GPS卫星信号的捕获算法

摘 要GPS接收机运行中，卫星信号高效捕获是准确定位的前提和基础，捕获算法决定捕获效果，对于接收机性能具有重要影响。算法不同，捕获质量也有所差别。文章从GPS信号结构入手，从不同方面探讨GPS卫星信号捕获算法，并借助仿真结果验证捕获方案准确性。

【关键词】GPS 卫星信号 捕获算法

21世纪，国防、民航管理及农业等各领域得到了长足发展，其中卫星导航在其中发挥积极作用。导航接收机在实践中应用中，主要是以卫星信号作为载体，通过捕获、跟踪相关运算处理，以此来确定用户所在的位置、运行速度等。可见捕获跟踪算法恰当与否直接影响定位准确性。

1 GPS信号结构

GPS卫星发送的信号主要由载波信号、扩频序列及导航数据三个方面构成，其中载波信号是GPS信号传输的两个载波，由于卫星与接收机处于相对关系，接收机接收到到的信号会受到多普勒效应的影响，根据多普勒频移能够确定接收设备三维运动速度，以此来提高测距精度。扩频序列是伪随机码，在此作用下，数据能够拓展导航数据信号频谱，以此来提高对信号的抗干扰性，实现对物体的准确定位。

2 GPS卫星信号捕获算法分析

2.1 GPS卫星信号串行捕获

在本文设计中，应用的捕获方式是CDMA系统中常见的捕获算法，如图1。主要是建立在接收信号基础之上，与本地产生伪码序列及本地载波之间的乘积。第一，接收信号与本地产生伪码序列相乘，形成之路信号，然后与本地载波正交形成正交信号，当两路信号相互交叉后，能够完成跟踪目标。

对于伪码序列来说，所有伪码的产生都进行了预先处理，缺少即时性。首先利用C/A码产生器，能够形成32个码，然后将输入信号与所有可能经过码偏移C/A码相乘。

针对载波的形成，作为捕获的第二步，载波发生器需要产生相位差为90°两路载波信号，即余弦与正弦两个信号。串行搜索最后一部分是余弦与正弦信号分别相乘，并进行积分与平方处理后得出结论。如果本地与接收信号的伪码能够完全吻合，那么获得的输出值较大。串行搜索捕获算法实现起来更为简单，但是搜索范围过大，且需要更多的时间，无法实现对高动态目标的定位，仅适用于低速、定位时间要求不高的接收机。而并行频率空间搜索算法，只需要对C/A码移位即可，能够在很大程度上缩短捕获时间。相比较来看，两种算法都能够增加新的运算模块，主要是在执行中需要重复多次利用原有模块，且搜索范围较小，捕获需要的时间更短。

2.2 分段FFT脉冲信号捕获算法

该算法核心思想，是按照一定长度，将若干毫秒输入信号进行分段处理，捕获连续信号，将各段结果以时间顺序进行排列，最后得出具体的结果。在具体操作中，可以从如下几个步骤进行：

（1）将输入信号划分为10段，采用点数补零至2n，进行FFT运算。

（2）对本地信号补零处理后进行FFT运算，得出完整的结果。

（3）将前两个数值进行相乘。

（4）确定峰值位置后，计算出两帧跳时数。

按照上述步骤能够找到三个明显的峰值，可以将其作為码相位捕获结果。。另外，观察仿真结果来看，信噪比下降后，信号只能够在分段1中检测到脉冲，对应的峰均比为7.9475，而处于第6、7段之间信号脉冲产生截断现象，造成相关值有所下降，并受到噪声干扰，无法更加全面的呈现出来，故无法监测到具体的数值，且无法对其进行修复处理，造成捕获失败。可见，如果脉冲截断造成相关值损失，该方法仅能够在低信噪比条件下极易出现捕获失败的情况，无法对被测物体位置、速度等进行准确定位。

2.3 二次精频捕获算法

通过算法过程，能够检测到信号有关峰值，获得载波频率估计值。由于捕获算法频率分辨率与数据长度存在密切联系，由1ms数据，对应的频率分辨率约为1KHz，对于后续跟踪环路而言过于粗糙。对此，为了减少闭环时间，我们需要对频率进行详细地估计。

根据FFT运算特点来看，输入的数据填零后，虽然无法提高分辨率，且难以区分详细的频率信号，但可以通过此找到单一信号。故直接采用较长数据后运用FFT计算并不恰当。为了减少FFT运算量，可以利用相位关系算法，完成二次精频捕获，获取连续信号。将信号作为基础，对其进行DFT运算，求得最高频率分量。根据这一算法，能够计算得出连续多个相位差值，对所得相位差求平均值，以此来提高频率准确性和可靠性。

3 结论

根据上文所述，为了能够提高卫星定位准确性，要对卫星信号进行捕获与跟踪。通过高效地捕获，能够从接收机信号当中，估算出具体的信号参数，以此来帮助接收机能够跟踪信号，确定物体的位置。同时通过捕获的信号参数进行估计，能够对模块对应的参数予以细化处理，解调出具体的导航数据，为实际工作提供科学依据。文章从GPS信号构成入手，对不同的捕获算法进行介绍和分析，发现不同的算法产生的效果也有所差别。因此在日后实践应用中，要根据具体需求，合理选择算法，不断提高捕获有效性。

参考文献

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作者简介

刘紫薇（1995-），女，吉林省舒兰市人。大学本科在读。研究方向为电子-通信工程

作者单位

浙江大学 浙江省杭州市 310027