CN114019545A - 一种gps卫星信号的快速捕获算法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及卫星定位接收机算法技术领域的一种GPS卫星信号的快速捕获算法，包括以下步骤：首先将接收机捕获的信号划分为L个数据块，且每个数据块均包含长度为一个伪码周期的数字中频信号；然后将L个数据块的相同位置进行叠加。本发明对接收机捕获的信号频率补偿后进行分段累加，在保证捕获精度的前提下，大幅减少运算量，缩短捕获时间，同时提高捕获灵敏度。

Description

一种GPS卫星信号的快速捕获算法
技术领域
本发明涉及卫星定位接收机算法技术领域，特别是涉及一种GPS卫星信号的快速捕获算法。
背景技术
全球定位***(GPS)是一种全天候、全球覆盖、高精度、自动化的卫星导航定位***，该***向有适当接收设备的全球范围用户提供精确、连续的三维位置和速度信息。GPS自投入运行以来，已经发展成为一个涵盖各领域的服务***。
卫星信号的捕获算法是卫星定位接收机的关键，传统的捕获算法通常采用基于FFT的相干积分和非相干积分相结合的方法，例如在使用GPS信号进行定位和导航前首先需要对卫星信号进行捕获，GPS卫星信号的传统捕获算法一般为频域并行捕获算法，频域并行捕获算法的原理框图如图3所示，频域并行捕获算法是一种基于FFT的捕获算法，搜索覆盖全部搜索频点和全部伪码序列，对于正常功率的GPS信号，通常只需要处理lms的导航数据，就能够完成GPS信号的捕获，但是对于GPS弱信号而言，通常处理lms的导航数据所获得的判决量并不可靠，难以实现捕获，此时就需要通过增加捕获算法所用的数据长度，采用相关积分和非相关积分相结合的方法，来提高捕获灵敏度，但同时导致FFT相关运算的计算量将成倍增长，从而造成捕获速度降低。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种GPS卫星信号的快速捕获算法。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种GPS卫星信号的快速捕获算法，包括以下步骤：
步骤一：将接收机捕获的信号划分为L个数据块，且每个数据块均包含长度为一个伪码周期的数字中频信号；
步骤二：将L个数据块的相同位置进行叠加得到一个伪码周期的长度数据。
优选的，对步骤一中的接收机捕获的信号进行频率补偿，使得步骤二中叠加后的长度数据能够取到最大值。
优选的，补偿频率的选择方法包括以下步骤：
A1：选取频率为50Hz的搜索步长，对1KHz的频率范围进行搜索，得到20个补偿频率Δfk，补偿频率Δfk根据
Figure BDA0003316956510000011
产生20个长度为20ms的频率补偿序列Pk(n)；
A2：对每一个频率补偿序列Pk(n)和数据长度进行逐点相乘得到第一新序列，并对第一新序列进行分块累加运算得到一个第二新序列；
A3：对第二新序列的每一个数据样点进行平方运算，得到平方序列；
A4：对平方序列做FFT运算，寻找是否出现超过门限值的尖峰，若出现超过门限值的尖峰，则受多普勒影响的实际载波频率能够通过尖峰所对应的频率值除以2再减去对应的频率补偿值求得，若没有出现超过门限的尖峰，则进行下一个频率补偿序列搜索，直到出现峰值为止；
A5：对出现尖峰的序列通过伪码捕获算法进行伪码相位捕获，搜索全部伪码序列，并根据捕获结果显示出实际载波频率。
优选的，A2中数据长度的获取方法包括以下步骤：
B1：本地产生一个具有补偿频率的连续波信号，该连续波信号与接收机捕获的信号相乘，得到一个伪码周期内初始相位一致的载波调制信号；
B2：根据伪码周期对载波调制信号进行同样的块叠加得到一个伪码周期长度的数据长度。
有益效果在于：
1、对接收机捕获的信号频率补偿后进行分段累加，在保证捕获精度的前提下，大幅减少运算量，缩短捕获时间，同时提高捕获灵敏度。
本发明的附加技术特征及其优点将在下面的描述内容中阐述地更加明显，或通过本发明的具体实践能够了解到。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明在S/N＝-20dB的状态下捕获结果图；
图2是本发明的S/N＝-25dB的状态下捕获结果图；
图3是现有技术中频域并行捕获算法原理框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一，一种GPS卫星信号的快速捕获算法，包括以下步骤：
步骤一：将接收机捕获的信号划分为L个数据块，且每个数据块均包含长度为一个伪码周期的数字中频信号，由于GPS伪码数据为周期1ms的周期函数，因此在不同数据块内的相同位置的采样数据，伪码数据Ck保持不变，；
步骤二：将L个数据块的相同位置进行叠加得到一个伪码周期的长度数据。
实施例二，在实施例一的基础上，对步骤一中的接收机捕获的信号进行频率补偿,使得步骤二中叠加后的长度数据能够取到最大值,这样设置为了使叠加后的信号可以取到最大值。
实施例三，在实施例二的基础上，补偿频率的选择方法包括以下步骤：
A1：选取频率为50Hz的搜索步长，对1KHz的频率范围进行搜索，得到20个补偿频率Δfk，补偿频率Δfk根据
Figure BDA0003316956510000031
产生20个长度为20ms的频率补偿序列Pk(n)；
补偿频率的选择方法：搜索步长可以根据运算能力和运算速度酌情处理，搜索步长越小，相应的运算量越大，捕获峰值也越高。选取50Hz为搜索步长，覆盖1KHz的频率搜索范围就会产生20个补偿频率，对于每一个补偿频率产生一个对应的频率补偿序列Pk(n)，
Figure BDA0003316956510000032
一共产生20个长度为20ms的频率补偿序列，对每一个频率补偿序列与输入数据进行分块累加运算，具体运算详见下文。
A2：对每一个频率补偿序列Pk(n)和数据长度进行逐点相乘得到第一新序列，并对第一新序列进行分块累加运算得到一个第二新序列；
该步骤的算法为捕获得到的原始信号与本地生成的频率补偿序列逐点相乘，处理后的数据由于已经经过频率补偿，满足分块累加的条件。
A3：对第二新序列的每一个数据样点进行平方运算，得到平方序列；
A4：对平方序列做FFT运算，寻找是否出现超过门限值的尖峰，若出现超过门限值的尖峰，则受多普勒影响的实际载波频率能够通过尖峰所对应的频率值除以2再减去对应的频率补偿值求得，若没有出现超过门限的尖峰，则进行下一个频率补偿序列搜索，直到出现峰值为止；
捕获得到的原始信号与本地生成的频率补偿序列逐点相乘，处理后的数据由于已经经过频率补偿，对应整毫秒的数据初始相位相同，可以进行块累加运算，对累加后的信号进行的FFT为传统FFT运算，经运算后即可得到输入信号的载波频率。
A5：对出现尖峰的序列通过伪码捕获算法进行伪码相位捕获，搜索全部伪码序列，并根据捕获结果显示出实际载波频率，根据需要，还能够显示卫星信号的PRN、伪码相位；
由于卫星信号的捕获为二维捕获，即在载波频率和伪码相位二维搜索，上述运算为载波频率维度的捕获运算，可以节省运算量和提高捕获灵敏度，尤其在提高捕获灵敏度方面，具有明显优势。载波频率维度捕获后，还要继续依据传统的伪码捕获算法进行伪码相位捕获；
卫星信号的PRN：对于GPS***而言，每颗卫星对应的伪随机码是固定的，即卫星PRN编号与伪码序列一一对应。在某个伪码序列上出现捕获峰值，表示对应该伪码序列的卫星被捕获；
伪码相位：频率补偿后的输入信号通过传统的FFT算法即可求得；
实际载波频率：根据对平方序列做FFT运算，若出现超过门限值的捕获尖峰，则实际载波频率通过尖峰所对应的频率值除以2再减去对应的频率补偿值即可求得，若没有出现超过门限的尖峰，则进行下一个频率补偿序列搜索，直到出现峰值为止。
实施例四，在实施例三的基础上，A2中数据长度的获取方法包括以下步骤：
B1：本地产生一个具有补偿频率的连续波信号，该连续波信号与接收机捕获的信号相乘，得到一个伪码周期内初始相位一致的载波调制信号；
B2：根据伪码周期对载波调制信号进行同样的块叠加得到一个伪码周期长度的数据长度。
以下对本发明的具体实施方式进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
如图1-2所示，假设接收机捕获的信号为长度L ms，采样速率为fs的GPS数字中频信号，其中L是整数，则从卫星编号为k的卫星得到的采样数据Sk(n)能够表示为：
Figure BDA0003316956510000041
式中：下标k表示卫星编号，ts表示采样周期，Dk表示导航电文数据，Ck表示卫星的C/A码，fk表示受多普勒影响的实际载波频率，Vk表示高斯白噪声。
将接收机捕获的信号划分为L个数据块，每个数据块均包含长度为lms的数字中频信号，由于GPS导航电文数据速率为50bps，能够保证Dk不变的最大时间长度为20ms，因此选取L＝20，并且认为在这L个数据块内Dk保持不变。由于GPS伪码数据为周期1ms的周期函数，因此在不同数据块内的相同位置的采样数据，伪码数据Ck保持不变。将这L个数据块的相同位置进行叠加，能够得到：
Figure BDA0003316956510000042
将L个数据块的相同位置进行叠加后，由长度为Lms的数字中频信号变成长度为lms的数据，从上式中能够看出，
Figure BDA0003316956510000043
能取到的最大值为1，当取最大值时，意味着原始信号被放大了L倍，但是fk能够认为是在[fc10kHz，fc+10kHz]范围内随机分布，因此接收机捕获的信号直接叠加不能保证
Figure BDA0003316956510000044
能够取到最大值。
为了使叠加后的信号能够取到最大值，因此本地产生一个频率为Δfk的连续波信号
Figure BDA0003316956510000045
将Pk(n)和接收机捕获的信号Sk(n)相乘，得到一个载波调制信号：
Figure BDA0003316956510000046
对长度L ms的载波调制信号进行同样的块叠加，能够得到：
Figure BDA0003316956510000051
从上式中能够看出，由于Nts＝1ms，因此当fk+Δf为1kHz的整数倍时，
Figure BDA0003316956510000052
即接收机捕获的信号被放大了L倍。
对接收机捕获的信号进行载波调制实际上是将接收机捕获的信号进行频率补偿，得到每个伪码周期内(1ms)初始相位一致的载波信号，然后根据C/A码周期对频率补偿信号进行L个分段累加，这样信号强度增大L倍，信号功率增大L2倍，而累加后的噪声仍为高斯白噪声，功率只增大L倍，因此经过频率补偿后再进行L块累加能够将信噪比增大101gL dB。而原始信号之所以不能直接累加是因为每个数据块的起始载波相位不同步，叠加后不能保证信号被有效增强。对于GPS卫星信号的捕获而言，能将卫星信号强度提高，就会更加容易地捕获到信号。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其效物界定。

Claims (4)

1.一种GPS卫星信号的快速捕获算法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：将接收机捕获的信号划分为L个数据块，且每个数据块均包含长度为一个伪码周期的数字中频信号；
步骤二：将L个数据块的相同位置进行叠加得到一个伪码周期的长度数据。
2.根据权利要求1的一种GPS卫星信号的快速捕获算法，其特征在于：对步骤一中的接收机捕获的信号进行频率补偿,使得步骤二中叠加后的长度数据能够取到最大值。
3.根据权利要求2的一种GPS卫星信号的快速捕获算法，其特征在于：补偿频率的选择方法包括以下步骤：
A1：选取频率为50Hz的搜索步长,对1KHz的频率范围进行搜索，得到20个补偿频率Δfk，补偿频率Δfk根据
Figure FDA0003316956500000011
产生20个长度为20ms的频率补偿序列Pk(n)；
A2：对每一个频率补偿序列Pk(n)和数据长度进行逐点相乘得到第一新序列，并对第一新序列进行分块累加运算得到一个第二新序列；
A3：对第二新序列的每一个数据样点进行平方运算，得到平方序列；
A4：对平方序列做FFT运算，寻找是否出现超过门限值的尖峰，若出现超过门限值的尖峰，则受多普勒影响的实际载波频率能够通过尖峰所对应的频率值除以2再减去对应的频率补偿值求得，若没有出现超过门限的尖峰，则进行下一个频率补偿序列搜索，直到出现峰值为止；
A5：对出现尖峰的序列通过伪码捕获算法进行伪码相位捕获，搜索全部伪码序列，并根据捕获结果显示出实际载波频率。
4.根据权利要求3的一种GPS卫星信号的快速捕获算法，其特征在于：A2中数据长度的获取方法包括以下步骤：
B1：本地产生一个具有补偿频率的连续波信号，该连续波信号与接收机捕获的信号相乘，得到一个伪码周期内初始相位一致的载波调制信号；
B2：根据伪码周期对载波调制信号进行同样的块叠加得到一个伪码周期长度的数据长度。
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