第20卷 第8期 Vo1.20 No.8 电子设计工程 Electronic Design Engin 2012年4月 ADr.2012 GPS信号快速捕获技术研究及仿真 于雪晖,徐京,柳涛 (北京卫星信息工程研究所北京100086) 摘要:为提高GPS信号的捕获速度。研究了基于快速傅里叶变换的并行码相位快速捕获技术,在原算法的基础上进 行了二级处理,对频率细化从而减小了相关值衰减,使其更适用于工程应用。采用该技术在频域计算输入信号与本地 信号的相关值.并得到相关峰值所对应的载波频率和码相位。Madab仿真结果表明,该技术可以成功的捕获GPS卫 星的C/A码信号并减少运算量.乘法和加法的运算次数是传统顺序搜索算法的0.n2 3%和0.215 7%。有效的缩短 了信号捕获时间。 关键词:GPS卫星;快速捕获:载波频率;码相位 中图分类号:TN927 文献标识码:A 文章编号:1674—6236(2012)08—0150—03 Research and simulation on fast acquisition technology of GPS signal YU Xue・hui,XU Jing,LIU Tao (Beijing Institute of Satellite Information Engineering,Beijing 100086,China) Abstract:In order to accelerate the acquisition speed of GPS signal,a method based on parallel code—phase acquisition is presented,and a secondary treatment is taken based on the existent method.Frequency space is made smaller to reduce the attenuation of correlation peak,and more available to engineering application.Using this method,the correlation value of input signal and local signal is calculated in frequency domain,and the carrier frequency and code phase are available according to the correlation peak.Simulation result of Matlab indicates that this method can capture the C/A code signal of GPS satellites and reduce the computational complexity successfully.The computational complexity of multiplication and addition is 0.1 123%and 0.2157%of traditional method.Meanwhile,with this method,the time of capturing sinagl is shortened effectively. Key words:GPS satellite;fast acquisition;carrier frequency;code phase 目前,GPS(Global Positioning System)系统被广泛地应用 于民用和军事部门,提供定位、测速和授时服务。GPS在Ll (1 575.42 MHz)频率上提供标准定位服务(SPs)。每颗GPS 卫星有一个唯一的扩频码(C/A码).在用户端每颗卫星的C/A 码是已知的。GPS接收机需要搜索这些C,A码,确定当前哪 些卫星是可用的[11。对于每个码,接收机要执行二维的搜索, 即搜索载波频率偏移和码相位偏移。也就是捕获C,A码,捕 1捕获原理与算法 1.1 GPS信号数学模型 采用基于FFr的并行码相位快速捕获方法完成对卫星 信号的捕获,对卫星信号的捕获实质上还是一个二维搜索 的过程,一个是对码延迟的搜索,另一个是对多普勒频移的 搜索。 获后接收机要跟踪该信号。信号捕获是GPS接收机中最耗时 的操作,因此,C/A码信号的快速捕获也逐渐成为研究的热点 课题。 经过射频模拟下变频和数字下变频后.接收到的卫星信 号可以表示为: y(t );AC(f r)D(£ )・exp{-j(2 £ 0)1 (f ) (1) Van Neef21提出了一种快速的搜索算法(并行码相位搜索 捕获算法),该方法利用基于FFr的相关器,在一步内搜索所 其中A为信号幅度,C(t)为接收信号的PRN码,D(t)为 导航数据信息,频率为50 Hz, 为信号延迟, 为多普勒频 率, 。为初始相位, (t)为接收机噪声,服从正态分布。 1.2并行码相位捕获原理 有可能的码相位偏移。并用频域乘法进行相关运算。在此方 法的基础上,采用两步信号处理的方式,减少一级数据采样 点,再对已得到的粗单元进行细分,将频率分辨率控制在 当数字中频信号分别与1支路和Q支路上某一频率的 复制正弦和复制余弦载波信号混频后,并行码相位搜索捕获 算法对混频结果进行傅里叶变换,然后将变换结果与复制C/A 码信号傅里叶变换的共轭值相乘。接着将所得的乘积经傅里 叶反变换得到在时域内的相关结果,最后对这些相关值进行 100 Hz左右。相对于传统的并行码相位搜索捕获算法,在减 少了信号捕获的运算量的同时提高了频率分辨率。由此提高 了信号捕获速度并减小了相关峰值衰减渤。 收稿日期:2012—02—19 稿件编号:201202090 作者简介:于雪晖(1988一),男,黑龙江哈尔滨人,硕士研究生。 研究方向:信号与信息处理。 150- -于雪晖.等检测来判断信号是否存在[41。 GPS信号快速捕获技术研究及仿真 时,会产生一个幅度的调制系数sin C( T),如式所示: N-1 根据卫星信号(1)式,设多普勒频移估计值为 ,那么首 先对y(t )信号进行多普勒去除,然后再与复现的C/A码作相 关运算,如式(2)所示。 1 ^1 exp(r , ≯,j2 毗)-一f、一一1-exp( j2 ̄f4T)一 .1-exp(j2 ̄fa ) . 一Ⅳsin c(fdT)exp(j (T-L)) (10) 为 Z(d, )= y(m)c(m—d)exp(j2"trfamt ) m=O (2) 因此,当频率有偏移时,相关峰值能量的损失.s 其中d为码延迟,t 为采样时间间隔,C(m—d)为C/A码 的循环移位。 设fI ,于是(2)式可以写为: 1 Z(d,f)=∑y(m)c(m—d)exp(j2 ̄rml/N) (3) m=0 对Z(d。Z)做离散傅里叶变换: Z(k,1)=DFT(Z(d,_厂d)) N一1 N一1 =∑fd--O、m-∑)-0 ,(m)c(m-d)exp{j2耵mZ/N})exp(-j2 ̄kd/N) N一1 N~1 =∑ (m)exp(-j2 ̄rm( 一1)lN)x∑C(m—d)exp(j2 ̄(m—d)k/N) m=0 d枷 (4) 因为C/A码为实数,所以: ^L1 ’●1 Z(k,z)= y(m)exp(_j2竹m( 一1)/N)x m=O 1 f∑c(m-d)exp(_j2竹(m-d)k/N)} 、d =y( 一1)・C ( ),k=0,1,2…,Ⅳ_1 (5) 对上式取反傅里叶变换 (d)=,D刀(Z( ,Z)),d=0,1,2,…,Ⅳ_1 (6) 那么,z(d)即为码延迟为d,归一化多普勒为f时的相 关值。 根据上面的讨论,当复现的C/A码与实际接收信号的C/A 码完全对齐,并且z= 纠时相关结果 (d)取得最大值, 表 示取不大于 的最大整数。此时,码延迟的估计值为d,多普 勒的估计值为: { N 、 其中,Ⅳ为DFT的点数, 为采样频率,f=l/t 。 根据(7)可知,多普勒频移的频率分辨率为: af=f/IV (8) 由式(8)可知,在采样频率一定时,DFT的点数越大,多 普勒频移的频率分辨能力就越高。 1I3相关峰值衰减 相关峰值的损耗主要来自于两个方面.码片分辨率和频率 分辨率。第一由于对PRN码进行了采样,码片分辨率的精度 受到采样率的影响,进而影响相关峰值,相关峰值的损耗为: SNRI.=201 g(1-R 。/2E) (9) 第二方面来自于残余的多普勒频偏.即频率分辨率,当 如式(1)的数字中频信号经过混频后,在进行码相关的积分 2Ol g[sin C 71)】。 2算法设计及实现 本文采用Matlab设计工具进行算法设计与实现。如图l 所示为并行码相位捕获算法流程图。首先,根据已知的载波 频率和伪码产生原理复现本地数字中频载波信号和伪随机 码(C/A码)信号;再将本地载波与接收到的中频信号进行混 频,剥离载波信号:然后将C/A码信号和混频后的信号在频 域进行乘法运算,再进行傅里叶反变换。在时域得到相关峰 值所对应的载波频点和码相位 。至此,第一次粗搜索进行完 毕,但由于500 Hz的频率分辨率太低,不利于后续的信号跟 踪,所以要进行第二次精搜索。 第二次搜索只对已经捕获到的信号即相关峰值超过预 定门限的信号进行搜索,根据上述求得的C,A码相位,可以 得到剥离C/A码后的载波信号,再将捕获到的粗单元进行细 分,重复上述计算,增加数据长度将频率分辨率调至100 Hz, 这样只需求得该载波信号在频域中最大功率值所对应的频 点r6I,即为载波频率。根据以上的相关峰值衰减的理论分析可 知,在码相位分辨率不变的情况下,频率分辨率从50o Hz提 升到100 Hz,相关峰值衰减可以减小3.78 dB,增大了信号捕 获的概率,提高了捕获性能。 3仿真结果 1)仿真条件 为验证捕获算法的有效性,以一段实测的GPs信号作为 数据源。该GPS射频信号首先通过射频前端的下变频、滤波 和放大到中频为9.548 MHz的信号,然后以38.192 MHz的采 样率进行数字化,量化位数为8-bit,由于C,A码信号带宽为 2.046 MHz,因此38.192 MHz采样率满足奈奎斯特采样定理。 经数字化后,每1 ms采样时间内有38 192个C,A码采样点, 从这里开始利用该算法对C,A码进行搜索和捕获。 2)仿真结果及分析 以21号卫星为例。仿真结果如图2所示。从图中可以得 到相关峰值的C/A码相位起始位置在采样点的第13 404点 处,最大频率分量出现在载波频率为9 547.5 kHz处,此时得 到的载频有较低的频率分辨率,细化频率后得到其精细载频 为9 547.426 kHz.满足跟踪环所需的频率分辨率在几十赫兹 以内的要求。 图3所示为32颗卫星的捕获结果,全部卫星捕获完毕后 将测量值(峰值与次峰值的比值)与捕获门限进行比较,超过 一l51— 《电子设计工程}2012年第8期 生了深远的影响。智能化将是电力通信网络发展的必然趋 Implementers Guide for ITU2T Rec.2001. 势。引人和建设ASON通信网络必须是一个循序渐进的过 程,在保证网络安全稳定的基础之上,构建新型的智能通信 网络,对电力通信网的革新和升级都具有重要意义。 [41王武朝.ASON ̄L其在电力通信光网络中的应用前景分析 【J].电力系统通信,2006,27(162):52-55. 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