張北帆

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

GPS衛(wèi)星信號(hào)的捕獲算法研究

張北帆

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

捕獲能夠幫助接收機(jī)初始化跟蹤環(huán)路并開(kāi)始跟蹤信號(hào)，捕獲的好壞對(duì)定位有較大影響。文中對(duì)L1頻段的GPS信號(hào)進(jìn)行定位研究，分別研究了傳統(tǒng)的串行搜索衛(wèi)星捕獲過(guò)程，討論了基于分段FFT的脈沖信號(hào)捕獲算法。仿真結(jié)果表明，基于分段FFT的脈沖信號(hào)捕獲算法在高信噪比時(shí)效果更好。

GPS衛(wèi)星；C/A碼；捕獲算法；分段FFT算法

為了跟蹤并解碼 GPS 信號(hào)，獲得導(dǎo)航定位信息，必須使用捕獲算法來(lái)搜索信號(hào)的出現(xiàn)。由于衛(wèi)星和用戶之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)[1-3]，導(dǎo)致用戶接收到的載波頻率不等于衛(wèi)星的發(fā)射頻率，這樣，用戶接收到的載波頻率在發(fā)射的中心頻率附近震蕩。捕獲的目的是從接收的信號(hào)中粗略估算出可見(jiàn)衛(wèi)星的信號(hào)參數(shù)，用于幫助接收機(jī)初始化跟蹤環(huán)路并開(kāi)始跟蹤信號(hào)。因?yàn)楦櫺l(wèi)星需要已知接收信號(hào)的載波頻率和C/A碼相位[4-5]。

C/A碼相位值是一種時(shí)間信息，所以碼相位這一維又叫做時(shí)間維。所以對(duì)某個(gè)衛(wèi)星信號(hào)的搜索是在一個(gè)由頻率和時(shí)間組成的二維空間進(jìn)行信號(hào)搜索。捕獲算法一般采用基于FFT的快速捕獲算法。

1 GPS衛(wèi)星信號(hào)的串行捕獲

本設(shè)計(jì)采用的捕獲方法是CDMA系統(tǒng)中常用的一種捕獲算法，其框圖如圖2所示。這種方式是基于接收信號(hào)與本地產(chǎn)生偽碼序列及本地載波的乘積。首先，接收信號(hào)首先與本地產(chǎn)生的偽碼序列相乘；然后與本地產(chǎn)生載波相乘產(chǎn)生I支路信號(hào)、與本地產(chǎn)生載波的90°相移信號(hào)相乘產(chǎn)生正交Q支路路信號(hào)；當(dāng)I、Q支路信號(hào)分別在C/A碼周期的時(shí)間內(nèi)積分后，平方相加；最后，判斷相關(guān)值是否超過(guò)了預(yù)設(shè)門限，若超過(guò)，則轉(zhuǎn)入跟蹤過(guò)程[6-7]。GPS衛(wèi)星信號(hào)捕獲的過(guò)程如圖1所示。

圖1 GPS衛(wèi)星捕獲算法

1.1 產(chǎn)生偽碼序列

出于對(duì)接收機(jī)性能的考慮，所有偽碼的產(chǎn)生都是預(yù)先處理好的，而不是在每次捕獲過(guò)程中即時(shí)產(chǎn)生。首先用C/A碼產(chǎn)生器脫機(jī)產(chǎn)生32個(gè)可能的C/A碼序列。這32個(gè)不同的C/A碼序列和來(lái)自于GPS衛(wèi)星的所有可能C/A碼序列相同。然后，將輸入信號(hào)與所有可能經(jīng)過(guò)碼偏移的C/A碼相乘。并將這32個(gè)可能的C/A碼以及所有經(jīng)過(guò)碼偏移的C/A碼保存起來(lái)。如此便有了32 736個(gè)不同的C/A碼

1 023×32=32 736

(1)

為產(chǎn)生的C/A碼能和輸入信號(hào)相乘，C/A碼也要像接收到的GPS信號(hào)那樣被抽樣。本文因?yàn)椴捎玫闹蓄l數(shù)據(jù)中信號(hào)是以38.192 MHz抽樣的，所以C/A碼也以這一頻率抽樣。抽樣后的C/A碼序列長(zhǎng)度由原來(lái)的1 023變?yōu)?8 192。

1.2 產(chǎn)生載波

捕獲的第二步是與本地載波相乘。載波發(fā)生器需要產(chǎn)生相位差偽90°的兩路載波信號(hào)，即余弦波和正弦波信號(hào)。采樣頻率為38.192 MHz，采樣時(shí)間為1 ms。具體操作如下：

(1)在Matlab中產(chǎn)生一個(gè)長(zhǎng)度為38 192的采樣序列nn，對(duì)應(yīng)于1 ms的時(shí)間；

(2)產(chǎn)生載波信號(hào)如式(2)所示，其中fc表示中頻與現(xiàn)有頻偏的和，ts為采樣周期

carrier=exp(carrier=exp(j*2pi*fc*ts*nn))

(2)

(3)由此，產(chǎn)生正弦波信號(hào)如式(3)所示，余弦波信號(hào)如式(4)所示

cosine=real(carrier)

(3)

sine=imag(carrier)

(4)

圖2兩個(gè)波形的前20個(gè)采樣點(diǎn)，其中采樣頻率fs為38.192 MHz，fc為9.548 MHz。

圖2 本地產(chǎn)生的cosine與sine波形

1.3 積分與平方

串行搜索的最后一部分是余弦和正弦信號(hào)分別相乘后進(jìn)行積分和平方[8]，其中平方是為了獲得信號(hào)功率。積分則是將對(duì)應(yīng)于處理數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的所有38 192個(gè)點(diǎn)的值相加。如果本地偽碼與接收信號(hào)偽碼完全對(duì)齊，且本地載波頻率與接收信號(hào)頻率相匹配，則所得的輸出值比不滿足這些條件的結(jié)果要大得多。圖3顯示的是對(duì)應(yīng)于一顆可見(jiàn)星的捕獲結(jié)果。

圖3 捕獲后的輸出信號(hào)

在對(duì)不可見(jiàn)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲過(guò)程中，相關(guān)運(yùn)算的結(jié)果都很小，這表示捕獲捕獲失敗。而對(duì)可見(jiàn)星的捕獲中，可以得到一個(gè)明顯的相關(guān)峰輸出。

2 分段FFT的脈沖信號(hào)捕獲算法

基于分段FFT的脈沖信號(hào)捕獲算法的核心思想是將若干毫秒輸入信號(hào)按照一定的長(zhǎng)度進(jìn)行分段，段內(nèi)做連續(xù)信號(hào)的捕獲，將各分段的結(jié)果按照時(shí)間順序排列，最后判決[9-10]。

基于分段FFT的脈沖信號(hào)捕獲算法操作如下：(1)將輸入信號(hào)y(t)以0.2 ms的長(zhǎng)度分為10段，將采樣點(diǎn)數(shù)補(bǔ)零至2n，并做FFT運(yùn)算，求出Yn(k),1≤n≤10；(2)將本地信號(hào)l(t)補(bǔ)零后做FFT運(yùn)算并取共軛，得到L(k);(3)將Yn(k)與L(k)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)相乘，求出On(k);(4)對(duì)On(k)做IFFT運(yùn)算，并組合成完整的o(t)，找出峰值位置并計(jì)算兩幀的跳時(shí)數(shù)。SNR=-15 dB時(shí)兩種算法的仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 SNR為-20 dB時(shí)算法仿真結(jié)果

在圖4中，可以找到3個(gè)明顯的峰值。由于位于第6分段和第7分段的脈沖位置均處于該分段的后半段，故第2 ms的信號(hào)脈沖在第6分段和第7分段之間發(fā)生了隔斷，需要修復(fù)隔斷。而在未發(fā)生隔斷的第1分段中，信號(hào)的峰均比為16.506 5，峰值所在位置可以直接作為碼相位捕獲結(jié)果。

當(dāng)SNR=-20 dB時(shí)算法的仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 SNR為-20 dB時(shí)算法仿真結(jié)果

由圖5可知，信噪比下降后，信號(hào)只能在分段1中被檢測(cè)出一個(gè)脈沖，峰均比為7.947 2。本該處于第6分段與第7分段之間的另一信號(hào)脈沖由于發(fā)生了截?cái)嘈?yīng)導(dǎo)致相關(guān)值降低，同時(shí)又被淹沒(méi)在噪聲中，故無(wú)法檢測(cè)出脈沖截?cái)?，不能?duì)其進(jìn)行修復(fù)，導(dǎo)致此次捕獲失敗。

通過(guò)該仿真可知，若發(fā)生脈沖截?cái)鄬?dǎo)致相關(guān)值的損失，則基于分段FFT的脈沖信號(hào)捕獲算法在低信噪比的環(huán)境下容易捕獲失敗。

3 結(jié)束語(yǔ)

為了能夠完成衛(wèi)星定位，需要對(duì)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行捕

獲、追蹤。捕獲的目的是從接收的信號(hào)中粗略的估算出那些可見(jiàn)衛(wèi)星的信號(hào)參數(shù)，用于幫助接收機(jī)初始化跟蹤環(huán)路并開(kāi)始跟蹤信號(hào)。捕獲給出了信號(hào)參數(shù)的粗略估計(jì)，而碼跟蹤和載波跟蹤模塊則將這些參數(shù)細(xì)化，跟蹤之后即可解調(diào)出導(dǎo)航數(shù)據(jù)。本文針對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行定位研究，研究了GPS衛(wèi)星串行搜索捕獲的流程，分別從載波和偽碼序列的產(chǎn)生，到積分與平方的過(guò)程。然后研究了基于FFT的衛(wèi)星信號(hào)捕獲算法，通過(guò)該仿真可知，若發(fā)生脈沖截?cái)鄬?dǎo)致相關(guān)值的損失，則基于分段FFT的脈沖信號(hào)捕獲算法在低信噪比的環(huán)境下容易捕獲失敗。

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Research on the GPS Satellite Signal Acquisition Algorithm

ZHANG Beifan

(School of Optical-Electrical and Computer Engineering, University of Shanghai for Science and Technology, Shanghai 200093, China)

The capture of the signal helps the receiver to initialize the tracking loop and start tracking of the signal. This paper discusses the localization of GPS signals of L1 band by the traditional serial search satellite acquisition process and by the subsection-FFT-based pulse signal acquisition algorithm, respectively. The simulation results show that the subsection-FFT-based pulse signal acquisition algorithm has better performance with a high signal-to-noise ratio.

GPS satellite; C/A code; acquisition algorithm; subsection FFT algorithm

2016- 05- 08

全國(guó)大學(xué)生科技創(chuàng)新重點(diǎn)基金資助項(xiàng)目(201310252012)

張北帆(1991-)，男，碩士研究生。研究方向：通信及計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.02.008

TN967.1;P228.4

A

1007-7820(2017)02-030-03