一种适用于GPS弱信号的快速捕获方法技术

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及GPS信号处理领域，特别涉及一种适用于GPS弱信号的快速捕获方法。
技术介绍
全球定位系统是美国国防部海陆空三支军队在上世纪70年代共同研制的卫星导航系统，英文全称为 “Navigation Satellite Timing And Ranging/GlobalPositioningSystem”，简称GPS系统。它是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全球性、全能性(海洋、陆地、航空和航天)、全天候连续性和实时性的导航定位和定时功能，广泛为各种用户提供精密的坐标、速度和授时等服务。它是当前技术上最为成熟并已实用的一种卫星导航定位系统，目前GPS系统已在交通管理、地形测量、野外勘探、以及导航等多个领域得到了广泛的应用。利用GPS系统进行定位、授时和测速，首先需要捕获到GPS卫星信号。信号捕获的 目的是获得当前接收机所在位置的可见卫星序号，然后计算出其载波频率以及伪随机码的相位信息，从而为后续的信号跟踪提供初始条件。GPS信号的捕获是一个二维的搜索过程，具体是利用C/A码的强自相关性，通过复现不同的本地载波频率和C/A码相位，将本地产生的信号与接收到的信号作相关运算，找到相关峰值的位置，从而确定出载波频率和C/A码相位。目前捕获GPS信号的方法较多，典型的方法有时域滑动法、基于FFT(快速傅里叶变换)的频域循环相关法。时域滑动法的优点是结构清晰简单，易于实现，缺点是运算量巨大，处理速度慢；而基于FFT的循环相关法能够显著减少运算量，提高捕获速度，但捕获频率的精度与所用数据的长度相关，精度越高，所需的数据越长，随着数据的增长，运算量与导航数据比特跳转的概率都会增大，因此在处理有限长度的数据时，不容易获得高分辨率的捕获频率。目前研究GPS信号捕获的方法中，针对弱信号的快速精细捕获的研究还不多，在实际的场景中，由于信号受到障碍物等影响，很多接收到的信号都变得非常微弱，达不到理想的处理指标，因此，提供一种针对GPS弱信号的快速精细捕获方法成为一个极具实际意义的研究课题。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种适用于GPS弱信号的快速捕获方法。该方法能够快速捕获到误差在20Hz左右(<25Hz)的载波频率，远小于跟踪环路所需的误差(200Hz)，同时信噪比较高，能够实现针对GPS弱信号的快速捕获，具有捕获精度高及运算量较少的优点。本专利技术的目的通过以下的技术方案实现一种适用于GPS弱信号的快速捕获方法，包括以下步骤(I)取一段Mms中频信号的数据，1〈M彡10，将其分成若干段Ims的数据，运用基于FFT的频域循环相关法进行相干积分，并将各自结果进行非相干累积，捕获得到中频载波信号的初频率和伪码初始相位。(2)另取一段中频数据与步骤(I)中得到的伪码初始相位相乘来剥离中频数据中的伪码相位信息。这样就消除了伪码相位对下一步时域精细捕获的影响，提高了时域捕获的速度。(3)根据步骤(I)中得到的初频率fr，在其频移范围内设置步长为 50Hz 的 21 个待捕获频率，进行时域滑动捕获，最后得到频率分辨率为50Hz的捕获频率。该捕获频率与实际的信号载频相差在20Hz左右，这已经大大满足了跟踪环路所需要的载频误差在200Hz范围内的要求。具体的，所述步骤(I)中运用基于FFT的频域循环相关法进行相干积分，并将各自结果进行非相干累积的步骤如下将每毫秒的输入数据进行快速傅里叶变换，将输入数据变换到频域X (k)； 然后以IkHz为间隔产生21个本地码，以覆盖多普勒频移范围；对产生的本地码进行FFT操作变换到频域，并取其复共轭；将以上频域结果进行逐点相乘后，对其结果进行FFT逆变换得到时域结果；最后将每毫秒对应的时域结果进行非相干累积，找到累积后的最大值，将最大值和门限值进行比较，如果最大值大于门限值则说明捕获成功，根据最大值的位置得到载波频率和伪码初始相位，其中载波频率是以IkHz为频率分辨率的初始捕获频率，称其为初频率。如果最大值小于门限值，则说明数据中不存在该颗卫星信息，改变星号，搜索下颗卫星信息。现有技术中，对于弱信号(S/N ( -19dB/2MHz)的捕获通常采用相干积分和非相干积分的方法来提高输入信号的信噪比(S/N)。相干积分是指输入信号变成连续波信号后，用快速傅里叶变换的方法来得到它的频率的操作。如果对Ims的数据进行相干处理，得到的等效带宽为1kHz。一般来说，相对于Ims的相干积分，n ms相干积分的附加增益Gc为Gc=101g (n)，例如n=2ms和IOms,附加增益分别为Gc=3dB和IOdB0但在实际的GPS信号处理中，由于导航数据每20ms就可能发生一次相位跳变，所以限制相干积分的长度，通常弱信号的捕获采用的数据最大长度是10ms，这是因为连续的两组IOms数据中，可以保证一组数据中没有相位的跳变。非相干积分是通过把一组长的输入数据分成许多段，对每段进行相干积分的操作，然后把同一频率相干积分的幅度值累加起来，这样来获得额外的S/N增益，从而弱信号被增强。具体的，所述步骤(3)中进行时域滑动捕获的具体步骤是设初频率为fr，在其频移范围内设置以50Hz为间隔的21个待捕获频率为，在时域内将上述待捕获频率分别与步骤(2)得到的已剥离伪码相位信息的中频数据进行相关运算，每次计算结果与门限值进行比较，大于门限值则说明捕获成功，其所对应的频率即为捕获得到的载波精细频率；如果小于门限值，则通过搜索控制来进行下一个频率点的相关运算。此步骤最多搜索全部21个频率点，直到找到大于门限值的频率点为止。本专利技术方法捕获得到的载波频率与实际的信号载频相差在20Hz左右((25Hz)。相对于一般捕获方法得到的载频精度，本专利技术方法将捕获载频精度提高将近十倍，大大提高了后续跟踪环路的处理效率。对于捕获环路之后的跟踪环路而言，一般捕获得到载波频率在200Hz误差范围内都可进入跟踪环路进行数据处理，但载频误差越小，跟踪环路所需要跟踪的载频范围就越窄，从而数据处理的效率就越高。一般认为捕获环路得到的载频误差小于五十赫兹时就可看作是得到了精细载频，即载波精细频率。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点和有益效果现有技术中，传统的时域滑动捕获方法由于在每个频率点上都要进行所有的码相位滑动计算，整个捕获是一个二维的搜索过程，计算量巨大，耗时较长；而循环相关捕获方法，其计算量相对时域滑动法较小，但捕获频率的精度与所用数据的长度相关，精度越高，所需的数据越长，这样采样的点数就会增多，计算量就会增大，而且其受导航数据比特跳转的影响也会增大。因此对于要求获得精度较高的捕获频率，循环相关方法就不太适合。而本专利技术方法正是考虑到两种捕获方法的优势和劣势，综合了时域滑动与循环相关两种捕获方法，利用其优势互补，快速捕获到误差在20Hz左右(<25Hz)的载波频率，远小于跟踪环路所需的误差(200Hz)，同时结合相干积分和非相干积分的方法来提高捕获信号的信噪比，从而实现针对GPS弱信号的快速捕获，该方法具有捕获速度快、捕获精度高及运算量较少 的优点。这对于研究当今非常热门的弱信号捕获具有非常重要的意义。附图说明图I是GPS信号二维捕获模型示意图；图2是时域滑动法捕获的结构原理图；图3是基于FFT的频域循环相关法本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种适用于GPS弱信号的快速捕获方法，其特征在于，包括以下步骤：（1）取一段Mms中频信号的数据，1

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：易清明，李燕敏，石敏，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：