GPS衛(wèi)星信號的捕獲算法

摘 要GPS接收機運行中，衛(wèi)星信號高效捕獲是準(zhǔn)確定位的前提和基礎(chǔ)，捕獲算法決定捕獲效果，對于接收機性能具有重要影響。算法不同，捕獲質(zhì)量也有所差別。文章從GPS信號結(jié)構(gòu)入手，從不同方面探討GPS衛(wèi)星信號捕獲算法，并借助仿真結(jié)果驗證捕獲方案準(zhǔn)確性。

【關(guān)鍵詞】GPS 衛(wèi)星信號 捕獲算法

21世紀(jì)，國防、民航管理及農(nóng)業(yè)等各領(lǐng)域得到了長足發(fā)展，其中衛(wèi)星導(dǎo)航在其中發(fā)揮積極作用。導(dǎo)航接收機在實踐中應(yīng)用中，主要是以衛(wèi)星信號作為載體，通過捕獲、跟蹤相關(guān)運算處理，以此來確定用戶所在的位置、運行速度等?？梢姴东@跟蹤算法恰當(dāng)與否直接影響定位準(zhǔn)確性。

1 GPS信號結(jié)構(gòu)

GPS衛(wèi)星發(fā)送的信號主要由載波信號、擴頻序列及導(dǎo)航數(shù)據(jù)三個方面構(gòu)成，其中載波信號是GPS信號傳輸?shù)膬蓚€載波，由于衛(wèi)星與接收機處于相對關(guān)系，接收機接收到到的信號會受到多普勒效應(yīng)的影響，根據(jù)多普勒頻移能夠確定接收設(shè)備三維運動速度，以此來提高測距精度。擴頻序列是偽隨機碼，在此作用下，數(shù)據(jù)能夠拓展導(dǎo)航數(shù)據(jù)信號頻譜，以此來提高對信號的抗干擾性，實現(xiàn)對物體的準(zhǔn)確定位。

2 GPS衛(wèi)星信號捕獲算法分析

2.1 GPS衛(wèi)星信號串行捕獲

在本文設(shè)計中，應(yīng)用的捕獲方式是CDMA系統(tǒng)中常見的捕獲算法，如圖1。主要是建立在接收信號基礎(chǔ)之上，與本地產(chǎn)生偽碼序列及本地載波之間的乘積。第一，接收信號與本地產(chǎn)生偽碼序列相乘，形成之路信號，然后與本地載波正交形成正交信號，當(dāng)兩路信號相互交叉后，能夠完成跟蹤目標(biāo)。

對于偽碼序列來說，所有偽碼的產(chǎn)生都進行了預(yù)先處理，缺少即時性。首先利用C/A碼產(chǎn)生器，能夠形成32個碼，然后將輸入信號與所有可能經(jīng)過碼偏移C/A碼相乘。

針對載波的形成，作為捕獲的第二步，載波發(fā)生器需要產(chǎn)生相位差為90°兩路載波信號，即余弦與正弦兩個信號。串行搜索最后一部分是余弦與正弦信號分別相乘，并進行積分與平方處理后得出結(jié)論。如果本地與接收信號的偽碼能夠完全吻合，那么獲得的輸出值較大。串行搜索捕獲算法實現(xiàn)起來更為簡單，但是搜索范圍過大，且需要更多的時間，無法實現(xiàn)對高動態(tài)目標(biāo)的定位，僅適用于低速、定位時間要求不高的接收機。而并行頻率空間搜索算法，只需要對C/A碼移位即可，能夠在很大程度上縮短捕獲時間。相比較來看，兩種算法都能夠增加新的運算模塊，主要是在執(zhí)行中需要重復(fù)多次利用原有模塊，且搜索范圍較小，捕獲需要的時間更短。

2.2 分段FFT脈沖信號捕獲算法

該算法核心思想，是按照一定長度，將若干毫秒輸入信號進行分段處理，捕獲連續(xù)信號，將各段結(jié)果以時間順序進行排列，最后得出具體的結(jié)果。在具體操作中，可以從如下幾個步驟進行：

（1）將輸入信號劃分為10段，采用點數(shù)補零至2n，進行FFT運算。

（2）對本地信號補零處理后進行FFT運算，得出完整的結(jié)果。

（3）將前兩個數(shù)值進行相乘。

（4）確定峰值位置后，計算出兩幀跳時數(shù)。

按照上述步驟能夠找到三個明顯的峰值，可以將其作為碼相位捕獲結(jié)果。。另外，觀察仿真結(jié)果來看，信噪比下降后，信號只能夠在分段1中檢測到脈沖，對應(yīng)的峰均比為7.9475，而處于第6、7段之間信號脈沖產(chǎn)生截斷現(xiàn)象，造成相關(guān)值有所下降，并受到噪聲干擾，無法更加全面的呈現(xiàn)出來，故無法監(jiān)測到具體的數(shù)值，且無法對其進行修復(fù)處理，造成捕獲失敗?？梢姡绻}沖截斷造成相關(guān)值損失，該方法僅能夠在低信噪比條件下極易出現(xiàn)捕獲失敗的情況，無法對被測物體位置、速度等進行準(zhǔn)確定位。

2.3 二次精頻捕獲算法

通過算法過程，能夠檢測到信號有關(guān)峰值，獲得載波頻率估計值。由于捕獲算法頻率分辨率與數(shù)據(jù)長度存在密切聯(lián)系，由1ms數(shù)據(jù)，對應(yīng)的頻率分辨率約為1KHz，對于后續(xù)跟蹤環(huán)路而言過于粗糙。對此，為了減少閉環(huán)時間，我們需要對頻率進行詳細(xì)地估計。

根據(jù)FFT運算特點來看，輸入的數(shù)據(jù)填零后，雖然無法提高分辨率，且難以區(qū)分詳細(xì)的頻率信號，但可以通過此找到單一信號。故直接采用較長數(shù)據(jù)后運用FFT計算并不恰當(dāng)。為了減少FFT運算量，可以利用相位關(guān)系算法，完成二次精頻捕獲，獲取連續(xù)信號。將信號作為基礎(chǔ)，對其進行DFT運算，求得最高頻率分量。根據(jù)這一算法，能夠計算得出連續(xù)多個相位差值，對所得相位差求平均值，以此來提高頻率準(zhǔn)確性和可靠性。

3 結(jié)論

根據(jù)上文所述，為了能夠提高衛(wèi)星定位準(zhǔn)確性，要對衛(wèi)星信號進行捕獲與跟蹤。通過高效地捕獲，能夠從接收機信號當(dāng)中，估算出具體的信號參數(shù)，以此來幫助接收機能夠跟蹤信號，確定物體的位置。同時通過捕獲的信號參數(shù)進行估計，能夠?qū)δK對應(yīng)的參數(shù)予以細(xì)化處理，解調(diào)出具體的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，為實際工作提供科學(xué)依據(jù)。文章從GPS信號構(gòu)成入手，對不同的捕獲算法進行介紹和分析，發(fā)現(xiàn)不同的算法產(chǎn)生的效果也有所差別。因此在日后實踐應(yīng)用中，要根據(jù)具體需求，合理選擇算法，不斷提高捕獲有效性。

參考文獻

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作者簡介

劉紫薇（1995-），女，吉林省舒蘭市人。大學(xué)本科在讀。研究方向為電子-通信工程

作者單位

浙江大學(xué) 浙江省杭州市 310027