维普资讯 http://www.cqvip.com 第２６卷第３期 ２ ０ ０ ３年９月 长春理工大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．３ Ｓｅｐ．２ ０ ０ ３ 文章编号：１０ｏ４—４８５Ｘ（２００３）０３—００９９—０４ ＧＰＳ接收信号捕获方法的研究 代 燕 李洪祚 王孟芝 （长春理工大学电子信息工程学院，吉林长春１３００２２） 摘要：全球定位系统（ＧＰＳ）是随着现代科学技术的迅速发展而建立起来的新一代精密卫星定 位系统。本文对ＧＰＳ信号的捕获方法进行了研究。 关键词：ＧＰＳ信号；伪码；捕获 中图分类号：５ｉ０．５０９９文献标识码：Ａ ＧＰＳ系统采用的是扩频通信，对于扩频 系统来说，捕获就是指使本地参考码和接收码的相 位差小于一个码元宽度，且收发码时钟频率基本一 致，同时使载波相互对准。实现输入信号与本地信 号的同步。 图１—１伪码串行载波串行原理框图 １信号的搜索策略 为了捕获到ＧＰＳ卫星信号，需要同时复现卫 星的码和载波，这其实是一个搜索的过程，下面介 绍几种实现粗同步的搜索策略。 １．１伪码串行载波串行的搜索策略 该策略采用单个码相关器及单个载波相关器， 对码相位及载波多普勒进行串行搜索捕获，搜索过 件资源紧张、硬件成本高而对捕获时间要求不高的 场合，另外，对于能提供准确先验信息的场合也比 较普遍使用。 １．２伪码串行载波并行的搜索策略 该策略采用单个码产生器，对码进行串行搜 索，而采用Ｎ个载波相关器，对载波多普勒范围 进行并行捕获。Ｎ个载波相关器的载波ＮＣＯ分别 产生不同频率的载波，载波相关器的个数与捕获范 围有关，Ｎ的取值至少是Ｆｂ／ｆｂ，其中Ｆｂ为捕获 范围，ｆｂ为相关器带宽。码的移动过程同伪码串 行载波串行方案所述，在各个码相位上同时检查Ｎ 程如下：先预置载波ＮＣＯ为某一多普勒频率，在 该多普勒频率点上将本地码相位每次移动半个码元 （或１／２ｃｈｉｐ），与输入信号进行相关运算，每次的 积分结果与捕获门限比较，只有当伪码及多普勒粗 同步后，积分结果才能超过门限，伪码相位及多普 勒频率值同时得到并作为跟踪环路的输入值，否则 本地多普勒预置值不动，继续将本地码移动１／ ２ｃｈｉｐ重复上述过程。如果本地码移动一个码长周 个谱点的能量，取其中最大值与门限比较，若超过 门限，则以当前码相位及最大值所对应的载波多普 勒为输入值启动跟踪环路；否则移动码相位１／ ２ｃｈｉｐ后重复此过程。 该策略的优点：一是捕获快，可以不需要任何 期后，仍未捕获到信号，则将本地多普勒值适当改 变后重复上述过程。其原理框图如图１—１。 该策略的优点是硬件电路简单，容易实现，缺 点是捕获时间长，搜索整个伪码及载波多普勒范围 需要的时间为（Ｔｂ·Ｎ·２）·Ｆｇ／ｆｂ，其中Ｔｂ为 码长周期，Ｎ为码长，Ｆｇ为载波捕获范围，ｆｂ为 先验信息，正常情况下，捕获时间等于Ｔｂ·Ｎ· ２，其中Ｔｂ为码长周期，Ｎ为码长；二是电路规 模与码长关系不大，可以在相同硬件条件下兼容多 种码长。该策略的缺点是捕获时间与码长成正比， 码长加长捕获时间也加长。 数据率。该策略使用较为普遍，比较适合应用于硬 收稿日期：２００３—０５—１０ 作者简介：代燕，女（１９５４一），副教授，主要从事电子技术的教学与研究工作。 维普资讯 http://www.cqvip.com １００ 长春理工大学学报 ２００３年 较，若超过门限，则判为捕获，这样一个码长周期范 围内就可捕获伪码相位和载波频率，并以此值作为 跟踪环路的输入值。 该策略的优点是捕获快，在无先验信息条件下， 只要一个码长周期就可以实现信号的捕获。 图１—２伪码串行载波并行原理框图 １．３伪码并行载波串行的搜索策略 该策略采用Ｎ个的码相关器，理想情况下 码相关器之间码相位依次相差１／２ｃｈｉｐ。Ｎ个码相 关器共用一个载波ＮＣＯ，载波多普勒采取串行扫描 方式进行搜索。假定相关器的带宽为ｆｂ一１／Ｔｂ，其 中Ｔｂ为伪码周期，也是数据周期。对于±５ＫＨｚ的 多普勒范围，则在载波轴上至少需要划分ｌＯＫＨｚ／ 图１—４伪码并行载波并行原理框图 对于我们课题所研究的ＧＰＳ信号Ｃ／Ａ码，其 码长为１０２３，根据以上分析，若用伪码串行的方法， 会严重浪费捕获时间，结合课题全软件实现的特点， 需采用伪码并行载波串行的方法来实现。 显而易见，相对于载波串行来说，载波并行能够 缩短捕获时间，但处理的数据量会成倍增加。考虑 到ＣＰＵ的承受能力，在本课题中，根据实际的资源 ｆｂ个区间，依次扫描各个区间，在一个区间扫描结 束后，取Ｎ个相关器中能量最大的值与捕获门限进 行比较，若小于门限，则转入下一个区间；若超过门 限；若超过门限，则判为捕获，并根据载波区间和能 量最大相关器的位置获取载波多普勒和伪码相位估 计值，以此值作为跟踪环路的输入值。 配置情况，选择载波串行作为信号的捕获方法，同时 增加卫星预报辅助。 对于ＧＰＳ信号来说，如果本地频率源精度在ｌ ×ｌＯ 量以内，因为星钟的精度很高，可以忽略，所 以由星地钟差造成的实测多普勒偏差小于ｌ＿ ６ＫＨｚ。而卫星动态造成的实际多普勒一般在 ３．５ＫＨｚ以内，因此卫星信号的捕获范围选取± ５ＫＨｚ比较合适。采用伪码并行载波串行的搜索策 图１—３伪码并行载波串行原理框图 略，根据１．３分析结论，需要以５００Ｈｚ的步进搜索， 即可捕到卫星信号。考虑到ＧＰＳ高仰角卫星多普 勒小、信噪比高的特点，我们设计了来回跳跃扫描方 法，即从ＯＨ 开始，依次扫描０Ｈｚ，５００Ｈｚ，一 该策略的优点是捕获快，每个载波区间只要一 个码长周期便可分析完毕，在无先验信息条件下，最 多只需扫描ｌＯＫＨｚ／ｆｂ个区间便可完成捕获，在有 无先验信息条件下，只需扫描一个区间即可，所以捕 获非常快。 １．４伪码并行载波并行的搜索策略 ５００Ｈｚ，１０００Ｈｚ，…各区间，其过程如下图所示。 该策略同样也采用Ｎ个的码相关器，码相 关器之间码相位依次相差１／２ｃｈｉｐ。假定相关器的 带宽为ｆｂ一１／Ｔｂ，其中Ｔｂ为伪码周期，也是数据 周期，对于±５ＫＨｚ的多普勒范围，载波至少需要 ５０００Ｈｚ［二二］ ｌＯＫＨｚ／ｆｂ个载波相关器，每个载波相关器的载波 ＮＣＯ分别产生不同频率的载波。每一个码相关器 对应Ｍ一１０ＫＨｚ／ｆｂ个可能的载波频率，每一个载 图１—５载波多普勒扫描区间 如果在某个区间内，相关峰的最大值大于捕获 门限时即可判为信号已捕获。采用此方法再使用卫 星预报辅助，可以大大缩短扫描时间。所谓卫星预 波相关器对应Ｎ个可能的伪码相位。对于伪码和 载波的二维并行捕获，取Ｎ个码相关器、Ｍ个载波 报，是指导航软件根据上次接收的卫星历书，预报当 相关器中二维对应的能量最大值与捕获门限进行比 前卫星位置、速度，由本地粗略坐标，完成卫星真实 维普资讯 http://www.cqvip.com 第３期 代燕等：ＧＰＳ信号捕获方法的研究与设计 ｌＯｌ 多普勒的计算，同时将上次导航定位建立的时钟模 型将本地钟差考虑在内，最终得到实测多普勒的预 报值。从实际使用效果看，该值与接收机实测值的 偏差小于几十Ｈｚ，接收机减少了载波搜索的过程， 可以直接捕获伪码。只有初次使用时，需要盲捕，一 旦历书收齐、本地时钟模型建立后，只需考虑Ｃ／Ａ 入信号的伪码，追赶或等待的速度是使本地伪码在 个周期内超前或滞后输入伪码１／２ｃｈｉｐ（或１／ ４ｃｈｉｐ），这样，在２Ｌ（或４Ｌ）个伪码周期内必定存在 本地伪码与输入伪码同步状态。 ２．３序贯估值法 序贯估值法是为解决长码搜捕时间过长的问题 而提出来的，它把收到的ＰＮ码序列直接注入到本 码捕获花费的时间。这只是工程上的实现方法，例 题并不妨碍我们对其算法的研究。 地码发生器的移位寄存器中，强迫改变各级寄存器 起始状态，使其产生的ＰＮ码刚好与外来码相位一 致，则系统可以立即进入同步跟踪状态。 ２ ＧＰＳ信号ｅ／Ａ码的捕获方法 由上述可知，载波的捕获很快，所以关键的问题 是伪码的捕获，既ＧＰＳ信号Ｃ／Ａ的捕获，其作用是 把接收端的本地码与输入码之间的相位差缩小到一 个码片之内。 ２．４序列匹配滤波器法 匹配滤波器有识别码序列的功能，即序列匹配 时刻有最大信号峰值输出，利用这个特性可实现ＤＳ 信号的同步捕获。序列匹配滤波器有表面波延迟线 （ＳＡＷ）型匹配滤波器、ＳＡＷ卷积器和低通型匹配 滤波器等几种类型。 对于伪随机码，其自相关曲线为： 在这几种码捕获方法中，滑动相关法简单实用， 但由于伪码频率与输入信号中伪码的频率有差异， 所以存在一定的相关损失。 图２一ｌ伪随机码目相关曲线 序续估值法搜捕时间虽然很快，但它要对外来 它的物理意义是：输入的伪码与本地产生的伪 码在不同的相位误差上做相关运算，只有当输入码 的ＰＮ码进行检测后注入移位寄存器，做到这一点 是很困难的，另外，这种方法对噪声和干扰很脆弱， 与本地码相位误差为零时，两码完全相关，出现最大 相关峰，否则不会出现最大相关峰。 因是一个时片一个时片进行估值和判决的，并未利 用ＰＮ码的抗干扰特性。 采用序列匹配滤波器进行同步捕获的一个突出 优点是可以实现快速同步。采用序列匹配滤波器同 伪码捕获的目的是使本地产生的伪码与输入信 号的伪码同步，包括伪码钟同步（即驱动伪码产生器 的频率同步）、伪码周期同步、伪码相位同步（由伪码 跟踪实现）。 用于实现伪码捕获的方法大致有步进相关法、 步捕获的缺陷是：在现有工艺条件下，不易实现长码 的快速捕获。 而步进相关法实现起来虽然复杂一些，但会带 滑动相关法、序贯估值法、匹配滤波器法等。 ２．１步进相关法 步进相关法中，伪码捕获之前，本地伪码与输入 来尖锐的相关峰，从而有效的提高捕获效率。 通过比较分析，综合考虑，本课题选用步进相关 法作为ＧＰＳ信号Ｃ／Ａ码的捕获方法。 伪码相位差是未知的，因此，要将本地伪码与输入信 号作相关运算，一旦码相位同步，便会出现相关峰， 从而得到输入伪码的码相位信号。 在这种方法中，本地伪码以称频率工作，在一个 积分周期后，自动将本地伪码相位向前或向后跳动 １／２ｃｈｉｐ（或１／４ｃｈｉｐ），在２Ｌ（或４Ｌ）个伪码周期内 必定存在本地伪码与输入伪码同步的状态（Ｌ为码 长），以实现伪码的捕获。 ２．２滑动相关法 ３捕获检测性能的分析及改进 ３．１捕获结构数学模型及分析 捕获部分整体结构框图如３—１图所示。 图７中，假设输入信号为： ｒ（ｔ ）：￣／ （ 一ｒ）ｃｏｓ（ｚａ ＋ ）＋ｎ（ｔ ） （１） 式中：Ｐ为信号功率；ｄ（ｔ ）为调制数据信息；ｃ（ｔ 一 ｒ）为伪随机码序列；７．０、 为输入信号角频率及相 位；ｎ（ｔ ）为加性高斯白噪声。 本地伪码产生器输出：ｃ（ｔ 一ｒ） 滑动相关法与步进相关法原理相似，只是它将 本地伪码频率与输入伪码的频率错开一特定值，使 本地伪码追赶（置本地伪码频率高于输入伪码频率 时）或等待（置本地伪码频率低于输入伪码频率）输 本地载波Ｉ、Ｑ路输出； Ｌｌ（ ）一ｃｏｓ（ｚｏｌｔ ＋ １） （３—２） 维普资讯 http://www.cqvip.com １Ｏ２ 长春理工大学学报 ２００３正 间呢？为了解决此问题，下面介绍一种采用多次逗 留检测信号能量的方案。 多次逗留检测器框图３—３及流程图３—４如下 所示。 图３—１捕获结构模型 Ｌ１（ ）一ｓｉｎ（Ｗ１ｔ＾＋声１） 式中：Ｗ 和 。分别是本地参考信号的角频率和初 相位。 一图３—４ 多次逗留检测器流程图 。， 在同相支路Ｉ路中，输入信号与本地伪码及Ｉ 路载波分量相关，经低通滤波器后， Ｉ（ｔ ）＝∑｛ （ ）ｃ（ ～ｒ）ｃｏｓ（ｗｔ＾＋声）＋ 低通滤波器，然后送人第一个积分器进行Ｔ 时 间的积分，积分器输出 同门限 。比较。若 ＜ （ｔ＾）］＋ （ｔ＾）·ｃ（ｔ 一ｒ） ＣＯＳ（叫１ｔ女４－声１）｝ 说明搜索的是不正确相位单元，检测逻辑判定 Ｓ１（ｔ ）＋ ，（ｔ＾） （３—３） 信号不存在，系统继续搜索，若 ≥ ｌ，说明“击 中”，搜索到的可能是正确相位单元。信号送人第二 个积分器进行 。，３．２信号捕获的判定 搜索和捕获过程中如何判定信号是否捕获是捕 获问题中的重要内容。只有准确的判定捕获，系统 时间的积分，Ｔｚ＞Ｔ 。如果 ＜ 表明第一次判断不正确，系统重新搜索。如果 ＞ 。，信号送人第三个积分器进行Ｔ３时间的积分， 才能停止搜索，转入跟踪。捕获的判定是根据输出 信号能量是否超过门限来决定的。 固定积分时间检测就是用于信号能量检测的一 种方法。其框图示于图３—２。 ＞ 。当这个信号，连续三次都被检测逻辑判 定存在时，系统转入码跟踪。三次中要只有一次判 为不存在，则系统继续搜索。 第四、五次积分时间都很长，由此进一步校验是 不是虚警，排除可能对不正确相位单元进行的跟踪。 棚＝＝＝＝＝二＿二二＝二¨㈡ 。ｔ ， ，｛ ．、 ｛｛ 在进入跟踪后，要尽量避免信号的丢失， 、 都 ｛一 ，Ｉ， ｉ｛ ；、 ｌ ２ｌ㈡嗣：；， ㈡｛ ㈠ ㈠二二 很大，这样一来，信号一旦丢失，也要经过一段时间 被证实后，才重新进入搜索状态。 图３—２ 图３—２固定积分时间检测器带通滤波器的输 出经平方器、低通滤波器后送人积分时间为 的积 分器。当本地码相位与输入码相位一致时，积分器输 ４ 结 论 本文对ＧＰＳ信号捕获方法进行了研究、对比， 从而选择最佳方案并给予设计。 参 考 文 献 ［１］卢满宏．扩频信号快捕算法的研究与实现．硕士论文：１Ｏ 出电压Ｖ超过门限 ｒ时，判定信号存在，否则判为 不存在。固定积分时间检测中只有积分时间 和门 限 两个可调整参量。一旦Ｔ 和 确定后，检测 概率（信号存在时 ＞ 不存在时 ＞ 的概率）、虚警概率（信号 １２ 的概率）和在不正确单元，又保证 ［２］沈允春．扩谱技术．国防工业出版社．１９９５．１５～６． １ ２６～１３２ 虚警概率不大，减小在不正确单元逗留时间就确定 了，这样很容易发生错判。如何能够排除不正确单 （下转第９８页） 元，又保证虚警概率不大，减小在不正确单元逗留时 维普资讯 http://www.cqvip.com ９８ 长春理工大学学报 中国建材工业出版社，１９９８ ２００３焦 参 考 文 献 ［１］何艾平．王德生．大动态、抗饱和核爆炸光电变换器 的研究［Ｊ］．成都：电子科技大学学报，１９９７，２６ 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ｔｈａｔ ｔｈｅ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｓ ｆｉｔ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｖｉｃｅ ｉｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ｓｅｖｅｒａｌ ｏｔｈｅｒ ｉｎｄｅｘ ａｒｍｓ ｏｆ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ａｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｗａｖｅ ｆｏｒｍ ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ；Ｏｐｔｉｃ ｍｅａｓｕｒｅ；Ｍｕｎｉｔｉｏｎｓ ｂｕｒｓｔｓ （上接第１０２页） ［３］张守信．ＧＰＳ测定定位理论与应用．国防科技 大学出版社．１９９６：２２２￣２９、４４￣４５ ［４］查光明、熊焦祚．扩频通信．西安电子科技大 学出版社，１９９０：４．９～１０．１４２ Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｔｈｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｃａｔｃｈｉｎｇ ＧＰＳ Ｓｉｇｎａｌ ＤＡＩ Ｙａｎ。ＬＩ Ｈｏｎｇｚｕｏ。ＷＡＮＧ Ｍｅｎｇｚｈｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ—ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １３００２２．Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｇｌｏｂａｌ ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ（ＧＰＳ）（ＧＰＳ）ｉｓ ａ ｎｅｗ ａｃｔｉｎｇ ｐｒｅｃｉｓｅ ｓａｔｅｌｌｉｔｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｅｓｔａｂ— ｌｉｓｈ ａｌｏｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｑｕｉｃｋ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｍｏｄｅｒｎ ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｓｔｕｄｉｅｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｃａｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ＧＰＳ ｓｉｇｎａ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＧＰＳ ｓｉｇｎａｌ；ｐｓｅｕｄｏｃｏｄｅ；ａｃｑｕｉｒｅ
