专利名称：对gps l5信号的捕获方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及全球导航卫星系统GNSS global Navigation Satellite System)软件导航接收机，尤其涉及捕获GPS导航信号的方法。
背景技术：
GPS系统已在军事、科学、政治和经济方面得到了广泛应用。GPS可以使用的信号主要有四种，Ll，L2，L2C和L5。其中L2C和L5是新的GPS导航信号，L5信号主要是用来提供生命保障服务。随着新的民用导航信号的使用，对于新导航信号的快速捕获和实时跟踪的研究逐渐成信号处理领域的热点。然而，GPS L5信号与GPS Ll信号有着不同的信号结构，其由2个正交分量组成，其中一个载有导航信息，被称为数据通道(data channel) (15-code)，另一个没有导航信息， 被称为导航通道(Pilot channel) (Q5-code) ；15和Q5的伪随机测距码是相互独立的，但是在时间上是同步的，都是Ims的数据长度，码率为10. 23Mbps。由于这两个分量是同步的，而每一个分量相对于GPS Ll信号来说又是非常相似的。可以采用GPS Ll信号捕获的方法来 GPS L5信号的数据通道或者导航通道进行单独捕获，但是这样单独对两个分量进行捕获， 捕获操作会有一定的增益丢失。对于在信噪比较差的环境下，就难以发挥GPS L5信号的优势。参考文献 1 (Hegarty, C. , Tran, Μ. , Van, Dierendonck, A. J. “Acquistion algorithm for the GPS L5 signal"In proceeding of I0N/GNSS,Portland,OR,Sept. 2003pl65-177 ； (2)Yang,C. ,Hegarty,C. ,Tran,M. ,"Acquisiton of the GPS L5 signal using coherent combining of 15 and Q5，，In proceeding of I0N/GNSS 17th international Technical Meeting, Long Beach, CA, Sept 2004, p2184-2195)提出了一种数据通道和导航通道相结合的捕获方法。但是这种方法的实际运算量也是非常大，难以满足现代软件接收机的需求。
发明内容
因此，本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种对GPS L5信号的捕获方法，以降低捕获运算量，提高捕获的精确度。本发明的目的是通过以下技术方案实现的根据本发明的一个方面，提供了一种对GPS L5信号的捕获方法，所述方法包括步骤1)分别在GPS L5信号的数据通道和导航通道进行短时间的捕获，获得粗略的捕获结果；步骤2~)基于所获得的粗捕获结果进行进一步的捕获，以得到精确的码相位和多普勒频移。上述方法中，所述步骤1)包括步骤11)分别在数据通道和导航通道对各自接收到的^is的信号数据进行相干积分，获得相关结果；步骤1 将相关结果与预定阈值做比较，获取通过所述阈值的相关结果所对应的捕获参数。上述方法中，所述步骤11)包括在数据通道，通过将第Ims和第3ms的数据相叠加，第2ms和第^is的数据相叠加， 对于上述两组2ms的数据中的每一组，在调制的NH码为{(1,1), (-1,-1), (1,-1), (-1,1)} 的情况下分别做相干积分，取其中最大的相关结果作为该通道的相关结果；在导航通道，将接收到的^is的数据循环分为8份，每两份数据形成一个Ims的数据块，与将0. 5ms的本地数据后面补零形成的Ims的本地数据进行相关积分，将其中最大的相关结果作为该通道的相关结果。上述方法中，所述步骤2、包括基于所获得的捕获参数，对20ms的输入信号的数据采用双通道非相干信道联合捕获方法进行捕获，如果所得到的捕获结果通过判定阈值，则该卫星捕获成功，并获得相应的码相位和多普勒频移。上述方法中，所述步骤2、包括基于所获得的捕获参数，对20ms的输入信号的数据采用双通道相干信道联合捕获方法进行捕获，如果所得到的捕获结果通过判定阈值，则该卫星捕获成功，并获得相应的码相位和多普勒频移。根据本发明的另一个方面，提供了一种对GPS L5信号的捕获装置，该装置采用上述的捕获方法对GPS L5信号进行捕获。与现有技术相比，本发明的优点在于结合GPS L5信号的数据通道和导航通道的不同的特点，采用了分阶段的捕获方法，在粗捕获阶段，先将数据通道和非数据通道各自进行短时间的单通道捕获，这样采用了较少的数据量，一定程度上降低了捕获的运算量，同时也可以粗略的获得捕获参数，缩小了精捕获阶段的搜索范围，然后将捕获参数传递给精捕获，使得精捕获在对长时间的输入数据进行捕获时，减少了搜索范围，可以通过进行长时间的相关操作来获得更多增益，增加捕获的精确度。
以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中图1为根据本发明实施例的对数据通道进行粗捕获的流程图；图2为根据本发明实施例的对导航通道进行粗捕获的流程图；图3为根据本发明实施例的对L5信号进行精捕获的流程图。
具体实施例方式为了使本发明的目的，技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图通过具体实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明， 并不用于限定本发明。为了更好地理解本发明的内容，先对GPS L5信号的结构进行简单介绍GPS L5信号由2个幅度相等且相位正交的分量组成，其中一个载有导航信息，称为数据通道I(data channel)；另外一个没有导航信息，称为导航信道Q(pilot channel)，有时，也可以称为非数据通道。对第j号卫星而言，其L5信号可定义为Sj = η(20，t)g(i, t) sin(w5t+Φ)+Dj(t)η(10, t)g(k, t)cos(w5t+(J)) (1)其中，w5t = 2n χ 1 176. 45MHz现办)是第j号卫星经编码后的导航数据流； η (10，t)和η 00，Τ)是长度周期分别为10个和20个基码的Neuman-Hoffman(NH)码(纽曼-霍夫曼码)；g(k，t)为数据信道PRN码；g(i，t)为导航信道PRN码。GPS卫星编号取决于相应的PRN码，即每颗GPS L5卫星均有一对独特的g(k，t)和g(i，t)，该PRN码对彼此不相关或几乎不相关。接收到的同一个卫星信号的2个信道受到各种因素所导致的码延迟、多谱勒频移、NH码偏移都是相同的。多谱勒频移在高速运动载体上影响为士 10紐2，低速时为士 5kHz。接收到的某颗GPS L5卫星的GPS L5信号经过前端天线、混频器处理后信号可定
义为
r} (t) = ^fP- d{t) ■ NHw{t) ■ g(k, t) ■ cos(2^(//f ± fDY) + 肝.d{f). NH 20{f). g(i ,f)、Η2π(/ΙΡ ±fD论(2)其中，P为信号总功率；d(t)为导航数据消息；g(k，t)为数据信道PRN码；NHltl (t) 为数据信道NH码；g(i，t)为导航信道PRN码；NH2Q(t)为导航信道NH码；fIF为混频后的中频载波频率；fD为影响接收机的多谱勒频率。信号再经过数字采样后变为数字信号 r(n)。然后，对r (η)信号进行捕获算法运算。捕获的目的是识别用户所有的可见卫星，如果某颗卫星可见，捕获过程必须确定出信号的2个特性频率和码相位。在本发明的一个实施例中，提供了一种对GPS L5信号的捕获方法。该方法采用分阶段的捕获方法，在第一阶段(也可以称为粗捕获)，对于少量接收数据进行相干或者非相干操作，并判断哪些数据需要进行后续处理；在第二阶段(也可以称为细捕获)，将需要继续处理的数据进行精确的捕获，并针对GPS L5信号的数据通道和导航通道的特点，采用双通道非相干联合捕获的方法，对输入信号进行更为精确的捕获操作。在本实施例中，针对卫星采样的数字信号，首先对接收到的細s数据进行处理，这一处理过程完成后会得到捕获的相关参数，不过精度比较低，只能给出大致的范围，然后精捕获阶段再处理20ms的数据， 此时精捕获阶段就不必搜索所有可能的范围，而只是在粗捕获获取的范围内进行更加精确的捕获。下面对该方法的具体步骤进行更详细的讨论。首先，进行粗捕获。在该阶段分别对数据通道和导航通道进行捕获，即同时对这两个信道进行短时间的相干积分，粗略过滤一下需要捕获的卫星，并且缩小码相位、多普勒频移和NH码对齐位的搜索范围。这是由于GPS L5信号的码率为10. 23Mbps，是Ll信号的10倍，因此，单从数据量上来看，L5信号的捕获无论是非相干积分，相干积分或者其他操作都会对整个软件接收机产生巨大的计算负担。虽然L5信号分为两个信道，并且可以通过对非数据通道的长时间相干积分，例如20ms的非数据通道信号，来增加捕获增益，从而捕获微弱信号。但是这种做法很不实际，因为长时间的相干积分运算量非常巨大，软件接收机无法满足这样的运算负荷。图1为对数据通道的粗捕获的流程示意图。因为数据通道是含有数据的部分，可能会产生数据的跳变，所以针对数据通道的捕获将采用的信号数据，通过将第Ims和第 3ms的数据相叠加，第2ms和第^is的数据相叠加，分别做相干积分。这样两组数据中必然有一组数据不含有数据跳变，从而不会影响捕获结果的判断。但是由于数据通道也调制有NH 码，而NH码也是存在符号的转换，而且NH码的符号转换同样会导致捕获的失败，因此要解决这种情况，可以采用遍历四种可能的情况，即对于上述两组2ms的数据(第Ims和第3ms 的数据、以及第2ms和第^is的数据)，在调制的NH码为{(1,1), (_1，_1)，(1，_1)，(_1， 1)}的四种情况进行捕获，取其中最大的相关结果。由于采用2ms数据的叠加，可以适当增加捕获的增益，同时避免增加粗捕获阶段的运算负荷，从而能够快速过滤能够捕获的卫星， 估算出各个参数的取值范围。应指出，可以根据实际需求使用不同时间长度的数据进行积分，并不仅限于細s的数据，例如，可以是6ms、8ms等。如图1所示，首先将接收到的经过数字采样后的数字信号r (η)与本地信号fD相乘，然后进行傅里叶变换(FFT)，其结果与进行了傅里叶变换和复共轭变换的本地PRN码 (也就是由码生成器生成的数据通道的PRN码)进行相乘运算，对该运算结果进行求模平方，最后输出捕获结果，并获得多普勒频移，码相位，码频率等参数。其中，fD = fIF+fd，其中 fIF为本地中频；，fd为多普勒频移的步进。将上文所述的两组2ms的数据都执行以上的操作，得到两个相关结果值。图2所示的是对导航通道的粗捕获的流程示意图。在导航通道中是不含有数据的，因此相比于数据通道，导航通道可以进行长时间的相干捕获而不必担心数据跳变对信号产生的影响。但是在超过Ims的相干积分中，由于NH码可能存在符号变换会导致捕获的失败，所以在保证捕获精度的前提下，可以通过双块零拓展DBZP(Double Block Zero Padding)的方法进行捕获。图2所示的是采用基于DBZP的捕获方法的一个实施例。DBZP 就是将0. 5ms的本地数据后面补零，形成一个Ims的数据，同时与Ims的输入数据进行循环相关操作，这样可以避免NH码的符号变换问题。为了提高粗捕获的精度，增加捕获的增益， 对在导航通道接收到的-S的数据进行非相干累积，这样与之前的数据通道所采用的输入数据量是一样的，有利于对捕获进行并行处理。更具体地，将这-S的数据循环分为8份， 每两份数据形成一个Ims的数据块(例如，第1份和第2份的数据；第2份和第3份的数据；第3份和第4份的数据等)，与本地信号进行循环相关操作，从而形成一个矩阵，最终将其中最大的值作为捕获的结果，并获得相应的捕获参数。由于所使用相干积分的数据量较小，因此在DBZP阶段其形成的矩阵相对较少，而且每个都是一个Ims的相关操作，对于软件接收机来说，这样的运算负荷可以接受。在另一个实施例中，也可以采用传统的循环相关的方法，但是由于NH码的符号变换原因，可能得到的结果会出现错误结果，导致捕获的失败。如上文所述，经过数据通道和导航通道的粗捕获操作，在数据通道得到两个相关结果值，在导航通道得到一个相关结果值。将这三个相关结果的值与设定的阈值进行比较。 在不同情况下的鉴于所考虑的因素不同，设定的阈值也不同。例如根据用户需求或者外部环境来设定的较宽松或较严格的阈值。又例如也可以将阈值取为同一个卫星的相关结果的最大值与次大值的比值，例如为1. 8。如果有一个相关结果通过阈值，则判定其可能被捕获， 也就是说如果通过阈值则捕获的频率和相位等参数就可以在后面使用，也就意味着与这些参数契合的卫星可能被捕获，并将产生的码相位，多普勒频移和NH码对齐位的粗略值记录下来，为之后的精捕获提供大致的捕获范围。由于粗捕获采用短时间单通道捕获，其捕获结果的精度相对较低，但明显降低了运算负荷。另外，假设处于高速运动状态，多普勒频移为士 IOkHz，对于2ms的粗捕获得到的
7多普勒频率的精度是500Hz，而精捕获所要获得的多普勒频率的精度为50Hz，如果没有粗捕获阶段，精捕获的搜索范围为20kHz，而如果采用粗捕获，则其搜索范围为500Hz，这样就降低了精捕获的搜索范围，同样也就减少了大量的运算。可见，与现有技术相比，通过在粗捕获阶段对两个通道都进行粗捕获，一方面是可以对数据进行预处理，缩小精捕获阶段的搜索范围，降低运算量；另一方面，通过对两个通道的处理，一定程度上减少粗捕获阶段的错误率。在又一个实施例中，在粗捕获阶段也可以分别对数据通道和导航通道进行短时间的非相干积分。其次，进行精捕获。虽然在上述的粗捕获阶段分别对数据通道和导航通道都进行了捕获，并且结合了两个通道来进行判断，但对于每个通道的粗捕获实际上还是对单通道的捕获，放弃了一半的可用信号能量，这使得捕获增益降低。可见，只采用粗捕获，捕获的精度会降低，尤其是在信噪比较低的情况下，这种状况尤为明显。所以针对于这种情况，必须通过精捕获来进行更为准确的捕获。精捕获阶段并不是单纯的通过增加信号捕获时间来获得更高的增益，而是利用L5 信号双通道的特点，结合两通道进行捕获，从而增加捕获增益。由于在信噪比较低的情况下，非相干信道联合捕获和相干信道联合捕获的效果是相近的，但是非相干信道联合捕获的方法在运算量和复杂度上要小于相干信道联合捕获的方法，所以在本发明的一个实施例的精捕获阶段采用非相干联合捕获的方法。当然在其他实施例中也可以使用相干信道联合捕获的方法。图3所示的非相干信道联合捕获的方法的流程图。非相干信道联合捕获的方法是将输入信号分别与数据通道和导航通道的本地信号进行相关操作，最后将相关的结果平方，并进行非相干的累加。在本实施例中，对20ms的数据进行捕获，这里采用20ms的数据，当然也可以采用比20ms更小的数据，采用20ms的数据是为了增加捕获的增益。对于每Ims的数据，其统计值SOV τ )按照如下公式(3)计算
权利要求
1.一种对GPS L5信号的捕获方法，所述方法包括步骤1)分别在GPS L5信号的数据通道和导航通道进行短时间的捕获，获得粗略的捕获结果；步骤2)基于所获得的粗捕获结果进行进一步的捕获，以得到精确的码相位和多普勒频移。
2.根据权利要求1所述的捕获方法，所述步骤1)包括步骤11)分别在数据通道和导航通道对各自接收到的細8的信号数据进行相干积分， 获得相关结果；步骤1 将相关结果与预定阈值做比较，获取通过所述阈值的相关结果所对应的捕获参数。
3.根据权利要求2所述的捕获方法，所述步骤11)包括在数据通道，通过将第Ims和第3ms的数据相叠加，第2ms和第^is的数据相叠加，对于上述两组2ms的数据中的每一组，在调制的NH码为{(1，1)，(_1，_1)，(1，_1)，(-1,1)} 的情况下分别做相干积分，取其中最大的相关结果作为该通道的相关结果；在导航通道，将接收到的的数据循环分为8份，每两份数据形成一个Ims的数据块，与将0. 5ms的本地数据后面补零形成的Ims的本地数据进行相关积分，将其中最大的相关结果作为该通道的相关结果。
4.根据权利要求2或3所述的捕获方法，所述步骤2~)包括基于所获得的捕获参数，对20ms的输入信号的数据采用双通道非相干信道联合捕获方法进行捕获，如果所得到的捕获结果通过判定阈值，则该卫星捕获成功，并获得相应的码相位和多普勒频移。
5.根据权利要求2或3所述的捕获方法，所述步骤2~)包括基于所获得的捕获参数，对20ms的输入信号的数据采用双通道相干信道联合捕获方法进行捕获，如果所得到的捕获结果通过判定阈值，则该卫星捕获成功，并获得相应的码相位和多普勒频移。
6.一种对GPS L5信号的捕获装置，所述装置包括粗捕获模块，其分别在GPS L5信号的数据通道和导航通道进行短时间的捕获，获得粗略的捕获结果；精捕获模块，其基于所获得的粗捕获结果进行进一步的捕获，以得到精确的码相位和多普勒频移。
7.根据权利要求6所述的捕获装置，所述组捕获模块用于分别在数据通道和导航通道对各自接收到的的信号数据进行相干积分，获得相关结果，以及用于将相关结果与预定阈值做比较，获取通过所述阈值的相关结果所对应的捕获参数。
8.根据权利要求7所述的捕获装置，所述组捕获模块用于在数据通道，通过将第Ims和第3ms的数据相叠加，第2ms和第^is的数据相叠加，对于上述两组2ms的数据中的每一组，在调制的NH码为{(1，1)，(_1，_1)，(1，_1)，(-1,1)} 的情况下分别做相干积分，取其中最大的相关结果作为该通道的相关结果；以及在导航通道，将接收到的-S的数据循环分为8份，每两份数据形成一个Ims的数据块，与将0. 5ms的本地数据后面补零形成的Ims的本地数据进行相关积分，将其中最大的相关结果作为该通道的相关结果。
9 根据权利要求7或8所述的捕获装置，所述精捕获模块基于所获得的捕获参数，对 20ms的输入信号的数据采用双通道非相干信道联合捕获方法进行捕获，如果所得到的捕获结果通过判定阈值，则该卫星捕获成功，并获得相应的码相位和多普勒频移。
10.根据权利要求7或8所述的捕获装置，所述精捕获模块基于所获得的捕获参数，对 20ms的输入信号的数据采用双通道相干信道联合捕获方法进行捕获，如果所得到的捕获结果通过判定阈值，则该卫星捕获成功，并获得相应的码相位和多普勒频移。
全文摘要
本发明提供对GPS L5信号的捕获方法和装置。结合GPS L5信号的数据通道和导航通道的不同的特点，采用了分阶段的捕获方法，在粗捕获阶段，先将数据通道和非数据通道各自进行短时间的单通道捕获，这样采用了较少的数据量，一定程度上降低了捕获的运算量，同时也可以粗略的获得捕获参数，缩小了精捕获阶段的搜索范围，然后将捕获参数传递给精捕获，使得精捕获在对长时间的输入数据进行捕获时，减少了搜索范围，可以通过进行长时间的相关操作来获得更多增益，增加捕获的精确度。
文档编号G01S19/30GK102565822SQ20111030349
公开日2012年7月11日 申请日期2011年10月9日 优先权日2011年10月9日
发明者姚相振, 崔绍龙, 方金云, 覃新贤 申请人:中国科学院计算技术研究所