一种全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法[发明专利]

*CN102841361A*

(10)申请公布号 CN 102841361 A(43)申请公布日 2012.12.26

(12)发明专利申请

(21)申请号 201210342160.5(22)申请日 2012.09.17

(71)申请人上海无线电设备研究所

地址200090 上海市杨浦区黎平路203号(72)发明人陶志锋 林加涛 卓智 顾杰(74)专利代理机构上海信好专利代理事务所

(普通合伙) 31249

代理人张妍 张静洁(51)Int.Cl.

G01S 19/30(2010.01)

权利要求书 2 页 说明书 5 页 附图 3 页权利要求书2页 说明书5页 附图3页

()发明名称

一种全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法(57)摘要

本发明公开一种全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法，其包含：1、缓存T时间的零中频数据；2、生成本地伪码，并使之与缓存中的数据分段解扩；3、分布进行离散傅里叶变换，得到相关峰的离散频谱；4、计算的最大值和平均值；5、循环步骤1至4，搜索所有可能的和；6、比较各点平方值的最大值与捕获门限。本发明采用全球卫星导航定位系统信号的伪码捕获在频域处理，利用分步离散傅里叶变换形成流水式计算方式，提高计算效率，有利于信号的快速捕获和失锁重捕；根据离散傅里叶变换算法的特点，调整离散傅里叶变换求解过程中各项的运算顺序，分步迭代离散傅里叶变换运算，降低处理时延，减少软硬件资源消耗，提高捕获性能。CN 102841361 ACN 102841361 A

权 利 要 求 书

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1.一种全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

步骤1、缓存捕获时间（T）的数字零中频输入信号yk；

其中，表示采样点；是在信号中存在的GPS卫星数目；是第颗卫星的振幅；是第颗卫星的导航码序列；是第颗卫星的伪码序列；是第颗卫星的伪码初相位；

是硬件前端经过下变频和采样后的载波中心频率；是第颗卫星的载波多普勒频移；是第颗卫星的载波初相位；

是噪声，是本地产生的卫星的伪码初始相位；

做分段解扩，得相关功率S

；

步骤3、根据离散傅里叶变换的计算特点，调整对

进行离散傅里叶变换

步骤2、数字零中频输入信号yk与本复制伪码

中各项的运算顺序，通过分步式离散傅里叶变换运算，将离散傅里叶变换运算的过程与解扩操作并行运行，当最后一次离散傅里叶变换运算完成时，即获得了完整的离散傅里叶变换结果，相关峰的离散频谱：

；

步骤4、计算相关峰的离散频谱的模的平方步骤5、改变

的值，并判断是否完成所有可能的

和

的最大值和平均值；

搜索，若是，则跳转到步骤6，

若否，则跳转到步骤1；

步骤6、查看

的最大值，并判断

的最大值是否大于捕获门限，若

是，则捕获成功，若否，则捕获失败，改变伪码相位，并跳转到步骤1。

2.如权利要求1所述的全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法，其特征在于，所述的步骤3包含以下步骤：

对积分器输出第k个相关值

进行如下乘积运算：

；

其中1≤k≤N，

，

表示第1个频率的第k个样点，

表示第

N频率的第k个样点；

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权 利 要 求 书

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首先取k=1，对积分器输出的第一个相关值

，其中

频率的第一个样点，

表示第N频率的第一个样点；

进行乘积运算，得到

，

表示第1个

k以增量1依次增大，即k=k+1，k的范围为1≤k≤N，

式所示累积相关结果：

依次进行乘积运算，并如下

最终输出即为相关峰的频谱。

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说 明 书

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一种全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法

技术领域

本发明涉及一种卫星导航技术，具体涉及一种全球卫星导航定位系统信号普通测

距码快速捕获方法。

[0001]

背景技术

全球卫星导航定位系统（GNSS）现已成为全球发展最快的信息产业之一，具有全天

候、全球性、实时性和连续性的特点，可以为用户提供定位、授时和测速等服务。GNSS在军用、民用方面都发挥着至关重要作用，所以更多隶属于GNSS系统的子系统正在建设、设计和使用。

[0003] 目前，采用扩频测距码的现代卫星导航系统有GPS、北斗II、Galileo等。GNSS的主要工作原理是：导航电文以数据形式对载波和伪随机码进行两次调制，形成无线电波后向地面连续辐射。用户通过接收机获取视界内的卫星信号并求得导航定位信息。GNSS系统的通信基础是扩频通信。

[0004] 接收机的首要任务是捕获和跟踪来自卫星的GNSS信号。GNSS信号的捕获策略是接收机研制的核心内容之一。因为扩频测距码的GNSS信号接收功率小，所以接收时首先对信号进行伪码相关解扩。同时，又因为多普勒频移的不确定性，捕获时需要在码相位和频率上以固定的间隔进行二维搜索。对二者搜索的过程又可分为：伪码串行载波串行搜索策略、伪码串行载波并行搜索策略、伪码并行载波串行搜索策略、伪码并行载波并行搜索策略。各种搜索策略的捕获时间各不相同，全串行的速率最慢，全并行的速率最快。

[0005] 传统的伪码捕获方法采用匹配滤波器或相关器在时域完成相关运算，这两种方法用于伪码串行搜索；若用其实现伪码并行搜索，虽然能够加快捕获速度，但是需要多个匹配滤波器或相关器并行运算，将消耗大量的软硬件资源。基于傅里叶变换的伪码并行捕获方法将接收信号与本地再生伪码时域相关转换成频域的频谱相乘，能够有效降低捕获时间和减少软硬件资源。目前公开资料的并行频率搜索方法大多是接收信号和本地再生的伪码的时域相关全部计算完毕后再进行傅里叶变换，这种处理方式的等待时延较长，占用的存储空间和软硬件资源都较多，对高动态环境的适用性较差。

[0002]

发明内容

[0006] 本发明提供一种全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法，适用于全球卫星导航定位系统接收机中普通测距码信号的捕获，捕获速度快、处理时延短、软硬件资源消耗小。

[0007] 为实现上述目的，本发明提供一种全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法，其特点是，该方法包含以下步骤：

步骤1、缓存捕获时间的数字零中频输入信号yk；

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CN 102841361 A

说 明 书

2/5页

其中，k表示采样点；m是在信号中存在的GPS卫星数目；是第i颗卫星的振幅；是第i颗卫星的导航码序列；是第i颗卫星的伪码序列；是第i颗卫星的伪码初相位；

是硬件前端经过下变频和采样后的载波中心频率；是第i颗卫星的载波多普勒频移；是第i颗卫星的载波初相位；

是噪声，是本地产生的卫星的伪码初始相位；

做分段解扩，得相关功率S

；

步骤3、根据离散傅里叶变换的计算特点，调整对

进行离散傅里叶变换中

步骤2、数字零中频输入信号yk与本复制伪码

各项的运算顺序，通过分步式离散傅里叶变换运算，将离散傅里叶变换运算的过程与解扩操作并行运行，当最后一次离散傅里叶变换运算完成时，即获得了完整的离散傅里叶变换结果，相关峰的离散频谱：

；

对积分器输出第k个相关值

进行如下乘积运算：

；

其中1≤k≤N，，表示第1个频率的第k个样点，表示第

N频率的第k个样点；

首先取k=1，对积分器输出的第一个相关值

，其中

频率的第一个样点，

表示第N频率的第一个样点；

依次进行乘积运算，并如下进行乘积运算，得到

，

表示第1个

k以增量1依次增大，即k=k+1，k的范围为1≤k≤N，

式所示累积相关结果：

最终输出即为相关峰的频谱；

的最大值和平均值；和

搜索，若是，则跳转到步骤6，

步骤4、计算相关峰的离散频谱的模的平方步骤5、改变

的值，并判断是否完成所有可能的

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CN 102841361 A

说 明 书

3/5页

若否，则跳转到步骤1；

步骤6、查看

的最大值，并判断

的最大值是否大于捕获门限，若是，

则捕获成功，若否，则捕获失败，改变伪码相位，并跳转到步骤1。

本发明一种全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法和现有技术相比，其优点在于，本发明采用全球卫星导航定位系统信号的伪码捕获在频域处理，利用分步

[0008]

离散傅里叶变换形成流水式的计算方式，提高计算效率，有利于信号的快速捕获和失锁重捕，非常适合于高动态环境下的信号捕获；

本发明根据离散傅里叶变换算法的特点，通过调整离散傅里叶变换求解过程中各项的运算顺序，分步迭代离散傅里叶变换运算，有效地降低处理时延，减少软硬件资源消耗，提高捕获性能。

附图说明

[0009] 图1为本发明全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法的方法流程图；

图2为本发明全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法的离散傅里叶变换的方法流程图；

图3为本发明全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法进行GPS信号二维捕获结果图。

具体实施方式

[0010] 以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。[0011] 本发明适用于全球卫星导航定位系统（GNSS）接收机对全球卫星导航定位系统（GNSS）普通测距码信号进行伪码和频偏快速捕获。首先缓存一段捕获时间T的零中频数据作为待处理数据，然后将该数据与本地伪码做分段相关运算。根据离散傅里叶变换的计算特点，通过分步离散傅里叶变换求解相关峰的离散频谱，完成全球卫星导航定位系统（GNSS）信号伪码相位和残余频偏捕获。[0012] 如图1所示，为本发明一种全球卫星导航定位系统信号普通测距码快速捕获方法进行GPS的L1信号的粗捕获码（C/A码）捕获的实施例。该方法包含以下步骤：

步骤1、缓存捕获时间T的零中频数据，即数字零中频输入信号yk；其中为解扩卫星导航信息，首先需要在缓冲区中缓存待处理的数据，而T时间表示缓存待处理数据的时长。

[0013]

[0014]

其中，k表示采样点；m是在信号中存在的GPS卫星数目；是第i颗卫星的振幅；

是第i颗卫星的导航码序列；是第i颗卫星的伪码序列；是第i颗卫星的伪码初相位；是硬件前端经过下变频和采样后的载波中心频率；是第i颗卫星的载波多普勒

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说 明 书

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频移；是第i颗卫星的载波初相位；位。

[0015]

是噪声，是本地产生的卫星的伪码初始相

本实施例中，取捕获时间T=1毫秒（ms），通过采样和积分器获得1023点数字零中

频输入信号yk，为处理方便将最后1位补0形成1024点数据。

步骤2、1024点数字零中频输入信号yk与本复制伪码

做分段解扩，得相

[0016]

关功率S

。

每16个点输出一个相关峰，则1024点共输出个相关峰值。[0018] 其中，单个C/A码相位搜索需要1023个时钟周期，完成GPS的C/A码1023个相位的码相位搜索共需要1023×1023个时钟周期。

[0017] [0019]

步骤3、根据离散傅里叶变换的计算特点，调整对进行离散傅里叶变

换中各项的运算顺序，通过分步式离散傅里叶变换运算，将离散傅里叶变换运算的过程与

解扩操作并行运行，当最后一次离散傅里叶变换运算完成时，即获得了完整的离散傅里叶变换结果，获得由个相关峰组成的离散频谱：

。

[0020]

如图2所示，分步式离散傅里叶变换运算具体包含以下步骤：

进行如下乘积运算：

；

对积分器输出第k个相关值

其中1≤k≤N，，表示第1个频率的第k个样点，表示第

N频率的第k个样点。

[0021]

首先取k=1，对积分器输出的第一个相关值

，其中

进行乘积运算，得到

，

表示第1个

频率的第一个样点，

[0022]

表示第N频率的第一个样点。

依次进行乘积运算，并

k以增量1依次增大，即k=k+1，k的范围为1≤k≤N，

如下式所示累积相关结果。

[0023] [0024]

最终输出即为相关峰的频谱。

的最大值和平均值。

步骤4、计算相关峰的离散频谱的模的平方

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CN 102841361 A[0025]

说 明 书

5/5页

步骤5、改变第j颗卫星的伪码初相位的值，并判断是否完成所有可能的和

搜索，若是，则跳转到步骤6，若否，则跳转到步骤1；步骤6、查看

的最大值，并判断

的最大值是否大于捕获门限，若是，

则捕获成功，若否，则捕获失败，改变伪码相位，并跳转到步骤1。

其中分步离散傅里叶变换频率搜索方法不需要占用专门的时间，所以码相位和残

余频偏的快速捕获过程的处理时间就是码相位搜索时间，即1023×1023个时钟周期。如图3所示，给出了快速捕获方法实施实例中GPS信号二维捕获结果图。

[0027] 传统的并行频率搜索方法需要将个相关峰收齐后再进行离散傅里叶变换运算， 点离散傅里叶变换需要×个时钟周期，所以传统捕获方法需要(1023+×)×1023个时钟周期。[0028] 本实施例中，以XILINX V5 FPGA为实现平台，两种方法的设计逻辑在ISE综合后，资源消耗情况如表1所示。

[0026]

本发明传统方法

[0029]

LUT/FFPairs03499

LUTSliceRegister1825849424814

18kBlockRAM24

DSP48E816

表1 资源消耗对照表可见，采用本发明的方法提高捕获速度、缩短处理时延，使得软硬件资源消耗减小。[0030] 尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

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说 明 书 附 图

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图1

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说 明 书 附 图

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图2

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说 明 书 附 图

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图3

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