专利名称：一种捕获gps弱信号的方法
技术领域：
本发明涉及GPS (全球卫星定位系统)中捕获卫星弱信号的方法。
背景技术：
扩频通信技术由于使用了码分多址编码技术，使得系统具有良好的抗干扰
和截获性。在现代通信系统中得到了广泛的使用，特别是在已经广泛应用的
全球定位系统中，如美国的GPS系统，欧盟的伽利略系统等。对于在信噪比高
的环境中(如室外或者一般开阔环境中)，对于GPS系统，只要使用lms的数
据就可以得到信号的码相位和载波频率，即可以捕获卫星信号。但是在弱信
号的环境中(功率谱密度低于30dB-Hz甚至20dB-Hz时)，如室内、城市街道或
者狭窄的空间中，如果只使用lms的数据是不足以捕获卫星信号的。这样就需
要在多个周期上累积卫星信号的能量，以能够检测到相关峰值。James Bao-Yen
Tsui于2005年编写的"Fundamentals of Global Positioning System
Receivers A software Approach" —书中探讨了相干组合和非相干组合在捕
获弱信号中的作用，得出在没有数据位跳变时，使用相干组合可以提高信号
的信噪比。GPS信号对导航电文进行调制后的信号，而导航电文肯定不是O和l
交替出现的，因为0和1交替出现的信号是没有信息量的。因此导航数据会出
现连1和连0的情况，而GPS信号中数据位跳变上，就会出现40ms才发生一次跳
变的的情况(一个数据位占20ms)。那么在信号处理中必须考虑20ms和40ms
就发生跳变的可能性。因此对GPS信号的处理过程中，数据位发生跳变时，使
用相干积分时会造成信噪比的迅速减小。使用非相干积分虽然可以提高信号
的信噪比，但和相干积分相比，会带来"平方损失"。因此可以用一种叫做
差分相干积分的方法来提高信噪比。
对于上述提到的三种方法可进行如下表述 相干积分方法<formula>complex formula see original document page 5</formula>
非相干积分:
(2)
差分相干积分方法:
<formula>complex formula see original document page 5</formula>
其中，N为循环伪随机码的周期数，i为随机码码相位，j为GPS信号的码 相位，y为一个随机码周期的相关运算。 上述三种方法的特点
1) 相干积分方法不会引起平方损失，检测峰值的成功率很高，但是在每 20ms的数据中会遇到导航数据位信息的变化，这种变化使得它不合适使用在
积分时间较长的相关峰值检测中；
2) 非相干积分方法在求和前先取每lms相关结果的绝对值，这可以减轻由
于数据位变化引起的问题，但是，随着信噪比的降低，会导致过分的平方损 失。这种方法也不合适使用弱信号环境中。
3) 差分相干积分方法把两个相邻的相关结果乘起来，从公式3中可以看 到，与Ncq非相干积分]相比，这种方法可以在减少平方损失的情况下减轻位
跳变问题。在上述参考文献中已经证明，这种方法在GPS信号存在频率偏移和 衰落环境中要好于NCC。
但是以上2) ， 3)两种方法都是为了避免数据位跳变在积分期间引起的信 噪比损失，虽然取得了一定的效果，但是还是比相干积分信噪比小。
发明内容
本发明针对具有比特跳变而不能长时间使用相干积分来提高信噪比的问 题，提出了一种利用数据位跳变信息来获取高信噪比信号以捕获GPS弱信号 的方法。 为达到以上目的，本发明时采取如下技术方案予以实现的 一种捕获GPS弱信号的方法，包括下述步骤-
a. 利用信噪比估计模块在接收机接收到信号后估计信号的信噪比；
b. 利用所估计到的信噪比设定信号的检测门限值和位跳变检测门限值； 所述位跳变检测门限的大小正比于信噪比的大小；
C.进行位跳变的检测判断，通过位跳变检测器根据所估计到的信噪比来检
测所处理的20ms信号中是否存在^:跳变，当存在位跳变时，根据这个位跳变 信息将后面的20ms的数据序列进行变换，使之不受到位跳变的影响，然后进 行40ms长度时间的相干积分，而不是20ms;接着进行下一个位跳变位置的 判断，每判断一次，就可以延长20ms的相干积分时间，直到达到设定的判断 次数或者所需要的信噪比；当不存在位跳变时，直接进行相干积分以提高信 噪比；
d. 长时间相干积分结果通过一个比较器与设定的信号检测门限值比较判 断，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中；
e. 当发现存在定位所需要的卫星信号，则可以通过GPS接收机继续正常 接收卫星信号，得到导航电文，从而定位；如果没有发现所需要的卫星信号， 则进行更换卫星重复步骤a~d。
上述方案中，确定位跳变利用了下面的式子，并且能够在不同的信噪比 下自动检测到位跳变
<formula>formula see original document page 6</formula> (4)
其中，
<formula>formula see original document page 6</formula>
其中，/ 是所使用的数据点数，？是频率分割数，这里把全部要搜索的时频空间分割为多个相同的子空间，<formula>formula see original document page 7</formula>， L是分割的数量，f表示当前参加运算的部分，A^{U，...20}。上式指出如果两 个相邻峰值的比值大于预先设定的位跳变检测门限i^域信噪比AW，那么就 判断检测到了位跳变的位置，否则可以继续延长相干积分时间。 在步骤c中，所述的判断次数为3次，所需要的信噪比为130db。
本发明与现有技术相比，利用上述方法得到位跳变位置信息后，对跳变的
信号进行处理，使其成为无跳变的信号，然后对其进行相干积分运算，这样
就可以使相干积分的时间大大增加，从而达到所需要的信噪比。用这样的方
法进行弱信号捕获的时候，硬件实现比较方便，利用的硬件资源比较少，并
且可以縮短弱信号搜索的时间。
图1为本发明方法的步骤框图。
图2为本发明图1中位跳变检测判断具体方法的逻辑框图。
具体实施例方式
以下结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。 如图1所示， 一种捕获GP弱信号的方法，包括下述步骤
a. 根据接收信号的信噪比特征，利用信噪比估计模块在接收机接收到信 号后估计信号的信噪比；
b. 当得到信号的信噪比估计值后，根据信噪比来设定信号的检测门限值 和位跳变检测门限值，
c.进行位跳变的检测判断，通过位跳变检测器根据所估计到的信噪比来 检测所处理的20ms信号中是否存在位跳变，当存在位跳变时，根据这个位跳 变信息将后面的20ms的数据序列进行变换(对反转的信号乘以一l)，使之 不受到位跳变的影响，然后进行40ms长度时间的相干积分，而不是20ms， 接着还可以进行下一个位跳变位置的判断，每判断一次，就可以延长20ms的 相干积分时间，直到达到设定的判断次数，或者所需要的信噪比；判断次数定可定为3次。所需要的信噪比为130db;当不存在位跳变时，直接进行相干 积分以提高信噪比。
d. 长时间相干积分结果通过一个比较器与前面设定的信号检测门限值比 较判断来得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中。
e. 当发现存在定位所需要的卫星信号，则可以通过GPS接收机继续正常 接收卫星信号，得到导航电文，从而定位；如果没有发现所需要的卫星信号， 则进行更换卫星重复步骤a d。
GPS信号的准确信噪比一般是未知的，但是可以根据接收到的lms数据或
者几个ms数据估计出信号和周围环境噪声的标准。这样根据信噪比的估计值
就可以去设定信号检测门限值和数据位超夂变检测门限值，信号检测门限值用
来确定被检测的定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中，数据位跳变
检测门限值用来判断接收到的lms或者几个ms (为了方便说明，以下都采用lms
数据进行说明。如果信噪比很弱，可以采集几个ms的数据)信号进行判断，
看是否存在数据位的跳变。
本发明利用一个位跳变检测器来获取位跳变信息及实现位跳变检测判
断。检测器中需要考虑每20ms的相关数据，位跳变门限依赖于信噪比的值，
在本发明中利用位跳变检测门限来验证位跳变出现。位跳变检测(BTT)和信
噪比(SNR)两者之间有一个预先确定的关系(位跳变检测门限的大小正比于
信噪比的大小)，能够在不同的信噪比下自动检测到位跳变。确定位跳变利
用了下面的式子<formula>formula see original document page 8</formula> (4)
其中，
<formula>formula see original document page 8</formula>
其中，PNCC表示相干检测的峰值，N为循环伪随机码的周期数，i为随机的码相
位，j为GPS信号的码相位，y为一个随机码周期的相关运算， <formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 9</formula><formula>formula see original document page 9</formula>上式表示
把所有搜索空间分割为多个相同的子空间，L是分割的数量，e表示当前参加 运算的部分，P是所使用的数据点数，q是频率分割数。
上式指出如果两个相邻峰值的比值大于预先确定的门限^7T( 5M!)，那么 就判断检测到了位跳变的位置，否则可以继续延长相干积分时间。如果检测 到数据位的跳变出现，那么把后续20ms数据序列进行变换(进行反转，相当于 乘以一l)，继续延长相干积分时间来进行相干积分。等到下一个20ms快结束 的时候再次对数据位跳变进行检测。
如图2所示，首先我们设定初始化两个记数器M和N， N用来记录相干 积分所累加的次数，而M则是用来记录位跳变的次数，接下来要设定的还有 P和Q的值，P是N的一个检测标准，Q是M的一个检测标准。这两个值受 到第1MS信号信噪比的影响。接下来就要进行相干积分，在进行相干积分的 同时，要和门限值进行比较。进行比较的目的在于时时检测是否检测到定位 所需要的卫星信号。同时每次相干累加的完成，计数器N就要加1 (N++)。 当累加次数过少，或者说相干积分的时间不够长(相干积分的毫秒数目太少)， 从而信噪比太小，同时如果碰到导航电文的跳变，就要改变跳变后的数据， 此后继续进行相干积分。同时计数器M也要加1 (MW)。
上面的过程会一直进行，直到检测到定位所需要的卫星信号，或着到达 检测的次数M和N就会停止检测；如果长时间相干积分信号的信噪比还是不 能大于信号检测门限值，即没有发现所需要的卫星信号，则进行更换卫星的 操作。
权利要求
1.一种捕获GPS弱信号的方法，其特征在于，包括下述步骤a.利用信噪比估计模块在接收机接收到信号后估计信号的信噪比；b.利用所估计到的信噪比设定信号的检测门限值和位跳变检测门限值；所述位跳变检测门限的大小正比于信噪比的大小；c.进行位跳变的检测判断，通过位跳变检测器根据所估计到的信噪比SNR来检测所处理的20ms信号中是否存在位跳变，当存在位跳变时，根据这个位跳变信息将后面的20ms的数据序列进行变换，使之不受到位跳变的影响，然后进行40ms长度时间的相干积分，而不是20ms；接着进行下一个位跳变位置的判断，每判断一次，就可以延长20ms的相干积分时间，直到达到设定的判断次数或者所需要的信噪比；当不存在位跳变时，直接进行相干积分以提高信噪比；d.长时间相干积分结果通过一个比较器与设定的信号检测门限值比较判断，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中；e.当发现存在定位所需要的卫星信号，则可以通过GPS接收机继续正常接收卫星信号，得到导航电文，从而定位；如果没有发现所需要的卫星信号，则进行更换卫星重复步骤a～d。
2.按照权利要求1所述的捕获GPS弱信号的方法，其特征在于，所述步骤 c中，确定位跳变利用了下面的式子，并且能够在不同的信噪比下自动检测到 位跳变<formula>see original document page 2</formula>(4)其中<formula>see original document page 2</formula><formula>see original document page 3</formula>其中，p是所使用的数据点数，。是频率分割数，这里把全部要搜索的时频空 间分割为多个相同的子空间，<formula>see original document page 3</formula>， L是分割的数量，f表示当前参加运算的部分，We{1,2,...20}。上式指出如果两 个相邻峰值的比值大于预先设定的位跳变检测门限^77或信噪比^SW,那么就判断检测到了位跳变的位置，否则可以继续延长相干积分时间。
3.按照权利要求1所述的捕获GPS弱信号的方法，其特征在于，在步骤c 中，所述的判断次数为3次，所需要的信噪比为130db。
全文摘要
本发明公开了一种利用数据位跳变信息来获取高信噪比信号以捕获GPS弱信号的方法，包括下述步骤a.利用信噪比估计模块在接收机接收到信号后估计信号的信噪比；b.利用所估计到的信噪比设定信号的检测门限值和位跳变检测门限值；c.进行位跳变的检测判断，通过位跳变检测器根据所估计到的信噪比来检测所处理的20ms信号中是否存在位跳变，当存在位跳变时，根据这个位跳变信息将后面的20ms的数据序列进行变换，使之不受到位跳变的影响，然后进行40ms长度时间的相干积分，当不存在位跳变时，直接进行相干积分以提高信噪比；d.长时间相干积分结果通过一个比较器与设定的信号检测门限值比较判断，得出定位所需要的卫星信号是否存在于接收信号中。
文档编号G01S1/00GK101206255SQ20071018859
公开日2008年6月25日 申请日期2007年12月13日 优先权日2007年12月13日
发明者周文益, 磊 曹 申请人:西安华迅微电子有限公司