第一次大于预设门限开始的连续10次相关值中，如果有8个大于门限值，则表示卫星信号捕获，否则继续搜索。

图9是本发明的GPS的C/A码信号的精捕获方法示意图。图9从另一个方面说明了GPS的C/A码信号的精捕获方法的实现过程。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种GPS的C/A码信号的捕获方法，包括粗捕获过程和精捕获过程，其特征是所述粗捕获过程包括下列步骤：

所述精捕获过程包括下列步骤：

步骤24：在搜索范围内，将去除码相位影响的输入信号与本地载波信号相关，并将相关值与预设门限值相比较，以确定是否真正捕获到卫星信号，具体是，本地载波信号与去除码相位影响的输入信号相关值第一次大于预设门限值开始的连续N次相关值中，如果有M个大于预设门限值，则表示卫星信号捕获；其中M、N为正整数，N大于等于M；

2.根据权利要求1所述的一种GPS的C/A码信号的捕获方法，其特征是所述本地产生L个卫星信号对应的PRN码，L是预先设定的值。

3.根据权利要求1所述的一种GPS的C/A码信号的捕获方法，其特征是所述步骤14和步骤15中，预设门限值为固定经验值或根据噪声大小设置的值。

4.根据权利要求1所述的一种GPS的C/A码信号的捕获方法，其特征是所述根据粗捕获获得的码相位和载波频率，设置精捕获载波频率步进的方法是，将搜索空间的码相位定义为粗捕获获得的码相位，载波频率定义为粗捕获获得的载波频率两边各F赫兹，F为粗捕获载波频率的步进；精捕获载波频率步进设置为G赫兹，G＝F/J，J为正整数。

5.根据权利要求1所述的一种GPS的C/A码信号的捕获方法，其特征是所述步骤24中，预设门限值为固定经验值或根据噪声大小设置的值。