摘 要：為了能快速、準(zhǔn)確地提取導(dǎo)航數(shù)據(jù)，對GPS 軟件接收機的捕獲和跟蹤算法進(jìn)行研究。捕獲算法采用基于FFT的頻域快速捕獲算法，在跟蹤環(huán)路中，載波跟蹤算法采用鎖相環(huán)(PLL)，碼跟蹤算法采用非相干延遲鎖相環(huán)(DLL)，成功實現(xiàn)了對GPS信號的快速準(zhǔn)確跟蹤，這一處理算法性能優(yōu)越，易于在PC機上軟件實現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：GPS；捕獲；FFT；跟蹤；鎖相環(huán)

中圖分類號：TP311文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2008)22-164-03

Study on the Algorithm of GPS Software Receiver

WU Juanli，GUAN Ke，WANG Yi′na

(School of Information Engineering，Chang′an University，Xi′an，710064，China)

Abstract：In order to extract the navigation data fast and accurately，the capture and tracking algorithm to the software-defined GPS receiver is studied in this paper.The frequency-domain parallel serach algorithm based on the FFT is used in the capture algorithm.In the tracking loop，PLL is used for the carrier tracking and non-coherent DLL is used for the code tracking.Tracking the GPS signal rapidly and accurately is implemented successfully.This algorithm has superior performance，it is easy to be implemented on PC.

Keywords：GPS;capture;FFT;tracking;phased lock loop

1 引 言

與目前一般廣泛使用的基于ASIC(Application Specific Integrated Circuit)結(jié)構(gòu)的硬件接收機相比，GPS^［1］軟件接收機具有成本低、開發(fā)速度快、具有高度的可配置性等優(yōu)點。它使用軟件方法和少量硬件進(jìn)行GPS信號接收處理。與傳統(tǒng)硬件接收機相比，軟件接收機更具方便性和靈活性。它只需要進(jìn)行軟件修改，就可以對接收機進(jìn)行修改和升級。當(dāng)出現(xiàn)新的GPS信號頻率或使用新的偽隨機碼序列時，只需對接收軟件進(jìn)行更改就可以適應(yīng)新的信號。同樣，GPS軟件接收機^［2］也可以在進(jìn)行修改后用于接收處理其他衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號。它對于新一代導(dǎo)航接收機的開發(fā)有著重要意義。本文對數(shù)字中頻GPS信號的捕獲和跟蹤算法分別進(jìn)行討論。捕獲算法采用基于FFT的頻域快速捕獲算法。碼跟蹤采用非相干延遲鎖相環(huán)DLL，載波跟蹤采用鎖相環(huán)PLL，實現(xiàn)了對GPS信號的跟蹤。

2 GPS信號捕獲算法

GPS軟件接收機信號的捕獲過程包括多普勒頻移的粗略估計和C/A碼相位的初始同步。

傳統(tǒng)GPS接收機中捕獲算法大多采用時域滑動相關(guān)的算法，這種算法使用本地產(chǎn)生的每顆衛(wèi)星的C/A碼在1 023(C/A碼周期)個碼位上與接收到的數(shù)字信號進(jìn)行相關(guān)運算，以獲得信號的C/A碼相位，使用本地產(chǎn)生的中頻載波與接收到的信號進(jìn)行運算以獲得信號頻率^［3］。

這種時域滑動相關(guān)的算法雖然實現(xiàn)起來比較簡單但存在著運算量大、速度慢的缺點。而本文討論的GPS軟件接收機頻域相關(guān)捕獲算法則是將相關(guān)運算變換到頻域進(jìn)行，減小了運算量，提高了捕獲速度^［4］。在搜索捕獲過程中，多普勒頻移搜索步進(jìn)量為1 kHz，搜索范圍依據(jù)信號的動態(tài)特性確定;碼相位采取并行搜索策略，將信號的相關(guān)運算轉(zhuǎn)化為FFT和IFFT運算。

2.1 捕獲算法模型

捕獲算法模型如圖1所示。

2.2 捕獲過程^［5］

(1) 從輸入信號中取出一段數(shù)據(jù)s(n)與本地產(chǎn)生的具有不同頻偏的載波信號xi(n)進(jìn)行相乘運算。將相乘結(jié)果進(jìn)行DFT變換，轉(zhuǎn)化到頻域，運算結(jié)果記作Si(k)；

(2) 對本地產(chǎn)生的C/A碼c(n)進(jìn)行DFT運算得到C(k)，取復(fù)共軛C(k)；

(3) 將Si(k)和復(fù)共軛C(k)相乘，輸出結(jié)果為Di(k);

(4) 對Di(k)進(jìn)行DFT的逆運算IDFT變換到時域di(n)，并取絕對值|di(n)|；

(5) 在|di(n)|中找到最大的相關(guān)峰值，并與預(yù)先設(shè)定的閾值比較，如果超過閾值則根據(jù)|di(n)|對應(yīng)的第i個載波頻率和第n個碼相位計算出捕獲后載波頻率估計量f0和碼偏估計量Δ；

(6) 用上述過程得到的碼偏估計值Δ去除數(shù)據(jù)段中的C/A碼，結(jié)果與f(j)=f0+fsj個頻率分量進(jìn)行相關(guān)運算（fs為精捕獲頻率搜索步長），找出相關(guān)峰，并確定最后的捕獲結(jié)果。

圖1 捕獲模型

3 跟蹤過程

當(dāng)捕獲完成后，獲得的是GPS信號頻率和相位的粗略值。而且由于衛(wèi)星和接收機的相對運動，偽碼相位也在隨時變化，為了保持對碼相位和多普勒頻率的跟蹤，可利用碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)對GPS信號進(jìn)行跟蹤，繼而解調(diào)出導(dǎo)航電文。其中碼跟蹤過程通常采用延遲鎖相環(huán)DLL (Delay Lock Loop)來完成，載波跟蹤通常采用經(jīng)典的Costas鎖相環(huán)。

3.1 載波跟蹤

GPS載波跟蹤方法通常有載波相位跟蹤和載波頻率跟蹤2種。普通的低動態(tài)或靜態(tài)的GPS接收機通常采用經(jīng)典的載波相位跟蹤即Costas鎖相環(huán)。Costas載波跟蹤環(huán)優(yōu)的點之一是它對信號的180 °相位翻轉(zhuǎn)不敏感，從而避免了導(dǎo)航數(shù)據(jù)跳變帶來的影響^［6］。

Costas環(huán)通過載波鑒相器計算出信號載波和本地載波的相位誤差，利用輸出的相位估計誤差來控制數(shù)控振蕩器NCO，以此調(diào)整本地載波信號。常用的鑒相函數(shù)D有以下3種：

D=sign(Ik)Qk；D=IkQk；

D=tan－1(Qk/Ik)

其中I和Q為正交的2個相關(guān)器。算法模型^［7］見圖2。

3.2 碼跟蹤

碼跟蹤環(huán)的作用^［8］是持續(xù)跟蹤信號中特定C/A碼的碼相位，GPS軟件接收機中采用延遲鎖相環(huán)DLL來實現(xiàn)對碼相位的跟蹤。一個完整的跟蹤模塊如圖3所示，其中包括載波跟蹤和碼跟蹤2部分。

圖2 載波跟蹤

圖3 跟蹤模塊

在圖3碼跟蹤部分中，數(shù)字下變頻器所產(chǎn)生的同相I和正交Q支路的信號，分別跟本地產(chǎn)生的PRN超前碼E，對準(zhǔn)碼P，滯后碼L進(jìn)行相關(guān)運算。其中超前碼E，對準(zhǔn)碼P和滯后碼L分別相差1/2個碼元寬度。經(jīng)過相關(guān)運算后的結(jié)果輸入到延遲鎖相環(huán)的鑒相器D，鑒相器根據(jù)PRN碼的自相關(guān)特性，獲得碼相位誤差，該誤差經(jīng)環(huán)路濾波器后調(diào)整本地PRN碼的數(shù)控振蕩器NCO，控制偽碼生成速率^［9］。使本地PRN碼保持跟蹤輸入信號中碼相位的變化，實現(xiàn)精確同步。

通常采用的DLL^［10］鑒相函數(shù)D有以下4種，由于采用的運算法則不同，分別具有不同的跟蹤特性。

D = IE -IL

D =(I²E+ Q2E)-(I²L + Q2L )

D = (I²E + Q2E)-(I²L + Q2L)(I²E + Q2E) +(I²L+ Q2L)

D = IP(IE-IL) + QP(QE-QL)

4 結(jié) 語

本文對GPS接收機的中頻信號處理算法進(jìn)行研究。捕獲算法采用基于FFT的頻域快速捕獲算法，極大地減少了運算量，提高了捕獲速度。在跟蹤環(huán)路中，載波跟蹤算法采用鎖相環(huán)PLL，碼跟蹤算法采用非相干延遲鎖相環(huán)DLL，成功實現(xiàn)了對GPS信號的準(zhǔn)確跟蹤。這一處理算法性能優(yōu)越，易于在PC機上軟件實現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

［1］Elliott D Kaplan.GPS原理與應(yīng)用.邱致和，王萬義，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［2］James Bao Yen Tsui.Fundamentals of Global Positioning System Receivers:A Software Approach.Wiley Interscience，2000.

［3］于小禮，張其善.GPS數(shù)字接收機中C/A碼搜索算法與實現(xiàn) ［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，1998，5(4)：24-27.

［4］代燕，李洪祚，王孟芝.GPS接收信號捕獲方法的研究 ［J］.長春理工大學(xué)學(xué)報，2003，3(10):78-81.

［5］王超，崔曉值，尹旭明.GPS軟件接收機的頻域相關(guān)捕獲算法［J］.微計算機信息，2006，22(12):186-187.

［6］曹建林，謝長生.GPS接收機中的碼分多址信號處理研究 ［J］.電子工程師，2006，32(12):5-8.

［7］王先毅，孫越強，劉正延，等.GPS軟件接收機結(jié)構(gòu)與仿真實現(xiàn) ［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007，7(11):2 484-2 487.

［8］徐敏，翟傳潤，戰(zhàn)興群，等.GPS軟件接收機捕獲跟蹤算法研究與仿真 ［J］.微計算機信息，2007(28):180-181，251.

［9］張文明，姜利文.GPS中基于P碼的快速直接捕獲方法的研究［J］.計算機科學(xué)，2007，34(5):62-65.

［10］馮成新，劉芳，潘成勝，等.GPS接收機中DLL分析與仿真［J］.計算機仿真，2002，19(2):97-100，35.

［11］張新波，張揚，劉田.基于位同步點未知的GPS長碼直捕算法研究.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（3）:21-23.

［12］華濤，丁陽，石玉.基于FFT偽碼快速捕獲方法及其性能分析.現(xiàn)代電子技術(shù)， 2007:42-44.

［13］ 李玉紅，寇艷紅，張其善.微弱GPS信號捕獲算法研究.遙測遙控，2005，(4):61-65.

作者簡介 吳娟麗 女，1983年出生，陜西周至人，在讀碩士研究生。研究方向為交通信息工程及控制。

關(guān) 可 男，1962年出生，北京人，副教授。主要研究以公路交通運輸為應(yīng)用背景的高速公路三大系統(tǒng)中的通信技術(shù)。

王懿娜 女，1984年出生，河南洛陽人，在讀碩士研究生。主要研究方向為交通信息工程及控制。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文