陳迅，袁星星??

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

一種簡單快速的GPS信號捕獲方法?

陳迅，袁星星??

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江212003）

結(jié)合一般的GPS信號捕獲算法，提出了一種更為簡單快速的GPS信號捕獲方法。此方法在1 023個碼片時間約1ms，可以完成一顆衛(wèi)星在一個多普勒頻移下的全碼捕獲檢測。FPGA仿真表明，與傳統(tǒng)的捕獲方法相比，所提方法減少了資源消耗與時間消耗，同時保證了能在一個C/A碼周期內(nèi)獲取一個多普勒頻移下的C/A碼相位，捕獲更簡單快速。

GPS信號捕獲；全碼捕獲；串行搜索捕獲；并行搜索捕獲

1 引言

GPS（Global Positioning System），即全球定位系統(tǒng)，又稱全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)，是20世紀(jì)70年代由美國海陸空三軍聯(lián)合研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，主要用于為海、陸、空三大領(lǐng)域提供實時、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)。經(jīng)過20余年的發(fā)展，衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)對于世界各國家的政治、軍事、經(jīng)濟等方面產(chǎn)生了重大影響，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為我國安全和經(jīng)濟不可或缺的基礎(chǔ)信息設(shè)施，在國防建設(shè)、經(jīng)濟建設(shè)以及社會發(fā)展中都有應(yīng)用［1］。

GPS接收機的研制是GPS技術(shù)研究的一個重要組成部分［2］，GPS接收機的核心技術(shù)之一就是對信號的捕獲與跟蹤技術(shù)的研究，這也是影響接收機性能的主要因素。因此，掌握GPS信號捕獲的核心技術(shù)，研發(fā)高性能GPS信號捕獲方法，進一步提高GPS接收機的快捕特性，為我國“北斗”二代導(dǎo)航系統(tǒng)等接收機核心芯片的研發(fā)奠定基礎(chǔ)，具有十分重大的現(xiàn)實意義和深遠(yuǎn)的歷史意義［2］。

傳統(tǒng)的基于軟件定義的3種GPS信號捕獲方法，即串行搜索捕獲、并行頻率空間搜索捕獲和并行碼相位搜索捕獲耗時，電路復(fù)雜，且運算量大，資源消耗多。針對簡單快速捕獲這一目的，本文提出了一種新的捕獲方法，利用傳統(tǒng)串行捕獲方法的思想，與傳統(tǒng)并行捕獲方法相結(jié)合，采用多個相關(guān)器同時將GPS信號與本地信號做相關(guān)運算，在一個碼周期時間內(nèi)得到1 023個碼相關(guān)值。本文對該方法使用Verilog HDL語言進行編程和具體算法的實現(xiàn)，給出時序仿真圖形。該方法中既省去了串行搜索捕獲的繁復(fù)操作，又省去了并行搜索捕獲方法中的傅里葉變換與傅里葉逆變換，不增加耗時的同時減少了功耗。

2 傳統(tǒng)的3種GPS信號捕獲方法原理

2.1 串行搜索捕獲

串行搜索捕獲算法包括兩個不同的掃描過程：步長500 Hz、載波頻率范圍為1F±10 kHz（F為中頻頻率）的頻率搜索過程，和遍歷1 023個不同碼相位的碼相位搜索過程，搜索總共需要經(jīng)過的次數(shù)為［3］

顯然，搜索范圍非常大。在一個C/A碼周期內(nèi)，即1ms的時間內(nèi)，只能得到一個多普勒頻移下的一個碼相位的相關(guān)值，要得到所有多普勒頻移下的1 023個碼相關(guān)值需要的時間是

可見，耗時太長。

對串行搜索捕獲的一個通道進行FPGA仿真時，存儲器部分占用約11 018 b。

2.2 并行頻率空間搜索捕獲

與串行搜索捕獲不同的是，并行頻率空間搜索捕獲只對1 023個不同的C/A碼相位進行搜索，但需要對每一個碼相位進行頻域的變換。在一個C/A碼周期內(nèi)，只能得到一個C/A碼相位的輸出，對一顆衛(wèi)星進行搜索捕獲所需的時間最大為1 023ms，且進行傅里葉變換時資源消耗量大。

對并行頻率空間搜索捕獲的一個通道進行FPGA仿真時，存儲器部分占用約45 056 b［4］。

2.3 并行碼相位搜索捕獲

與并行頻率空間搜索捕獲方法所不同的是，并行碼相位搜索捕獲對碼相位采用并行方式，省去了對1 023個碼片的逐一搜索及相關(guān)運算，只需改變41個可能頻點即可對一顆衛(wèi)星進行搜索捕獲。在一個C/A碼周期內(nèi)，對一顆衛(wèi)星進行搜索捕獲所需的時間最大為41ms。雖然捕獲時間有所減少，但捕獲中需要進行兩次傅里葉變換和一次逆傅里葉變換，資源消耗量更大。

對并行碼相位搜索捕獲的一個通道進行FPGA仿真時，存儲器部分占用約135 168 b［4］。

3 一種簡單快速的GPS信號捕獲方法

3.1 方法簡介

鑒于上述傳統(tǒng)的3種GPS信號捕獲方法存在的不足，本文提出了一種將串行搜索捕獲與并行搜索捕獲相結(jié)合的捕獲方法，原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖Fig.1 Block diagram of proposed acquisitionmethod

如圖1所示，該方法與并行碼相位搜索捕獲方法的第一部分類似，接收信號與本地產(chǎn)生的載波相乘，產(chǎn)生I支路信號，與本地產(chǎn)生載波的90°相移信號相乘之后產(chǎn)生正交Q支路信號。兩路信號分別經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入C/A碼相關(guān)器進行C/A碼相關(guān)運算后輸出［5］。與并行碼相位搜索所不同的是，該方法省去了兩次傅里葉變換和一次逆傅里葉變換，在運算上大大簡化，且資源消耗量小。

其中，C/A碼相關(guān)器模塊原理框圖如圖2所示。

圖2 C/A碼相關(guān)器模塊原理框圖Fig.2 Block diagram of C/A code correlationmodule

如圖2所示，該模塊包括以下幾個部分：

（1）1個本地C/A碼發(fā)生器，用來產(chǎn)生本地C/A碼；

（2）1個接收C/A碼寄存器，用來存儲經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的接收信號；

（3）16個本地C/A碼即時碼序列存儲器，每個存儲器有1 023個存儲單元，用來存儲本地C/A碼的1 023個碼片信號，每個存儲器中的內(nèi)容相同；

（4）16個數(shù)字加減法器，用來對接收信號與本地碼進行相關(guān)運算；

（5）16個相關(guān)值存儲器，相關(guān)值存儲器都是一個雙口RAM，有64個存儲單元；每一個時鐘脈沖下將接收到的C/A碼、本地產(chǎn)生的C/A碼數(shù)據(jù)送入數(shù)字加減法器進行相關(guān)運算后與相關(guān)值存儲器中的數(shù)值累加后，將得到的數(shù)據(jù)再存回到相關(guān)值存儲器；

（6）1個塊內(nèi)地址產(chǎn)生器，用來同時對每個相關(guān)值存儲器的64個存儲單元進行尋址；

（7）1個塊間偏移地址產(chǎn)生器，用來產(chǎn)生0～1 022的偏移量；

（8）16個塊內(nèi)地址計算器，用來將塊內(nèi)地址產(chǎn)生器的輸出和塊間偏移地址產(chǎn)生器的輸出作相關(guān)運算后對16個C/A碼序列存儲器的1 023個存儲單元進行尋址，具體所做相關(guān)運算如下：

其中，R為塊內(nèi)地址計算器輸出，X為塊內(nèi)地址計算器輸出，Y為塊間偏移地址產(chǎn)生器輸出，n＝0，1，2，…，15。

3.2 方法實現(xiàn)及步驟

流程圖如圖3所示。

圖3 GPS信號捕獲流程圖Fig.3 Flow chart of GPSsignal acquisition

該方法包括以下幾個步驟。

步驟一：設(shè)置多普勒頻移搜索次序及產(chǎn)生本地C/A碼。

由衛(wèi)星與接收機相對運動情況，設(shè)置多普勒頻移的搜索次序，多普勒頻移搜索次數(shù)。搜索次數(shù)最多包括41個多普勒頻點，搜索次序為i＝｛－5，5，－4.5，4.5，…，－0.5，0.5，0，－5.5，5.5，…，－9.5，9.5，－10，10｝；在相對運動速度較慢的情況下，可設(shè)置21個多普勒頻點，搜索次序為i＝｛－2.5，2.5，－2，2，…，－0.5，0.5，0，－3，3，…，－4.5，4.5，－5，5｝，搜索步長為0.5，單位為kHz［6］。

步驟二：對GPS信號進行捕獲，針對不同的多普勒頻移搜索得到多組C/A碼相位及多普勒頻移。

具體包括以下幾個步驟。

（1）將接收C/A碼寄存器2中的C/A碼的每個碼片信號記為dx，將本地C/A碼發(fā)生器產(chǎn)生本地C/A碼同時存入16個C/A碼即時碼序列存儲器中，每個碼片信號記為Dy，16個相關(guān)值存儲器記為Rz。其中，x，y＝0，1，2，3，…，1 022；z＝0，1，2，3，…，63。

圖4為第一個相關(guān)值存儲器的尋址及存儲情況。

圖4 第一個相關(guān)值存儲器的尋址及存儲情況（n＝0）Fig.4 Addressing and storage of the first correlation valuememory（n＝0）

對于第一個相關(guān)值存儲器中的64個單元，由塊內(nèi)地址產(chǎn)生器對其進行尋址，存儲情況如下。

1）在第一個時鐘脈沖下存入接收C/A碼寄存器的信號d0，此時，塊間偏移地址產(chǎn)生器輸出為0。

當(dāng)塊內(nèi)地址產(chǎn)生器輸出為0時，選中本地C/A碼即時碼序列存儲器中的第1個碼片信號D0，及第一個相關(guān)值存儲器的第1個單元R0，將數(shù)據(jù)d0、D0、R0送入數(shù)字加減法器進行相關(guān)運算后再存入R0中；

當(dāng)塊內(nèi)地址產(chǎn)生器輸出為1時，選中本地C/A碼即時碼序列存儲器中的第2個碼片信號D1，及第一個相關(guān)值存儲器的第2個單元R1，將數(shù)據(jù)d0、D1、R1送入數(shù)字加減法器進行相關(guān)運算后再存入R1中；

依此類推，當(dāng)塊內(nèi)地址產(chǎn)生器輸出為63時，選中本地C/A碼即時碼序列存儲器中的第64個碼片信號D63，及第一個相關(guān)值存儲器的第64個單元R63，將數(shù)據(jù)d0、D63、R63送入數(shù)字加減法器進行相關(guān)運算后再存入R63中。

2）在第二個時鐘脈沖下存入接收C/A碼寄存器的信號d1，此時塊內(nèi)地址產(chǎn)生器輸出重新歸0，塊間偏移地址產(chǎn)生器輸出為1。

當(dāng)塊內(nèi)地址產(chǎn)生器輸出為0時，選中本地C/A碼即時碼序列存儲器中的第2個碼片信號D1，及第一個相關(guān)值存儲器的第1個單元R0，將數(shù)據(jù)d1、D1、R0送入數(shù)字加減法器進行相關(guān)運算后再存入R0中；

當(dāng)塊內(nèi)地址產(chǎn)生器輸出為1時，選中本地C/A碼即時碼序列存儲器中的第3個碼片信號D2，及第一個相關(guān)值存儲器的第2個單元R1，將數(shù)據(jù)d1、D2、R1送入數(shù)字加減法器進行相關(guān)運算后再分別存入R1中；

依此類推，當(dāng)塊間偏移地址產(chǎn)生器輸出為63時，與塊間偏移地址產(chǎn)生器輸出相加為64，選中本地C/A碼即時碼序列存儲器中的第65個碼片信號D64，及第一個相關(guān)值存儲器的第64個單元R63，將數(shù)據(jù)d1、D64、R63送入數(shù)字加減法器進行相關(guān)運算后再存入R63中。

3）依上類推，在第1 022個時鐘脈沖下存入接收C/A碼寄存器的信號d1022，此時塊內(nèi)地址產(chǎn)生器輸出重新歸0，塊間偏移地址產(chǎn)生器輸出為1 022。

當(dāng)塊內(nèi)地址產(chǎn)生器輸出為0時，選中本地C/A碼即時碼序列存儲器中的第1 023個碼片信號D1022，及第一個相關(guān)值存儲器的第1個單元R0，將數(shù)據(jù)d1022、D1022、R0送入數(shù)字加減法器進行相關(guān)運算后再存入R0中；

當(dāng)塊內(nèi)地址產(chǎn)生器輸出為1時，選中本地C/A碼即時碼序列存儲器中的第1個碼片信號D0，及第一個相關(guān)值存儲器的第2個單元R1，將數(shù)據(jù)d1022、 D0、R1送入數(shù)字加減法器進行相關(guān)運算后再存入R1中；

依此類推，當(dāng)塊間偏移地址產(chǎn)生器輸出為63時，選中本地C/A碼即時碼序列存儲器中的第63個碼片信號D62，及第一個相關(guān)值存儲器的第64個單元R63，將數(shù)據(jù)d1022、D62、R63送入數(shù)字加減法器進行相關(guān)運算后再存入R63中。

對于第2～16個相關(guān)值存儲器，每個存儲器中的64個存儲單元都同樣存有64個不同C/A碼相位的相關(guān)值，每個相關(guān)值對應(yīng)的C/A碼相位為D64～

D127，D128～D191，D192～D255，D256～D319，D320～

D383，D384～D447，D448～D511，D512～D575，D576～D639，D640～D703，D704～D767，D768～D831，D832～D895，D896～D959，D960～D1022。當(dāng)輸入信號的一個C/A碼周期結(jié)束后，將1 023個碼相關(guān)值中的最大相關(guān)值記為P1，及其對應(yīng)的碼相位，記為P1Nj，j＝1，2，3，…，1 023。

（2）獲取i多普勒頻移i處C/A碼中不同碼相位的最大相關(guān)值Pi及Pi所對應(yīng)的C/A碼相位PiNj，其中i＝1，2，…，41。

步驟三：對每組結(jié)果進行比較分析，得到最終的C/A碼相位和多普勒頻移。

具體包括以下幾個步驟：

首先，將41個多普勒頻移下的C/A碼相關(guān)值Pi進行比較，看是否能得到一個明顯的峰值，如果得到明顯峰值，峰值所對應(yīng)的多普勒頻移和碼相位都已知，說明衛(wèi)星被捕獲，此后返回步驟一，依以上3個步驟進行對下一顆衛(wèi)星的捕獲；

其次，若比較分析后沒有一個明顯的峰值，則說明此衛(wèi)星不可見。

4 仿真實現(xiàn)

采用Verilog HDL語言進行編程實現(xiàn)，輸入信號使用1位二進制C/A碼，輸出信號為每個相關(guān)值存儲器中的最大值及最大值所對應(yīng)的碼相位，實驗圖如圖5所示。圖5中，對15號衛(wèi)星的前1 024個碼片進行了該方法的相關(guān)實驗，由圖5可得到一個最大的C/A碼相關(guān)值R12－COUT和該值所對應(yīng)的碼相位R12－B。

圖5 Verilog HDL仿真實驗圖Fig.5 Verilog HDL simulation diagram

實驗結(jié)果表明，每一次的搜索捕獲都能得到一個最大相位值及該相位值所對應(yīng)的本地碼相位。C/A碼頻率為1.023 MHz，由1 023個碼片組成，一個周期為1ms，本方法中，在一個C/A碼周期內(nèi)，即1 ms的時間就能得到一個多普勒頻移下的最大碼相關(guān)值及其對應(yīng)的碼相位。由此表明該方法的可行性與其優(yōu)勢。

對本方法搜索捕獲的一個通道進行FPGA仿真時，存儲器部分占用約16 368 b。

將本文中所提方法與傳統(tǒng)的3種搜索捕獲方法進行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 幾種捕獲方法的比較Table 1 Comparison between several acquisitio nmethods

與傳統(tǒng)串行搜索捕獲方法相比，該方法的重復(fù)次數(shù)為41次，且每次對一個C/A碼周期的1 023個碼片相關(guān)運算并得到最大相關(guān)值的時間為1ms，重復(fù)41次所耗時間為41ms；與并行頻率空間搜索捕獲及并行碼相位搜索捕獲方法相比，在電路復(fù)雜度上有所改進，該方法省去了兩種并行搜索捕獲中的傅里葉變換與逆傅里葉變換，在一個多普勒頻率下就能得到一個碼相關(guān)的最大值，并且如果有需要，能夠監(jiān)控每個C/A碼相位下的碼相關(guān)值。同時，在同種仿真軟件下存儲器所占用資源最小。此外，在乘法器、加法器的應(yīng)用上也最合理，能夠很好地做到縮短時間的同時減少了資源消耗。

本文所提方法在工程中具有較高的實用性，將DSP與FPGA相結(jié)合能夠?qū)崿F(xiàn)一套完整的GPS信號捕獲系統(tǒng)。對于GPS信號而言捕獲并不是最終目的，它只是一個必不可少的重要環(huán)節(jié)，最終目的是要準(zhǔn)確跟蹤后獲得GPS信號中的有效信息。因此，在該方法的仿真實現(xiàn)之后還需解決在此捕獲方法之上能夠準(zhǔn)確有效地跟蹤衛(wèi)星信號，獲取有效信息，這是之后要竭力解決的難題。

5 結(jié)束語

本文介紹了3種傳統(tǒng)的GPS信號捕獲方法，提出一種在原有方法基礎(chǔ)上的一種改進方法，該方法將串行搜索捕獲與并行碼相位搜索捕獲相結(jié)合，對該方法進行實驗仿真所得結(jié)果表明該方法具有較強的實用性及準(zhǔn)確性，同時證明了該方法既省去了傳統(tǒng)串行搜索捕獲中對1 023個碼片進行依次相關(guān)運算所用的時間，也省去了傳統(tǒng)并行碼相位搜索捕獲中的兩次傅里葉變換與一次逆傅里葉變換所消耗的大量資源，在串行捕獲與并行捕獲的原理的基礎(chǔ)上進行電路改進，實現(xiàn)了對GPS信號的簡單快速捕獲。

本文旨在提出一種新的捕獲方法，重在并通過實驗仿真驗證該方法的可行性與準(zhǔn)確性，及其在電路復(fù)雜度及時間、資源消耗上的優(yōu)勢，是對于GPS信號的捕獲又一改進，這一方法的提出對于我國“北斗”二代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究也是一種促進。然而，對于不同信噪比下的捕獲精度尚需進行驗證及測試，所以，在此基礎(chǔ)上如何能夠在較低信噪比情況下有效捕獲到衛(wèi)星信號是下一步研究的方向。

［1］嚴(yán)岳品.基于FPGA的GPS相關(guān)器設(shè)計［D］.南京：南京理工大學(xué)，2009：42－51. YAN Yue-pin.The Design on FPGA-based GPS correlator［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2009：42－51.（in Chinese）

［2］王曉東.基于FPGA的GPS接收機16通道快捕相關(guān)器設(shè)計［D］.南京：南京理工大學(xué)，2010：48－54. WANGXiao-dong.The Design on 16 channel Rapid acquisition of FPGA-based Correlator in GPSReceiver［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2010：48－54.（in Chinese）

［3］Borre K，Akos DM，Bertelsen N，et al.A Software-Defined GPSAnd Galileo Receiver［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2009.

［4］袁帥.基于FFT的GPS信號并行捕獲的研究及其FPGA實現(xiàn)［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2008：43－45. YUAN Shuai.Study and FPGA Implementation ofGPSSignal Parallel Acquisition Based on FFTAlgorithm［D］.Harbin：Harbin Engineering University，2008：43－45.（in Chinese）

［5］HuiHu，Chao Yuan.The Design on FPGA-based Correlator in GPSReceiver Using ISE［J］.International Journal of Intelligent Information Technology Application，2010，3（2）：92－97.

［6］北京航空航天大學(xué).一種GPS接收機的信號捕獲方法：中國，CN 101819278 A［P］.2010－09－01. Beijing University of Aeronautics and Astronautics.A signal acquisitionmethod of GPS receiver：China，CN 101819278 A［P］.2010－09－01.（in Chinese）

陳迅（1976—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，2008年于上海復(fù)旦大學(xué)獲博士學(xué)位，現(xiàn)為副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為控制理論與控制工程、智能控制、自動化監(jiān)測裝置、嵌入式系統(tǒng)；

CHEN Xun was born in Zhenjiang，Jiangsu Province，in 1976.He received the Ph.D.degree from Fudan University in 2008.He is now an associate professor and also the instructor of graduate students.His research concerns control theory and engineering，intelligent control，automatedmonitoring devices，embedded systems.

袁星星（1986—），女，江蘇南京人，碩士研究生，主要從事基于FPGA的GPS基帶信號處理電路的研究。

YUAN Xing-xing was born in Nanjing，Jiangsu Province，in 1986.She is now a graduate student.Her research concerns FPGA-based GPSbaseband signal processing circuit.

Email：yuan1986xing＠sina.com

A Sim ple and Fast M ethod for GPS Signal Acquisition

CHEN Xun，YUAN Xing-xing
（Academy of Electronics and Information，Jiangsu University of Science and Technology，Zhenjiang 212003，China）

Based on popular GPS signal acquisition methods，a simple and fastmethod is proposed.In about 1ms，themethod can complete a whole-code detection and acquisition of one satellite in a Doppler frequency shift.FPGA simulation shows in comparison with the traditional acquisitionmethods thismethod notonly reduces the consumption of resources and time，but also ensures thata Doppler frequency shift of the C/A code phase is obtained in a C/A code period.The acquisition ismore simple and fast.

GPS signal acquisition；whole-code acquisition；serial search acquisition；parallel search acquisition

TN911；TN96

A

1001－893X（2013）02－0182－06

10.3969/j.issn.1001－893x.2013.02.014

2012－06－21；

2012－10－08 Received date：2012－06－21；Revised date：2012－10－08

“北斗”二代衛(wèi)星接收機雙頻基帶芯片研制項目（BE2009121）

Foundation Item：Dual-band Baseband Chip Development of Beidou Second Generation Satellite Receiver（BE2009121）

??通訊作者：yuan1986xing＠sina.com Corresponding author：yuan1986xing＠sina.com