GPS信号捕获算法研究综述【文献综述】

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毕业论文文献综述电子信息工程GPS信号捕获算法研究综述摘要：本文介绍了GPS信号的结构及定位原理，分析了GPS信号捕获的基本原理，对三种常见的捕获方法进行介绍和分析，并进行了简要的对比，最后对GPS的发展走势进行了展望。关键词：GPS系统；GPS信号结构；GPS信号捕获1GPS概述1.1GPS定义和起源GPS是英文GlobalPositioningSystem（全球定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、全天候和全球性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的，是美国独霸全球战略的重要组成。经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，全球覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。2.1GPS的定位原理若按用户接收机天线在测量中所处的状态来分，GPS的定位方法可分为静态定位和动态定位方法；若按定位的结果来分，可分为绝对定位和相对定位[1]。①绝对定位原理利用GPS进行绝对定位的基本原理为：以GPS卫星与用户接收机天线之间的几何距离观测量为基础，并根据卫星的瞬时坐标（XS,YS,ZS）确定用户接收机天线所对应的点位，即观测站的位置。　　卫星的瞬时坐标（XS,YS,ZS）可根据导航电文获得，所以式中只有X、Y、Z三个未知量，只要同时接收3颗GPS卫星，就能解出测站点坐标（X,Y,Z）。可以看出GPS单点定位的实质就是空间距离的交会。(1)②相对定位原理GPS相对定位，亦称差分GPS定位，是目前GPS定位中精度最高的一种定位方法。其基本定位原理为：用两台GPS用户接收机分别安置在基线的两端，并同步观测相同的GPS卫星，以确定基线端点（测站点）在WGS-84坐标系中的相对位置或称基线向量。2GPS信号捕获原理4 在软件接收机中，捕获是利用伪随机码良好的相关特性，检测本地从码和卫星信号伪随机码的相关输出。对某一颗可见卫星，当本地码的码相位、本地载波的频率和输入信号中的码相位以及载波频率相匹配时，有最大的相关值。本地码的码相位与输入信号中的码相位在任何一边的偏移超过一个码元时，有最小的相关值。当检测到最大相关值时便达到了捕获的目的。通过对信号的捕获，可以确定几颗卫星中的可见卫星，并可计算出可见卫星的载波频率和码相位的粗略值。接收到的GPS信号通常是几颗可见卫星播发的信号的组合，如下式：(2)(2)式中表示卫星n播发的信号，是接收机接收到的所有n颗可见卫星播发的GPS信号的组合。当捕获卫星k时，输入信号和本地所产生的不同C/A码序列、不同本地载波序列相乘。利用C/A码良好的相关特性，通过检测到的最大相关值，找到可见卫星和对应卫星的载波频率和C/A码的码相位的粗略值，达到捕获的目的。其中信号捕获输出的C/A码的码相位和载波频率是用于跟踪的初始条件[2-4]。3GPS卫星信号捕获方法3.1序列搜索捕获方法序列搜索捕获方法是在CDMA系统中首先使用的捕获方法。序列搜索捕获算法是基于与本地生成的PRN码序列和本地生成的载波信号相乘实现的,进入信号是指天线接收到的GPS卫星信号经过变频后由A/D转换成的可供计算机直接处理的中频数字信号。PRN发生器针对每颗卫星生成对应的PRN序列。进入的信号和PRN序列相乘后，信号和本地生成的载波信号相乘。和载波直接相乘的信号生成I信号，与90°相位位移后的载波信号相乘生成Q信号；处理时I和Q信号被综合考虑，并最终进行平方后相加。序列搜索算法采用两种不同的扫描方式：一种是针对中频信号在±10kHz范围内以500Hz的步长扫描所有可能的载波频率，另一种是针对码相位扫描1023个不同的码相位。总计扫描的次数为[5]:(3)3.2并行频率空间搜索捕获方法并行频率空间搜索捕获方法是通过傅立叶变换使得处理过程由时域变为频域。进入信号和本地生成的PRN序列相乘，一个码对应一颗卫星和0到1023码片之间的某个相位[6-8]。相乘后的信号通过傅立叶变换由时域变换到频域。傅立叶变换可以通过离散傅立叶变换(DFT)或者快速傅立叶变换(FFT)来实现。FFT在二者当中速度较快，但需要输入的序列为2的指数倍长度。在并行频率空间搜索捕获方法中，信号是傅立叶变换函数的输入，在C4 /A码相位完全对齐的情况下，傅立叶变换后的输出在幅度值上有一个显著的峰值，其对应的频率值就是载波信号的频率[9]。3.3并行码相位搜索捕获方法并行码相位搜索捕获是在某一个多普勒频率搜索步长里对所有码相位搜索，对接收到的伪码序列和本地产生的码序列做循环卷积，产生相关峰值[10]。根据离散傅里叶变换的圆周相关定理，如果将时域的循环卷积转换到频域上完成，则只需对接收到的伪码和本地伪码分别做FFT后，对其中的一组FFT序列作复共轭处理再将二者相乘，通过逆离散傅里叶变换（IFFT）和绝对值平方运算。图1是并行码相位搜索算法的流程图。输入的信号和本地生成的载波信号相乘生成的信号，和90°相位位移的载波信号相乘生成的信号。输入信号经傅立叶变换与傅立叶变换后的PRN码相乘，其结果通过傅立叶反变换转换到时域。傅立叶反变换后输出的绝对值表示输入信号和PRN码的相关性。如果相关性的值中有一个明显的峰值,这个峰值对应的就是进入信号的码相位[11-12]。图1并行码相位搜索算法流程图4GPS信号捕获方法比较序列搜索捕获方法通过频率和码相位这两个参数的所有组合序列化，因而非常耗时。如果这两个参数中任何一个能从搜索过程中被剔除或者并行实现，整个过程的性能会显著改善。而并行频率空间搜索方法正好实现了这一过程。序列搜索捕获方法需要步进所有可能的码相位和载波频率，而并行频率空间搜索方法只需步进1023个不同的码相位。两者相比之下，并行频率空间搜索方法的搜索效率明显比序列搜索捕获方法快。并行频率空间搜索方法需要对每一个码相位都进行频域变换。这种方法依赖于频域变换的具体实现，很容易使并行频率空间搜索的某个实现快于序列搜索捕获方法。然而从式(3)中可以看出在搜索的步数当中，码相位的维数要显著高于频率的维数(1023比41)。并行频率空间搜索捕获方法用来并行频率空间搜索使得剔除搜索41种不同的频率的必要性。如果捕获时能并行码相位,则仅需要41步不同的频率搜索,较并行频率时需要搜索1023种不同的码相位的效果更好。相比之下，并行码相位搜索捕获方法不论在搜索速率上还是在搜索步骤上都比另外两种方法更方便更快捷。5结论4 GPS的建成和投入使用在导航和定位领域具有划时代的意义，而且随着GPS现代化逐步实施它在将来会有着更为广阔的应用前景。本文对GPS软件接收机卫星信号捕获算法进行了广泛深入的研究和比较。本文中列举了3中常见的GPS信号捕获方法，从序列搜索捕获方法繁杂的PRN码序列和本地生成的载波信号相乘得到实现，再到并行频率空间捕获方法的通过傅里叶变换将处理过程由时域变为频域，大大缩减了搜索时间，最后到并行码相位搜索捕获算法的在捕获过程中码相位较并行频率空间搜索方法又大大加快的运行速率。总体来说,把信号由时域变到频率进行处理,能大大减少相关性计算的运算量。由于这种方法大大提高了速度，可以在现实生活中得到广泛的运用。参考文献：　[1]胡伍生,高成发.GPS测量原理及其应用[M].北京:人民交通出版社,2004,7.[2]李斯泽,丁晓阳.GPS定位技术的应用研究[J].科技信息(学术研究),2008,8,24:83~88.[3]胡斌,陈林.全球定位系统(GPS)技术浅谈[J].内蒙古科技与经济,2009,2,3:218~219.[4]韩高楼.GPS定位技术的优缺点[J].陕西建筑,2010,2,2:56~58.[5]武建锋,胡永辉,蔡成林.GPS信号串行捕获算法研究[J].小型微型计算机系统,2010,1,31(1):186~189.[6]SaschaM.S.,IainScott,DavidG.M.,etal.AnFFT-BasedApproachforFastAcquisitioninSpreadSpectrumCommunicationSystems[J].WirelessPersonalCommunications,2000,4,13(1):27~55.[7]AlisonBrown,MarvinMay,BarryTanju.BenefitsofSoftwareGPSReceiversforEnhancedSignalProcessing[J].GPSSolutions,2000,6,4(1):56~66.[8]李继忠,李魏.GPS信号快速捕获方案研究[J].航空电子技术,2006,6,2:5~9.[9]刘亿民,宋学瑞.基于FPGA的GPS信号快速捕获方法实现[J].全球定位系统,2006,12,6:45~49.[10]唐斌,董绪荣,杨保平.软件接收机基带信号处理研究[J]电光与控制,2007,2,4(1):115~119.[11]李玉红,寇艳红,张其善.微弱GPS信号捕获算法研究[J].遥测遥控,2005,7,4:61~65.[12]郭蓉.探讨GPS信号捕获及性能的提高[J].科技创新导报,2009,1,1:41~42.4