专利名称：一种对卫星进行快速捕获的方法及其实现设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种GPS (全球定位系统)定位导航领域，更具体的是，涉及 一种用于GPS卫星定位导航接收机的对卫星进行快速捕获的方法及其实现设 备。
背景技术：
GPS利用导航卫星进行测时和测距，是当前最先进的精密卫星导航定位系 统。它不仅具有全球性、全天候、自动化和连续的精密三维定位能力，而且还 能实时地对接收机的速度、姿态进行测定以及精确授时。随着它在军事、经济 建设和科学实验等各个领域应用的蓬勃发展，它将在军用、民用各个方面的渗 透必将朝着更宽广的范围和更深刻的层次发展，因而也会带来对GPS导航定 位接收机的各个性能的更高要求。GPS卫星采用扩频技术发送卫星导航电文，其频带高达20MHz左右，在 占用率比较低的L波段上，易于传送扩频后的宽度信号。随着卫星定位导航系 统需求的增长，应用领域的扩大，各种卫星定位导航系统也有了更高的性能要 求，需要在很多技术上进行改进，包括启动时间、在较弱的卫星信号下工作， 以及使用功率的能源消耗等。关于启动时间这一性能要求，这十几年在现代社会的定位需求中逐渐被重 视起来。启动时间包括三个方面冷启动时间、温启动时间和热启动时间。当 前时间、用户初始位置、历书和星历这些参数中已知参数的个数决定了进行它 们三个中的哪种启动。其中，冷启动就是当时间、初始位置、历书和星历中任 一项都未知的情况下启动，从开始到产生定位结果的时间。在大部分的情况下， 进入冷启动的诱因一般是由初始位置的变动导致的温启动失败或者用户的出 厂首次开机，因此可以改进的策略是快速搜索到第一颗卫星后，再搜索几颗卫 星直到能直接从卫星信号的解调数据和计算得到当前接收机的定位；得到一个 大概的位置后，再进行温启动。
而这个冷启动时间很大程度上决定于捕获到足够数量的卫星(以供较精确 的定位)的时间。所以，提高卫星定位系统捕获速度会大大提高冷启动时间这 一重要性能。关于在较弱的卫星信号下工作这一方面，对于由GPS卫星定位的导航定位系统，其接收到的卫星信号强弱情况决定于接收机头顶天空视界的空旷、周 围环境等因素。所以，在车辆或用户经过对卫星有遮挡的建筑或树木时，或者 是卫星信号受到较强的干扰时，卫星信号的可读性和正确率都会受到很大影 响，会很大程度上减少卫星定位导航系统定位的精确度。而这种情况在定位导 航系统的使用中出现频率很高，所以在民用甚至非民用的定位产品的设计中必 须最大程度上减小较弱卫星信号对卫星定位导航系统的负面影响。另外，在工作功率能耗方面，由于GPS基带处理芯片经常用于使用电池 的便携式设备，如掌上电脑、智能手机、 一体化导航仪、测量装备和各种其他 使用GPS基带处理芯片进行定位导航的设备，低功耗对于用户来说是一项很 重要的指标。当GPS接收机工作时，会消耗比关闭时多很多的能量。因此， 在设计GPS接收机时，有效縮短其工作时间，例如减少捕获时间也可以帮助 解决能耗节约的问题。另外，由于捕获过程是一个随机变量的遍历过程，它包含了很多随机性因 素，这些因素在很大程度会影响捕获的精确性1) 码序列(GPS采用PN码)相位的初始不确定性；2) 信道失真(比如，衰落信道、加性干扰等都是随机变量)；3) 可能存在的随机数据；4) 未知的载波相位(非相干接收)或多普勒频移；5) 系统前端部分的加性高斯白噪声。所以，对GPS接收机的捕获方法进行改善，能够在解决这些随机性因素 的不确定性的情况下，不仅以更快的速度进行卫星的捕获，也能够处理较弱的 卫星信号，是一项很有益的发明。这有助于大大减少冷启动时间，有助于增加 较弱卫星信号下接收机捕捉卫星和定位的精确度，还有助于有效减少GPS接 收机的工作功耗。
发明内容
本发明所涉及的科学原理及技术支持如下目前同步捕获算法(或搜索)的使用中，成熟而广泛采用的是相关搜索技 术，即采用不同相位的本地序列与接收序列做相关运算，由相关值的大小判断 序列是否同步。捕获时，判断信号是否存在的判断依据是用本地预设的扩频码 和载波对接收信号分别进行解扩和解调，判断运算结果是否超过门限。卫星信号的搜索就是确定三个未知量卫星序号(伪随机码码号)、多普 勒(D叩pler)频移和伪随机码(C/A码)的码相位。 一个完整的GPS卫星信号搜索方案必须包括这三个未知量的三维搜索过程。冷启动目前常采取的策略是 遍历搜索，当捕获到足够多的卫星(通常3颗)时即可实现第一次定位(2D 定位)。(码的搜索有多种方法，例如循环相关、延迟与累积搜索和串行搜索。 本文档中为了描述方便以串行搜索为例说明。)卫星相对接收机作高速运动，这种运动将在载波频率和码频率上附加一个 多普勒频移。在20， 000km高空运行的GPS卫星，其导航定位信号在用户接收 天线产生的卫星多普勒频移为公式1多普勒频移的计算方法式中,为GPS卫星发射的载波频率；,为用户接收机收到的卫星发射的载波频率；力为多普勒频移； C为光速；^为GPS卫星相对于用户接收机的径向速度，即伪距变化率。 其中，伪距变化率为公式2伪距变化率的计算方法式中Vs为GPS卫星的运行速度；Gamma为用户和GPS卫星星下点之间点弧长。
由公式1和公式2可见，载波频率越高，多普勒频移就越大，测量用户 的行驶速度也越有利。例如，当,=1575'42^^， 「s=3'87()6^/s， c = 3xlG8—、z = 3G°时，该信号产生的最大多普勒频移仅为i^o^fe 。捕获过程中的搜索策略是一个很重要的方面，即检验器采用某种特定的算 法遍历整个位置相位区间的过程。通常，把整个未知相位区间分为有限个小区 间，每次检测一个小区间。检测可以采用相关方式或非相关方式；可以采用不 同相关积分；也可以采用不同的判决准则。在卫星序号已知情况下，以通常采 用的一套二维搜索方案为例，如
图1所示。多普勒频移以—^^~^皿为范围 的频段(例如，-17.603^&~17.603^^范围的频段)被均分为 段。则在一次 遍历多普勒频移范围时要搜索的次数为公式3 —次多普勒频移遍历下多普勒频移频段数的计算方法式中 为一次多普勒频移范围遍历需要搜索的次数，即多普勒频移频 段数；A,为多普勒频移搜索步长，即一个小区间的多普勒频移范围。 为保证搜索的每一区间的码相位都具有较好的码相关特性，同时也减少搜 索的相位区间数， 一个完整周期的1023个码片按全码片或更小的码片作为步 长搜索。则要一次码相位遍历需要搜索的次数为公式4一次码相位遍历下码相位区间数的计算方法式中^为一次码相位遍历需要搜索的次数，即码相位区间数; Ac为每次搜索的码片步长。以采用半码片为例，即^ = /2，则码相位数目为2046个；即当以半码片为步长搜索时，遍历一个完整周期的1023个码片需要搜索2046次码片。设每一小区间(对应一个码相位和多普勒频移点的组合)完成搜索需要时 间7^，则一次完整的二维搜索用时为
公式5 —次完整二维搜索所需时间式中^为一次完整二维搜索所需时间；7"为每一个小区间完成搜索需要的时间； 为要搜索的多普勒频移区间数目。在上述技术概念和原理关系下，本发明的首要目的是提供一种用于GPS 卫星定位导航接收机的对卫星进行快速捕获的方法。该方法通过在对GPS卫 星进行捕获中多普勒频移的首轮遍历搜索中以较严格的搜索条件，控制多普勒 频移搜索等的相关参数的设置，以较少时间和运算量来搜索到绝大多数有效卫 星的信号；使得通过在之后的遍历搜索中对这些搜索参数进行自适应的调整， 放宽搜索条件，从而进一步有效捕获到卫星。采用本发明方法后可以在最少时 间和最小运算量的代价下搜索到有效卫星的信号，以达到搜索效率、搜索总时 间和运算量的最优化，有效减少平均冷启动时间。本发明的另 一个目的是提供一种实现上述发明方法的设备。根据上述发明目的其具体技术方案如下就技术原理而言，本发明方法就是在搜索策略上通过一些参数自适应的变 化来优化搜索过程，提高搜索效率，以减少捕获时间。本发明所指的捕获策略 优化方法主要针对某颗卫星到捕获过程，尤其是一颗卫星都没有捕获到时的搜 索策略。需要说明的是，卫星的捕获过程是多普勒频移、码相位和卫星序号的三维 搜索过程。其中多普勒频移的遍历和码相位的遍历是相互结合的。以下说明仅 仅以先进行码搜索，再进行多普勒频移遍历为例；反之同理。码的搜索有多种 方法，例如循环相关、延迟与累积搜索和串行搜索。本文档中为了描述方便以 串行搜索为例说明。具体地说，本发明所提出的一种对卫星进行快速捕获的方法，该方法包括: 为提高卫星捕获效率，有效减少平均捕获时间进行的自适应的多普勒频移具体说明如下(1) 对于某颗卫星而言，在进行捕获的搜索过程中，首轮搜索采用较粗略较 快速的初始多普勒频移搜索方式；例如采用较大搜索步长或者较小的多普勒频 移搜索范围先搜索多普勒频移值发生概率最高(例如，在零值附近)的多普勒 频移范围；(2) 如果成功捕获该卫星，则跳出该卫星的搜索过程；反之，如果当第一轮 完整的多普勒频移遍历搜索完成后，仍然如果没有捕获到该卫星信号，则进入 步骤(3);(3) 在第二轮捕获该卫星时，则再适当采用更严格的搜索方式，例如扩大多 普勒频移的搜索范围或者采用更小的搜索多普勒频移步长；(4) 以此类推，重复步骤(2)和步骤(3)，逐渐增加搜索严格程度，例如扩大多普勒频移的搜索范围和縮小搜索步长；可按实际应用需要选择重复的次数和每次搜索条件增加的程度，例如扩大的范围量和每次縮小的步长量。其中搜索参数需根据实际卫星接收机的使用用途和性能需求来设定。步骤(l)中初始多普勒频移搜索范围可用较小的值，例如是最大多普勒频移范围四分之一的值；或者较大的多普勒频移步长，则搜索次数较少。因为在实际应用中，尤其是常用的信号干扰较多的城市或信号较好的野外的定位导航应用中，通常大多卫星的多普勒频移都在一个较小的值。甚至采用是最大多普勒频移范围四分之一的值作为搜索范围和较大的多普勒频移步长，就能搜索到很大部分的有效卫星。根据公式3和公式5，因为搜索范围_/*皿 /^减小了， 或者一个小区间的多普勒频移范围A/变大，则等效于一次多普勒频移范围遍历需要搜索的次数Wy的减少，搜索时间T也减少了。因此，采用较小的初始多普 勒频移搜索范围，在保证绝大部分情况下搜索成功的前提下，大大减少了搜索时间。但是由于个别的实际的多普勒频移值不在搜索范围之内；另外搜索的多普 勒频移值和实际卫星的多普勒频移有细微的相差，该相差如果比较大会导致相 关结果的不准确，严重可能无法捕获到实际有效的卫星。而采用较小的多普勒 频移步长搜索或者较小的搜索范围这些比较严格的搜索参数，虽然 隹确度有一 定程度上的提高，所需的搜索时间却大大增加了。所以，多普勒频移搜索参数 的设定也需根据实际卫星接收机的使用用途和性能需求。而在步骤(3)中的严格后的多普勒频移的搜索参数的设定和搜索次数(即重 复步骤(2)和步骤(3)的次数)需要相互结合地进行考虑使得接收机能在最少时间内搜索到有效卫星，在合适的时间代价下判定并舍弃无效卫星，以达到搜索 总时间和效率的最优化。本发明方法是通过捕获中搜索参数自适应的调整，在首轮遍历搜索中以较 少时间和运算量来捕获到绝大多数有效卫星的信号，而通过在之后的遍历搜索中放宽搜索条件来进一步有效搜索卫星在最少的时间、运算量代价下搜索到 有效卫星的信号，以达到搜索效率、搜索总时间和运算量的最优化。因此也能 有效减少平均冷启动时间，减少接收机功率和工作能耗，同时通过再次遍历搜 索中条件的放宽来保证弱信号下的有效搜索，对解决目前GPS的性能要求有一 定的帮助。另外，根据本发明方法思路所提供的一种能实现GPS卫星导航时对卫星进行快速捕获的设备，该设备是一种提供的捕获参数自适应调整的快速捕获装置，包括用于接收和解调有效卫星信号以及进行搜索捕获的操作的接收和处理GPS 卫星信号的GPS捕获处理模块；用于在适当的时候自适应的调节各个捕获参数，并控制相关器、FFT、 GPS 捕获处理模块的相关搜索参数的捕获参数调节模块；用于对离散的时域信号进行采集和傅立叶计算的快速傅立叶变换设备；用于把经过计算单元处理的接收机定位信息传送给位置信息显示设备或 车辆导航设备的通讯接口上述装置中快速傅立叶变换设备可以由硬件实现，也可以由软件实现。软 件的实现方式为采用专用的数字信号处理程序，程序可为C语言编程程序或专 用的数字信号处理器专用的开发程序，采用基2或基4的算法，实现快速傅立 叶变换运算。硬件的实现方式采用专用的快速傅里叶变换运算的ASIC模块单 元。本方法因为在搜索时，优先在最可能的范围以最快搜索的条件进行捕获， 然后再考虑漏补的情况，对目前现有的而维搜索的捕获方法进行了改进和提 高，以最小的时间和运算量代价有效捕获卫星。采用该方法后，时间和运算量
能有效减少到三分之一，甚至更少。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本发明。 图1为C/A码和多普勒频移的二维搜索示意图。 图2为本发明方法的步骤流程图。 图3为本发明所提供的设备结构图。图4为实例说明中C/A码和多普勒频移的二维搜索的初始情况和范围图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解， 下面结合具体图示，进一步阐述本发明。根据上述发明内容中的技术方案，其流程如图2所示，需要说明的是图中 所指的"设置较粗略的初始搜索参数"是指比如较小的多普勒频移范围、较大 的多普勒频移步长等。而"增加搜索参数的严格程度"是指比如扩大多普勒频 移范围、减小多普勒频移步长等。下面列举具体事例。本实施例中采用先捕获码相位，再遍历多普勒频移的搜索方式；反之同理。设每一方格对应一个码相位区间和一个多普勒频移频段的组合，如图1所 示。码的搜索有多种方法，例如循环相关、延迟与累积搜索和串行搜索。本文档中为了描述方便以串行搜索为例说明。如图4所示， 一个多普勒频段搜索时间规定为Ar (A『为图中的积分时间长度， 一般定为1 5个C/A码周期)。如果初始多普勒频移域范围为 -3.5*他~3.5*论，在l个较短的码周期内做积分，设定多普勒频移步长A/约为 667Hz，则频率域的多普勒频移范围被均分为IO个频段。这样就得到了多普勒频移和码相位的组合数为10X1023X2二20460。如果 在频率域并行搜索C/A码,则只要在这个范围内，不管信号的多普勒频移和C/A 码相位往哪个方向偏移，基本系统都可以检测出来的。初始多普勒频移范围和多普勒频移步长如此设置，即使在卫星信号常有干 扰的城市环境内的车载应用中，也可以在首轮搜索中捕获到大多数的有效卫 星。因此既保证了有较高的捕获效率，也有效縮短了搜索时间。在进行多普勒频移搜索时可采用本发明提到的方式，由搜索到多普勒频移 的可能性最大的较小区域开始，向绝对值较大的区域搜索。在第一轮搜索中，只要捕获到一颗或更多卫星，就能估算出实际到多普勒 频移，获得卫星星历等，即可进行天空上有效卫星的估计，进入温启动。所有卫星的第一轮搜索都结束后，如果没有搜索到足够卫星，则考虑按照 本发明的内容，对搜索参数采用更宽容的条件将多普勒频移搜索范围提高到 _l7.603 fe~n.603 ;将多普勒频移的步长调整成300Hz。这里以一次改变所有多个搜索参数为例。每次改变一个参数或多个参数都是同理的。另外如图3所示，该图示为本发明提供的捕获参数自适应调整的快速捕获装置，包括一个接收和处理GPS卫星信号的GPS捕获处理模块，用于接收和解调有效 卫星信号以及进行搜索捕获的操作。一个捕获参数调节模块，用于在适当的时候自适应的调节各个捕获参数， 并控制相关器、FFT、 GPS捕获处理模块的相关搜索参数。以接收和解码来自 GPS卫星的信号，进行卫星信号码剥离和载波剥离。一个FFT (快速傅立叶变换设备)，用于对离散的时域信号进行采集和傅立 叶计算。FFT可以由硬件实现，也可以由软件实现。一个通讯接口 ，用于把经过计算单元处理的接收机定位信息传送给位置信 息显示设备或车辆导航设备。以上列举的仅仅是基于本发明较佳的基本实施例，并不能用来限定本发明 的范围。任何对本发明实施步骤、各个参数的综合变化和等同改变均不超过本 发明的揭露以及保护范围。
权利要求
1、一种对卫星进行快速捕获的方法，该方法包括为提高卫星捕获效率，有效减少平均捕获时间进行的自适应的多普勒频移搜索的参数调整步骤；其特征在于，(1)对于某颗卫星而言，在进行捕获的搜索过程中，首轮搜索采用较粗略较快速的初始多普勒频移搜索方式；即采用较大搜索步长或者较小的多普勒频移搜索范围先搜索多普勒频移值发生概率最高的多普勒频移范围；(2)如果成功捕获该卫星，则跳出该卫星的搜索过程；反之，如果当第一轮完整的多普勒频移遍历搜索完成后，仍然如果没有捕获到该卫星信号，则进入步骤(3)；(3)在第二轮捕获该卫星时，则再适当采用更严格的搜索方式；即扩大多普勒频移的搜索范围或者采用更小的搜索多普勒频移步长；(4)以此类推，重复步骤(2)和步骤(3)，逐渐增加搜索严格程度，即扩大多普勒频移的搜索范围和缩小搜索步长；可按实际应用需要选择重复的次数和每次搜索条件增加的程度，扩大的范围量和每次缩小的步长量。
2、 根据权利要求1的对卫星进行快速捕获的方法，其特征在于，所述步 骤中搜索参数需根据实际卫星接收机的使用用途和性能需求来设定例如初始 多普勒频移搜索范围可用较小的值是最大多普勒频移范围四分之一的值，或者 较大的多普勒频移步长，从而实现搜索次数的减少。
3、 根据权利要求1的对卫星进行快速捕获的方法，其特征在于，所述步 骤中增加搜索严格程度后的多普勒频移的搜索参数的设定和搜索次数还需要 相互结合地进行考虑，以便使得接收机能在最少时间内搜索到有效卫星，在合 适的时间代价下判定并舍弃无效卫星，从而达到搜索总时间和效率的最优化。
4、 根据权利要求1所提供的对卫星进行快速捕获的设备，该设备是一种 提供的捕获参数自适应调整的快速捕获装置，其特征在于，包括-用于接收和解调有效卫星信号以及进行搜索捕获的操作的接收和处理GPS 卫星信号的GPS捕获处理模块；用于在适当的时候自适应的调节各个捕获参数，并控制相关器、FFT、 GPS 捕获处理模块的相关搜索参数的捕获参数调节模块； 用于对离散的时域信号进行采集和傅立叶计算的快速傅立叶变换设备； 用于把经过计算单元处理的接收机定位信息传送给位置信息显示设备或车辆导航设备的通讯接口。
5、根据权利要求4的对卫星进行快速捕获的设备，其特征在于，该装置中快速傅立叶变换设备可以由硬件实现，也可以由软件实现。
全文摘要
本发明公开了一种用于GPS卫星定位导航接收机的对卫星进行快速捕获的方法及其实现设备。所述方法通过在对GPS卫星进行捕获中的首轮遍历搜索中以较严格的搜索条件，控制多普勒频移等搜索的参数的设置，以较少时间和运算量来搜索到绝大多数有效卫星的信号；而通过在之后的遍历搜索中对这些搜索参数进行自适应的调整，放宽搜索条件，进一步有效捕获到卫星。通过本发明的操作，可以在最少时间和最小运算量的代价下搜索到有效卫星的信号，以达到搜索效率、搜索总时间和运算量的最优化，有效减少平均冷启动时间。另外，根据该方法本发明还提供了相应的实现设备。
文档编号G01S5/14GK101109793SQ200710044460
公开日2008年1月23日 申请日期2007年8月1日 优先权日2007年8月1日
发明者刘春晖, 张达文, 李兴仁, 峻 杨, 杨一茜, 林锦麟, 金荣伟 申请人:上海华龙信息技术开发中心