专利名称：Gps信号捕获方法与系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及GPS (Global Position System,全球定位系统)弱信号捕获领域,具体涉及一种GPS信号捕获方法与系统。
背景技术：
目前，GPS已经在全世界 得到了广泛的应用，但大多是在信号条件较理想的环境中。当信号条件不理想时，例如在室内、森林和城市等环境中，遮挡、多径和干扰等现象较严重，GPS就得不到很好的应用。而这些环境恰是人类活动的主要场所，在这些环境中有很多重要的GPS应用需求，高性能GPS卫星导航接收机正是为满足这一需求而产生的，成了导航领域的主要研究方向。而GPS信号的高灵敏度捕获算法处在GPS接收机基带信号处理的最前端，是提高GPS接收机性能的关键。传统的快速傅里叶变换(FFT)的频域捕获技术具有运算效率高的特性，但积累时间不能过长。差分相干处理技术将相干积分结果进行差分处理，延长了积累时间，提高了弱GPS信号的捕获灵敏度。然而当接收机和GPS卫星相对速度较大时，接收机接收的GPS信号将产生较大的多普勒频移，在长时间积分下，大多普勒频移将对码片速率产生较大影响，造成码周期不准，用FFT做循环卷积时存在相关功率损失；差分相干捕获也会引起残余载波多普勒频率的相关功率损失。Ziedan N I，焦瑞祥等人利用DBZP技术减小了 FFT计算过程中由大多普勒频移引起码片速率变化造成的相关功率损失，然而捕获过程中，在每个预检测积分时间内都需要对最可靠的数据位组合进行估计，并利用它去掉先前的数据位，这样需要较大的运算开销。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种GPS信号捕获方法与系统，该方法与系统能够有效降低在傅里叶变换过程中由大多普勒频移引起码片速率变化而造成的相关功率损失。为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的一种GPS信号捕获方法，包括如下步骤步骤一对卫星发射GPS模拟信号进行下变频及采样，并设定合适的多普勒频移变量初值及最大值即设定多普勒频移搜索范围，同时设定多普勒频移搜索间隔、检测阈值、卫星号变量初值及卫星号最大值；步骤二 根据待搜索的卫星号及其多普勒频率偏移产生本地伪码信号；步骤三对采样后的GPS信号和本地产生的伪码信号进行双块零拓展；步骤四对步骤三中经双块零拓展后的信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算;步骤五对步骤四的相关结果进行处理，并保留第一个有用信息子块；步骤六对保存的有用信息子块进行差分相干累加；
步骤七计算步骤六中差分相干结果的相关均值，并从步骤六的差分相干结果中找出最大相关值，然后计算最大相关值与相关均值的比值(Maximum to mean, MTM)；步骤八将步骤七中计算的最大相关值与相关均值的比值与步骤一所设定的检测阈值进行比较；若比较结果超过检测阈值，则步骤七中最大相关值所对应的码相位和多普勒频移值即为初次捕获的码相位和多普勒频移值；若比较结果未超过检测阈值，则重复步骤二搜索同一颗卫星的下一多普勒频移，当该颗卫星所设频率点搜完后，则重复步骤二搜索下一颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，表示捕获不成功。为了能够削弱残余载波多普勒频移造成的功率损失，作为上述方案的改进，本发明在获得了初次捕获的码相位和多普勒频移之后，还进一步包括对初次捕获的多普勒频移进行修正的步骤，即步骤九根据步骤六的差分相干结果，首先利用式①求出多普勒频移误差的估计值，然后根据多普勒频移误差的估计值利用式②对初次捕获的多普勒频移值进行修正；
4d①上式中，4为多普勒频移误差的估计值，Ta为相干积分时间，& (f)为又下第k段码时延为f的相关结果，为m「丨段码时延为f的相关结果，义为初次捕获的多普勒频移值；
_9]上式中，//为修正后的多普勒频移值，又为初次捕获的多普勒频移值，^为多普勒频移误差的估计值；步骤十利用修正后的多普勒频移对码相位进行二次搜索，即利用修正后的多普勒频移值重复步骤二进行捕获，若在修正后的多普勒频移上捕获成功，则此时最大相关值所对应的码相位和修正后的多普勒频移值即为捕获结果。上述方案中，所述多普勒频移搜索范围最好为-IOKHz IOKHz。上述方案中，所述多普勒频移搜索间隔最好为250Hz 500Hz。上述方案中，所述检测阈值最好介于3 7之间。上述方案中，所述卫星号变量的初值最好为I,最大值为30。—种GPS信号捕获系统,包括如下模块变频采样模块对卫星发射GPS模拟信号进行下变频并采样；本地伪码产生模块根据待搜索的卫星号及其多普勒频率偏移产生本地伪码信号;双块零拓展模块分别对变频采样模块输出的GPS信号和本地伪码产生模块输出的伪码信号进行双块零拓展；快速傅里叶变换循环卷积相关模块对双块零拓展模块输出的信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算；有用信息保存模块对快速傅里叶变换循环卷积相关模块输出的相关结果进行处理，并保留第一个有用信息子块；累加模块对有用信息保存模块内保存的有用信息子块进行差分相干累加；
最大相关值与相关均值的比值计算模块计算累加模块输出的差分相干结果的相关均值，并从累加模块输出的差分相干结果中找出最大相关值，然后计算此时的最大相关值与相关均值的比值；最大相关值与相关均值的比值阈值检测模块将最大相关值与相关均值的比值计算模块输出的最大相关值与相关均值的比值与预先设定的检测阈值进行比较；若比较结果超过检测阈值，则最大相关值与相关均值的比值计算模块中的最大相关值所对应的码相位和多普勒频移值即为初次捕获的码相位和多普勒频移值；若比较结果未超过检测阈值，则返回至本地伪码产生模块搜索同一颗卫星的下一多普勒频移，当该颗卫星所设频率点搜完后，则重复本地伪码产生模块搜索下一颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，表示捕获不成功。作为上述方案的改进，在最大相关值与相关均值的比值阈值检测模块的输出端，还接有对初次捕获的多普勒频移进行修正的修正模块，该修正模块首先根据累加模块输出的差分相干结果，求出多普勒频移误差的估计值，并利用该多普勒频移误差的估计值对初次捕获的多普勒频移进行修正；然后利用修正后的多普勒频移值对码相位进行二次搜索， 即利用修正后的多普勒频移值重复步骤二进行捕获，若在修正后的多普勒频移上捕获成功，则此时最大相关值所对应的码相位和修正后的多普勒频移值即为捕获结果。与现有技术相比，本发明将快速傅里叶变换(FFT)、双块零拓展(Double BlockZero Padding, DBZP)、差分相干、频差修正等技术有机地结合,这样既能实现高效快速的GPS信号捕获，还能改善快速傅里叶变换计算过程中由大多普勒频移引起码片速率变化而造成的相关功率损失；此外，本发明在捕获过程中还引入了频差修正技术，削弱了残余多普勒频移误差造成的功率损失，并实现高效快速的捕获。
图I为一种GPS信号捕获系统的原理图。
具体实施例方式本发明一种GPS信号捕获方法，如图I所示，包括有如下步骤步骤一对卫星发射的GPS模拟信号进行下变频及采样，并设定合适的多普勒频移变量初值及最大值即设定多普勒频移搜索范围，同时设定多普勒频移搜索间隔、检测阈值、卫星号变量初值及卫星号最大值。在本发明中，所述多普勒频移搜索范围为-IOKHz IOKHz。所述多普勒频移的搜索间隔为250Hz 500Hz。所述检测阈值是指MTM检测阈值，其中MTM表示最大相关值与相关均值的比值，若计算所得MTM超过检测阈值Bt即认为信号被准确捕获，在本发明中，所述检测阈值Bt设定为3 7之间。根据目前GPS卫星的数目，在本发明中，所述卫星号变量的初值设定为I，最大值设定为30。从卫星发射的LI频段GPS模拟信号下变频和采样后的数字中频信号为
喲) Ad{tj)C{{t] fT)(lJ A))COs(2^I(//f J fd)t] J ￠)) n(t)( I )
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式中，A为信号幅度，d(t)为导航数据信息，C(t)为C/A码’ fd为多普勒频移，fL1为高频载波频率，fIF为中频载波频率，0为初始相位，n(t)为加性高斯白噪声，\为第j个采样时刻，T为信号到达接收机的时延。步骤二 根据待搜索的卫星号及其多普勒频率偏移产生本地伪码信号。第k个时间段本地产生的伪码信号模型为
权利要求
1.GPS信号捕获方法，其特征是包括如下步骤 步骤ー对卫星发射的GPS模拟信号进行下变频及采样，并设定合适的多普勒频移变量初值及最大值即设定多普勒频移捜索范围，同时设定多普勒频移捜索间隔、检测阈值、卫星号变量初值及卫星号最大值； 步骤ニ 根据待搜索的卫星号及其多普勒频率偏移产生本地伪码信号； 步骤三对采样后的GPS信号和产生本地伪码信号进行双块零拓展； 步骤四对步骤三中经双块零拓展后的信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算； 步骤五对步骤四的相关结果进行处理，并保留第一个有用信息子块； 步骤六对保存的有用信息子块进行差分相干累加； 步骤七计算步骤六中差分相干结果的相关均值，并从步骤六的差分相干结果中找出最大相关值，然后计算最大相关值与相关均值的比值； 步骤八将步骤七中计算的最大相关值与相关均值的比值与步骤一所设定的检测阈值进行比较；若比较结果超过检测阈值，则步骤七中最大相关值所对应的码相位和多普勒频移值即为初次捕获的码相位和多普勒频移值；若比较结果未超过检测阈值，则重复步骤ニ捜索同一颗卫星的下一多普勒频移，当该颗卫星所设频率点搜完后，则重复步骤ニ捜索下ー颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，表示捕获不成功。
2.根据权利要求I所述的GPS信号捕获方法，其特征是，在获得了初次捕获的码相位和多普勒频移之后，还进一歩包括对初次捕获的多普勒频移进行修正的步骤，即 步骤九根据步骤六的差分相干结果，首先利用式①求出多普勒频移误差的估计值，然后根据多普勒频移误差的估计值利用式②对初次捕获的多普勒频移值进行修正； Δ又=(り)① 2^ia k=l 上式中，多普勒频移误差的估计值，Ta为相干积分时间，& (f)为元下第k段码时延为ぞ的相关結果，n_r(f)为又下第k-Ι段码时延为f的相关结果，又为初次捕获的多普勒频移值； Λ'=Λ+ΔΑ ② 上式中，テン为修正后的多普勒频移值，又为初次捕获的多普勒频移值，八4为多普勒频移误差的估计值； 步骤十利用修正后的多普勒频移值对码相位进行二次捜索，即利用修正后的多普勒频移值重复步骤ニ进行捕获，若在修正后的多普勒频移上捕获成功，则此时最大差分相关值所对应的码相位和修正后的多普勒频移值即为捕获結果。
3.根据权利要求I或2所述GPS信号捕获方法，其特征是，所述多普勒频移捜索范围为-IOKHz IOKHz。
4.根据权利要求I或2所述GPS信号捕获方法，其特征是，所述多普勒频移捜索间隔为250Hz 500Hz ο
5.根据权利要求I或2所述GPS信号捕获方法，其特征是，所述检测阈值介于3 7之间。
6.根据权利要求I或2所述GPS信号捕获方法，其特征是，卫星号变量的初值为1，最大值为30。
7.GPS信号捕获系统，其特征是包括如下模块 变频采样模块对卫星发射的GPS模拟信号进行下变频并采样； 本地伪码产生模块根据待搜索的卫星号及其多普勒频率偏移产生本地伪码信号； 双块零拓展模块分别对变频采样模块输出的采样后的信号和本地伪码产生模块输出的伪码信号进行双块零拓展； 快速傅里叶变换循环卷积相关模块对双块零拓展模块输出的信号利用快速傅里叶变换循环卷积进行相关运算； 有用信息保存模块对快速傅里叶变换循环卷积相关模块输出的相关结果进行处理，并保留第一个有用信息子块； 累加模块对有用信息保存模块内保存的有用信息子块进行差分相干累加； 最大相关值与相关均值的比值计算模块计算累加模块输出的差分相干结果的相关值均值，并从累加模块输出的差分相干结果中找出最大值、并计算此时的最大相关值，然后计算此时的最大相关值与相关均值的比值； 最大相关值与相关均值的比值阈值检测模块将最大相关值与相关均值的比值计算模块输出的最大相关值与相关均值的比值与预先设定的检测阈值进行比较；若比较结果超过检测阈值，则最大相关值与相关均值的比值计算模块中最大差分相干值所对应的码相位和多普勒频移值即为初次捕获的码相位和多普勒频移值；若比较结果未超过检测阈值，则返回至本地伪码产生模块搜索下一多普勒频移，当该颗卫星所设频率点搜完后，则重复本地伪码产生模块搜索下ー颗卫星，直到搜索完所有的卫星，则退出捕获，表示捕获不成功。
8.根据权利要求7所述的GPS信号捕获系统，其特征是在MTM阈值检测模块的输出端，还接有对初次捕获多普勒频移进行修正的修正模块，该修正模块首先根据累加模块输出的差分相干结果，求出多普勒频移误差的估计值，并利用该多普勒频移误差的估计值对初次捕获的多普勒频移值进行修正；然后，利用修正后的多普勒频移值对码相位进行二次捜索，即利用修正后的多普勒频移值重复步骤ニ进行捕获，若在修正后的多普勒频移上捕获成功，则此时最大相关值所对应的码相位和修正后的多普勒频移值即为捕获結果。
全文摘要
本发明公开一种GPS信号捕获方法与系统，该方法与系统将快速傅里叶变换(FFT)、双块零拓展(Double Block Zero Padding，DBZP)、差分相干、频差修正等技术有机地结合，使其既能实现高效快速的GPS信号捕获，还能改善快速傅里叶变换计算过程中由大多普勒频移引起码片速率变化而造成的相关功率损失；此外，频差修正技术还能够削弱残余多普勒频移误差造成的功率损失，并实现高效快速的捕获。
文档编号G01S19/24GK102662183SQ20121012833
公开日2012年9月12日 申请日期2012年4月27日 优先权日2012年4月27日
发明者张彤, 张顺岚, 欧阳宁, 莫建文, 袁华, 首照宇 申请人:桂林电子科技大学