专利名称：一种gps接收机的信号捕获方法
技术领域：
本发明涉及一种GPS接收机的信号捕获方法，属于卫星导航中信号捕获技术领域。

背景技术：
随着信息技术的发展，在二十世纪70年代出现了卫星导航系统GPS(globel positionsystem)，能够廉价便捷的为全世界任何地方、任何时候，提供高精度和连续的位置、速度、航向、姿态和时间等信息。卫星导航将改变空中、海上和陆上交通管制与调度系统的体制，为交通运输的发展提供更大的空间，有利于世界海、陆、空运输的经济性与安全性，如用于加勒比海护航舰队的GPS卫星导航系统、用于客机的GPS导航系统、未来的大飞机将采用北斗卫星导航系统。因此卫星导航对于国家乃至世界经济的发展、国际间的交流与合作有重大意义，有利于推动全球经济一体化的发展。
随着全球卫星导航定位系统在国民经济和国防建设的影响和作用日益增大，特别是其具有的重大战略意义，已引起我国的高度重视，并相继开展了有关研究，建立起深层次的卫星导航定位研发基地。
GPS卫星导航的主要设备是GPS接收机，GPS接收机涉及到的关键技术主要有信号的捕获、高动态信号的跟踪、高精度定位解算等。其中，信号捕获是GPS接收机的重要组成部分，是信号跟踪和解调导航数据位的前提。现有的信号捕获技术有码相位串行捕获、多普勒频移串行捕获，这些算法运算量大，费时长，不利于信号的快速捕获、定位等。James Bao-yenTsui.Fundamentals of Global Positioning System Receiversa software approach[M].New YorkJohn Wiley&Sons Inc.，2000.公开了一种基于FFT(Fast FourierTransformation)的码相位并行捕获算法，其算法实现原理如图1所示，基于FFT的码相位并行捕获算法运算相对较快，但是由于在具体实施过程中，通常的算法需要大量的傅里叶变换计算，也比较费时。


发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提出一种GPS接收机的信号捕获方法，达到了捕获时间短、捕获结果精确的效果。
本发明的一种GPS接收机的信号捕获方法，包括以下几个步骤 步骤一设定多普勒频移的搜索次序； 根据卫星及载体的运动情况，设定多普勒频移的搜索次序，搜索次序中包括n个多普勒频移，搜索步长为q，单位为kHz； 步骤二GPS接收机接收中频数字信号，对信号进行粗捕获，得到粗多普勒频移和C/A码相位； 具体包括以下几个步骤 (1)根据设定的多普勒频移搜索次序，本地载波振荡器与C/A码发生器产生当前多普勒频移下的中频信号，中频信号与接收到的中频数字信号进行相关运算，得到第一个多普勒频移处各个C/A码相位的相关值，相关值中最大值为峰值P0，峰值P0对应的C/A码相位为N0； (2)获取第i个多普勒频移处的各个码相位的相关值，得到峰值Pi和峰值Pi对应的C/A码相位Ni；其中，i＝2、3…n； (3)如果Pi/P0≥S，则停止进行第i+1个至第n个多普勒频移的搜索，捕获到与C/A码发生器产生的C/A码对应的卫星信号，得到粗多普勒频移fdop在第i个多普勒频移处，对应的C/A码相位是Ni，转到步骤三，其中S为门限设置，根据信号信噪比确定，fdop单位为kHz；否则转到步骤(4)； (4)如果S＞Pi/P0≥1，返回步骤(2)，计算i+1个多普勒频移处的峰值和峰值对应的C/A码相位；否则转到步骤(5)； (5)如果Pi/P0＜1，则另P0＝Pi，返回步骤(2)，计算i+1个多普勒频移处的峰值和峰值对应的C/A码相位； (6)当所有多普勒频移搜索完毕，没有得到满足Pi/P0≥S的Pi值，则表明信号中没有与C/A码发生器产生的C/A码对应的卫星信号，C/A码发生器产生的下一颗卫星的C/A码序列，返回步骤(1)，继续搜索卫星信号； 步骤三对粗捕获后的信号进行精细捕获，得到精细多普勒频移； 具体包括以下几个步骤 I本地C/A码产生器以步骤二中得到的C/A码相位为起始位，产生T时间长度的本地C/A码序列，将C/A码序列与接收到的中频数字信号相乘，剥离中频数字信号的C/A码，则中频数字信号变为连续载波信号； II在

kHz范围内，设步长

依次得到七个多普勒频移x1至x7，分别将七个多普勒频移下本地振荡器产生的中频信号与连续载波进行相关运算，得到七个相关值y1至y7，在七个相关值中选取d个相关值，依次记为h1至hd，h1至hd对应的多普勒频移为e1至ed，3≤d≤7； 选取方法具体为 i当d＝3时，设七个相关值中最大的相关值为ym，对应的多普勒频移为xm，取xm-1和xm+1及其对应的相关值为ym-1和ym+1，其中，2≤m≤6； ii当d＝4时，设七个相关值中最大的相关值为ym，ym对应的多普勒频移为xm； ①当m＝2时，选取相关值y1至y4及其对应的多普勒频移x1至x4； ②当m＝6时，选取相关值y4至y7及其对应的多普勒频移x4至x7； ③当3≤m≤5时，取xm-1和xm+1及其对应的相关值为ym-1和ym+1，选取ym-2与ym+2之中较大值及其对应的多普勒频移； iii当d＝5时，设七个相关值中最大的相关值为ym，对应的多普勒频移为xm， ①当m＝2时，选取相关值y1至y5及其对应的多普勒频移x1至x5； ②当m＝6时，选取相关值y3至y7及其对应的多普勒频移x3至x7； ③当3≤m≤5时，取xm-2、xm-1、xm+1、xm+2及其对应的相关值为ym-2、ym-1、ym+1、ym+2； iv当d＝6时，将y1与y7中较小值及其对应的多普勒频移去掉，选取其余六个相关值及其对应的多普勒频移； v当d＝7时，选取七个相关值及其对应的多普勒频移； 建立二次曲线的模型方程 其中a，b，c为待求系数，ei为多普勒频移，hi为ei对应的相关值，i＝1、2、…d，则建立方程组 Ax＝B (2) 其中 采用二次曲线拟合方法，解线性方程组得 x＝(ATA)-1ATB (4) 通过式(4)得到a，b，c，带入式(1)，根据二次曲线的性质得到最大值对应的位置为 X为精细多普勒频移；则精细多普勒频移X、步骤二中得到的C/A码相位是Ni，完成卫星信号捕获，停止本颗卫星多普勒频移的搜索，返回步骤二，进入下一颗卫星的捕获。
本发明的优点在于 (1)本发明中对中频数字信号的粗捕获，根据载体的运动特性，首先搜索多普勒频移出现可能性较大的那些频率，这种多普勒频移的跳序搜索减少多普勒频移搜索次数，减少搜索运算量，提高捕获速度； (2)本发明中对中频数字信号的粗捕获，只需获取某一多普勒频移下，本地载波振荡器和本地C/A码发生器产生的中频信号与接收的中频数字信号在各个码相位处的相关峰值，无需计算相关次最大值或者相关均值； (3)本发明中对中频数字信号的精细捕获，缩短多普勒频移搜索步长，采用二次曲线拟合的方式获得精细多普勒频移，这样得到的精细多普勒频移速度快，精度高，捕获结果准确，易于操作，而且对导航数据位的跳变不敏感； (4)本发明不仅能够运用到GPS接收机系统中，也可以在其他基于CDMA信号格式的卫星导航接收机系统中应用，具有较好的通用性。



图1是背景技术中码相位并行捕获算法示意图； 图2是本发明的方法流程图； 图3是本发明的信号捕获示意图。

具体实施例方式 下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种GPS接收机的信号捕获方法，流程如图2和图3所示，包括以下几个步骤 步骤一设定多普勒频移的搜索次序； 根据卫星及载体的运动情况，设定多普勒频移的搜索次序，搜索次序中包括n个多普勒频移，搜索步长为q，单位为kHz。对于地面上运动的载体，多普勒频移范围设置在[-7，7]kHz比较合理，多普勒频移在±2，±3kHz出现的概率较大，因此，首先搜索这些多普勒频移能够更快的捕获到卫星的中频数字信号，本发明中设定多普勒频移的搜索次序是[-2，2，-3，3，-1，1，-4，4，0，-5，5，-6，6，-7，7]，单位是kHz，搜索步长为1kHz。对于空中或者其他特定环境下的情况，多普勒频移的搜索次序可有卫星运动及载体的运动情况经过推导确定。
步骤二GPS接收机接收中频数字信号，对信号进行粗捕获，得到粗多普勒频移和C/A码相位； GPS接收机接收中频数字信号，然后基于FFT的码相位并行捕获算法，本发明的粗捕获具体包括以下几个步骤 (1)根据设定的多普勒频移搜索次序，本地载波振荡器与C/A码发生器产生当前多普勒频移下的中频信号，中频信号与接收到的中频数字信号进行相关运算，得到第一个多普勒频移处各个C/A码相位的相关值，相关值中最大值为峰值P0，峰值P0对应的C/A码相位为N0； 所述的相关运算是指将中频信号与接收到的中频数字信号在各个点相乘，然后求和，得到的结果即为相关值。
(2)获取第i个多普勒频移处的各个码相位的相关值，得到峰值Pi和峰值Pi对应的C/A码相位Ni；其中，i＝2、3…n。
(3)如果Pi/P0≥S，其中S为门限设置，根据信号信噪比确定之间，门限在1.6-2.0之间，通常取经验值1.8，则停止进行第i+1个至第n个多普勒频移的搜索，捕获到与C/A码发生器产生的C/A码对应的卫星信号，得到粗多普勒频移fdop在第i个多普勒频移处，对应的C/A码相位是Ni，fdop的单位为kHz，转到步骤三；否则转到步骤(4)； (4)如果S＞Pi/P0≥1，返回步骤(2)，计算i+1个多普勒频移处的峰值和峰值对应的C/A码相位；否则转到步骤(5)； (5)如果Pi/P0＜1，则让P0＝Pi，返回步骤(2)，计算i+1个多普勒频移处的峰值和峰值对应的C/A码相位； (6)当所有多普勒频移搜索完毕，没有得到满足Pi/P0≥S的Pi值，则表明信号中没有与C/A码发生器产生的C/A码对应的卫星信号，改变C/A码发生器产生的C/A码，使C/A码发生器产生的下一颗卫星的C/A码序列，返回步骤(1)，继续搜索卫星信号； 步骤三对粗捕获后的信号进行精细捕获，得到精细多普勒频移； 因为粗捕获得到的卫星信号分辨率为

kHz的载频，不能满足载波跟踪环的要求，因此本发明通过精细捕获使本地载波振荡器频率和信号载波频率相差在几十赫兹内。
本发明利用粗捕获得到的C/A码相位，缩短多普勒频移搜索步长计算相关值，采用二次曲线拟合的方法获取精细载频，具体包括以下几个步骤 (1)本地C/A码产生器以步骤二中得到的C/A码相位为起始位，产生T时间长度的本地C/A码序列，T为1-5ms，通常取1ms，将C/A码序列与接收到的中频数字信号相乘，剥离中频数字信号的C/A码，则中频数字信号变为连续载波信号。
(2)根据粗捕获得到的多普勒频移fdop，则中频数字信号多普勒频移在

kHz之内，在

kHz范围内，设步长

kHz，依次得到七个多普勒频移x1至x7，分别将七个多普勒频移下本地载波振荡器产生的中频信号与连续载波进行相关运算，得到七个相关值y1至y7，在七个相关值中选取d个相关值，依次记为h1至hd，h1至hd对应的多普勒频移为e1至ed，3≤d≤7。
选取方法具体为 i当d＝3时，设七个相关值中最大的相关值为ym，对应的多普勒频移为xm，取xm-1和xm+1及其对应的相关值为ym-1和ym+1，其中，2≤m≤6； ii当d＝4时，设七个相关值中最大的相关值为ym，ym对应的多普勒频移为xm； ④当m＝2时，选取相关值y1至y4及其对应的多普勒频移x1至x4； ⑤当m＝6时，选取相关值y4至y7及其对应的多普勒频移x4至x7； ⑥当3≤m≤5时，取xm-1和xm+1及其对应的相关值为ym-1和ym+1，选取ym-2与ym+2之中较大值及其对应的多普勒频移； iii当d＝5时，设七个相关值中最大的相关值为ym，对应的多普勒频移为xm， ④当m＝2时，选取相关值y1至y5及其对应的多普勒频移x1至x5； ⑤当m＝6时，选取相关值y3至y7及其对应的多普勒频移x3至x7； ⑥当3≤m≤5时，取xm-2、xm-1、xm+1、xm+2及其对应的相关值为ym-2、ym-1、ym+1、ym+2； iv当d＝6时，将y1与y7中较小值及其对应的多普勒频移去掉，选取其余六个相关值及其对应的多普勒频移； v当d＝7时，选取七个相关值及其对应的多普勒频移。
建立二次曲线的模型方程 其中a，b，c为待求系数，xi为多普勒频移，yi为xi对应的相关值，i＝1、2、…d，则可建立方程组 Ax＝B(2) 其中 采用二次曲线拟合方法，解此线性方程组得 x＝(ATA)-1ATB (4) 通过式(4)得到a，b，c，带入式(1)，根据二次曲线的性质得最大值对应的位置为 X即为精细多普勒频移，则得到的精细多普勒频移X和码相位Ni，停止本颗卫星多普勒频移的搜索，返回步骤二，进入下一颗卫星的捕获。
利用实际采集得到及信号模拟器产生的多组信号进行仿真验证，本发明捕获费时约5s，多普勒频移及C/A码相位捕获精度较高，能够满足载波跟踪环路的要求。
实施例1 搜索PRN5号卫星的卫星信号，设中频数字信号的中频是4.123968MHz，采样频率是16.367667MHz，捕获时多普勒频移搜索步长1kHz，根据步骤一，设多普勒频移搜索次序是[-2，2，-3，3，-1，1，-4，4，0，-5，5，-6，6，-7，7]，单位是kHz。
由步骤二得到，在多普勒频移2kHz时，峰值3705比较突出，与第一个峰值1531相比，比值大于门限1.8，则可以确定信号中含有PRN5号卫星的信号，且粗捕获得到的多普勒频移为2kHz，对应的码相位是13001，后面的多普勒频移则无需继续搜索，为了清晰说明在其他几个多普勒频移处的相关值，列出相关值如表1。
表1PRN5星在各个多普勒频移处的相关峰值及码相位 根据步骤三，计算2kHz左右两侧间隔250Hz的6个相关值，列表如2。
表2精细多普勒频计算的相关值 由上表可知，选择多普勒频移[1.25，1.5，1.75]kHz为自变量xi，对应相关峰值[3729，4481，3986]为因变量yi，经过曲线拟合，所得的精细多普勒频移为1525Hz，至此，已经得到中频数字信号的多普勒频移为1525Hz及C/A码相位13001，停止本颗卫星多普勒频移的搜索，进入下一颗卫星的捕获。
实施例2 搜索PRN8号卫星的卫星信号，设中频数字信号的中频是4.123968MHz，采样频率是16.367667MHz，捕获时多普勒频移搜索步长1kHz，根据步骤一，设多普勒频移搜索次序是[-2，2，-3，3，-1，1，-4，4，0，-5，5，-6，6，-7，7]，单位是kHz。通过步骤二，表3是卫星PRN8在各个多普勒频移处的相关值，各个峰值比较接近，没有突出的尖峰，最大峰值为1585，最小峰值为1255，不满足较大峰值与较小峰值之比大于设定门限1.8的条件，则中频数字信号中不含PRN8号卫星的信号。
表3PRN8星在各个多普勒频移处的相关峰值及码相位
权利要求
1.一种GPS接收机的信号捕获方法，其特征在于，包括以下几个步骤
步骤一设定多普勒频移的搜索次序；
根据卫星及载体的运动情况，设定多普勒频移的搜索次序，搜索次序中包括n个多普勒频移，搜索步长为q，单位为kHz；
步骤二GPS接收机接收中频数字信号，对信号进行粗捕获，得到粗多普勒频移和C/A码相位；
具体包括以下几个步骤
(1)根据设定的多普勒频移搜索次序，本地载波振荡器与C/A码发生器产生当前多普勒频移下的中频信号，中频信号与接收到的中频数字信号进行相关运算，得到第一个多普勒频移处各个C/A码相位的相关值，相关值中最大值为峰值P0，峰值P0对应的C/A码相位为N0；
(2)获取第i个多普勒频移处的各个码相位的相关值，得到峰值Pi和峰值Pi对应的C/A码相位Ni；其中，i＝2、3…n；
(3)如果Pi/P0≥S，则停止进行第i+1个至第n个多普勒频移的搜索，捕获到与C/A码发生器产生的C/A码对应的卫星信号，得到粗多普勒频移fdop在第i个多普勒频移处，对应的C/A码相位是Ni，转到步骤三，其中S为门限设置，根据信号信噪比确定，fdop单位为kHz；否则转到步骤(4)；
(4)如果S＞Pi/P0≥1，返回步骤(2)，计算i+1个多普勒频移处的峰值和峰值对应的C/A码相位；否则转到步骤(5)；
(5)如果Pi/P0＜1，则另P0＝Pi，返回步骤(2)，计算i+1个多普勒频移处的峰值和峰值对应的C/A码相位；
(6)当所有多普勒频移搜索完毕，没有得到满足Pi/P0≥S的Pi值，则表明信号中没有与C/A码发生器产生的C/A码对应的卫星信号，C/A码发生器产生的下一颗卫星的C/A码序列，返回步骤(1)，继续搜索卫星信号；
步骤三对粗捕获后的信号进行精细捕获，得到精细多普勒频移；
具体包括以下几个步骤
I本地C/A码产生器以步骤二中得到的C/A码相位为起始位，产生T时间长度的本地C/A码序列，将C/A码序列与接收到的中频数字信号相乘，剥离中频数字信号的C/A码，则中频数字信号变为连续载波信号；
II在
kHz范围内，设步长
依次得到七个多普勒频移x1至x7，分别将七个多普勒频移下本地振荡器产生的中频信号与连续载波进行相关运算，得到七个相关值y1至y7，在七个相关值中选取d个相关值，依次记为h1至hd，h1至hd对应的多普勒频移为e1至ed，3≤d≤7；
选取方法具体为
i当d＝3时，设七个相关值中最大的相关值为ym，对应的多普勒频移为xm，取xm-1和xm+1及其对应的相关值为ym-1和ym+1，其中，2≤m≤6；
ii当d＝4时，设七个相关值中最大的相关值为ym，ym对应的多普勒频移为xm；
①当m＝2时，选取相关值y1至y4及其对应的多普勒频移x1至x4；
②当m＝6时，选取相关值y4至y7及其对应的多普勒频移x4至x7；
③当3≤m≤5时，取xm-1和xm+1及其对应的相关值为ym-1和ym+1，选取ym-2与ym+2之中较大值及其对应的多普勒频移；
iii当d＝5时，设七个相关值中最大的相关值为ym，对应的多普勒频移为xm，
①当m＝2时，选取相关值y1至y5及其对应的多普勒频移x1至x5；
②当m＝6时，选取相关值y3至y7及其对应的多普勒频移x3至x7；
③当3≤m≤5时，取xm-2、xm-1、xm+1、xm+2及其对应的相关值为ym-2、ym-1、ym+1、ym+2；
iv当d＝6时，将y1与y7中较小值及其对应的多普勒频移去掉，选取其余六个相关值及其对应的多普勒频移；
v当d＝7时，选取七个相关值及其对应的多普勒频移；
建立二次曲线的模型方程
其中a，b，c为待求系数，ei为多普勒频移，hi为ei对应的相关值，i＝1、2、…d，则建立方程组
Ax＝B(2)
其中
采用二次曲线拟合方法，解线性方程组得
x＝(ATA)-1ATB(4)
通过式(4)得到a，b，c，带入式(1)，根据二次曲线的性质得到最大值对应的位置为
X为精细多普勒频移；则精细多普勒频移X、步骤二中得到的C/A码相位是Ni，完成卫星信号捕获，停止本颗卫星多普勒频移的搜索，返回步骤二，进入下一颗卫星的捕获。
2.根据权利要求1所述的一种GPS接收机的信号捕获方法，其特征在于，多普勒频移的搜索次序为[-2，2，-3，3，-1，1，-4，4，0，-5，5，-6，6，-7，7]，单位是kHz，搜索步长为1kHz。
3.根据权利要求1所述的一种GPS接收机的信号捕获方法，其特征在于，门限设置S取值为1.6-2.0之间。
4.根据权利要求3所述的一种GPS接收机的信号捕获方法，其特征在于，门限设置S取值为1.8。
5.根据权利要求1所述的一种GPS接收机的信号捕获方法，其特征在于，步骤三中，时间长度T为1-5ms。
6.根据权利要求5所述的一种GPS接收机的信号捕获方法，其特征在于，步骤三中，时间长度T为1ms。
全文摘要
本发明公开了一种GPS接收机的信号捕获方法，包括以下几个步骤，步骤一设定多普勒频移的搜索次序；步骤二GPS接收机接收中频数字信号，对信号进行粗捕获，得到粗多普勒频移和C/A码相位；步骤三对粗捕获后的信号进行精细捕获，得到精细多普勒频移；本发明中对中频数字信号的粗捕获，根据载体的运动特性，首先搜索多普勒频移出现可能性较大的那些频率，这种多普勒频移的跳序搜索减少多普勒频移搜索次数，减少搜索运算量，提高捕获速度；本发明中对中频数字信号的精细捕获，缩短多普勒频移搜索步长，采用二次曲线拟合的方式获得精细多普勒频移，速度快，精度高，捕获结果准确，易于操作，而且对导航数据位的跳变不敏感。
文档编号G01S19/31GK101819278SQ201010133579
公开日2010年9月1日 申请日期2010年3月25日 优先权日2010年3月25日
发明者杨静, 王献中 申请人:北京航空航天大学