GPS衛星信號的捕獲算法

摘 要GPS接收機運行中，衛星信號高效捕獲是準確定位的前提和基礎，捕獲算法決定捕獲效果，對于接收機性能具有重要影響。算法不同，捕獲質量也有所差別。文章從GPS信號結構入手，從不同方面探討GPS衛星信號捕獲算法，并借助仿真結果驗證捕獲方案準確性。

【關鍵詞】GPS 衛星信號 捕獲算法

21世紀，國防、民航管理及農業等各領域得到了長足發展，其中衛星導航在其中發揮積極作用。導航接收機在實踐中應用中，主要是以衛星信號作為載體，通過捕獲、跟蹤相關運算處理，以此來確定用戶所在的位置、運行速度等。可見捕獲跟蹤算法恰當與否直接影響定位準確性。

1 GPS信號結構

GPS衛星發送的信號主要由載波信號、擴頻序列及導航數據三個方面構成，其中載波信號是GPS信號傳輸的兩個載波，由于衛星與接收機處于相對關系，接收機接收到到的信號會受到多普勒效應的影響，根據多普勒頻移能夠確定接收設備三維運動速度，以此來提高測距精度。擴頻序列是偽隨機碼，在此作用下，數據能夠拓展導航數據信號頻譜，以此來提高對信號的抗干擾性，實現對物體的準確定位。

2 GPS衛星信號捕獲算法分析

2.1 GPS衛星信號串行捕獲

在本文設計中，應用的捕獲方式是CDMA系統中常見的捕獲算法，如圖1。主要是建立在接收信號基礎之上，與本地產生偽碼序列及本地載波之間的乘積。第一，接收信號與本地產生偽碼序列相乘，形成之路信號，然后與本地載波正交形成正交信號，當兩路信號相互交叉后，能夠完成跟蹤目標。

對于偽碼序列來說，所有偽碼的產生都進行了預先處理，缺少即時性。首先利用C/A碼產生器，能夠形成32個碼，然后將輸入信號與所有可能經過碼偏移C/A碼相乘。

針對載波的形成，作為捕獲的第二步，載波發生器需要產生相位差為90°兩路載波信號，即余弦與正弦兩個信號。串行搜索最后一部分是余弦與正弦信號分別相乘，并進行積分與平方處理后得出結論。如果本地與接收信號的偽碼能夠完全吻合，那么獲得的輸出值較大。串行搜索捕獲算法實現起來更為簡單，但是搜索范圍過大，且需要更多的時間，無法實現對高動態目標的定位，僅適用于低速、定位時間要求不高的接收機。而并行頻率空間搜索算法，只需要對C/A碼移位即可，能夠在很大程度上縮短捕獲時間。相比較來看，兩種算法都能夠增加新的運算模塊，主要是在執行中需要重復多次利用原有模塊，且搜索范圍較小，捕獲需要的時間更短。

2.2 分段FFT脈沖信號捕獲算法

該算法核心思想，是按照一定長度，將若干毫秒輸入信號進行分段處理，捕獲連續信號，將各段結果以時間順序進行排列，最后得出具體的結果。在具體操作中，可以從如下幾個步驟進行：

（1）將輸入信號劃分為10段，采用點數補零至2n，進行FFT運算。

（2）對本地信號補零處理后進行FFT運算，得出完整的結果。

（3）將前兩個數值進行相乘。

（4）確定峰值位置后，計算出兩幀跳時數。

按照上述步驟能夠找到三個明顯的峰值，可以將其作為碼相位捕獲結果。。另外，觀察仿真結果來看，信噪比下降后，信號只能夠在分段1中檢測到脈沖，對應的峰均比為7.9475，而處于第6、7段之間信號脈沖產生截斷現象，造成相關值有所下降，并受到噪聲干擾，無法更加全面的呈現出來，故無法監測到具體的數值，且無法對其進行修復處理，造成捕獲失敗。可見，如果脈沖截斷造成相關值損失，該方法僅能夠在低信噪比條件下極易出現捕獲失敗的情況，無法對被測物體位置、速度等進行準確定位。

2.3 二次精頻捕獲算法

通過算法過程，能夠檢測到信號有關峰值，獲得載波頻率估計值。由于捕獲算法頻率分辨率與數據長度存在密切聯系，由1ms數據，對應的頻率分辨率約為1KHz，對于后續跟蹤環路而言過于粗糙。對此，為了減少閉環時間，我們需要對頻率進行詳細地估計。

根據FFT運算特點來看，輸入的數據填零后，雖然無法提高分辨率，且難以區分詳細的頻率信號，但可以通過此找到單一信號。故直接采用較長數據后運用FFT計算并不恰當。為了減少FFT運算量，可以利用相位關系算法，完成二次精頻捕獲，獲取連續信號。將信號作為基礎，對其進行DFT運算，求得最高頻率分量。根據這一算法，能夠計算得出連續多個相位差值，對所得相位差求平均值，以此來提高頻率準確性和可靠性。

3 結論

根據上文所述，為了能夠提高衛星定位準確性，要對衛星信號進行捕獲與跟蹤。通過高效地捕獲，能夠從接收機信號當中，估算出具體的信號參數，以此來幫助接收機能夠跟蹤信號，確定物體的位置。同時通過捕獲的信號參數進行估計，能夠對模塊對應的參數予以細化處理，解調出具體的導航數據，為實際工作提供科學依據。文章從GPS信號構成入手，對不同的捕獲算法進行介紹和分析，發現不同的算法產生的效果也有所差別。因此在日后實踐應用中，要根據具體需求，合理選擇算法，不斷提高捕獲有效性。

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作者簡介

劉紫薇（1995-），女，吉林省舒蘭市人。大學本科在讀。研究方向為電子-通信工程

作者單位

浙江大學 浙江省杭州市 310027