一種自適應多模式GPS接收機快速捕獲方法及實現(xiàn)

1、北京市中級專業(yè)技術資格評審申報論文 第-10-頁申報論文（中 級）題目：一種自適應多模式GPS接收機 快速捕獲方法及實現(xiàn)單 位：和芯星通科技(北京)有限公司 姓 名：孫 峰課題方向：衛(wèi)星導航基帶信號處理 2011 年 6 月 17 日摘 要當前GPS接收機的搜索策略是基于偽隨機碼相位的和載波頻率的二維搜索?；诓煌l(wèi)星信號能量，累加次數(shù)與捕獲概率和虛警概率的關系，本文提出了一種自適應多模式捕獲方法：將不同的載噪比分為多個區(qū)間，每個區(qū)間采用不同的捕獲模式，且捕獲模式自動切換。通過調整相關積分和非相關積分的累加時間，F(xiàn)FT點數(shù)和FFT模式，以及捕獲門限和Tong檢測器門限實現(xiàn)GPS L1頻點C/A

2、的快速捕獲。每種捕獲模式均采用兩級捕獲。首先使用匹配濾波器對所有碼相位和頻點進行二維捕獲。捕獲成功后，使用相關器在捕獲的碼相位附近和特定的頻點進行第二次二維捕獲，并對捕獲的相位和頻率進行濾波和線性內插，有效的降低了虛警概率，提高了捕獲的精度以及捕獲轉跟蹤的成功率。 經(jīng)分析，這種方法具有良好的快速捕獲性能，載噪比為24dB-Hz至54dB-Hz時，捕獲率都大于90，虛警概率都小于5。此方法已經(jīng)用于公司的某型號導航型接收機，產生了良好的經(jīng)濟價值。關鍵詞： GPS接收機，自適應多模式，兩級捕獲，捕獲性能目 錄摘 要II目 錄III緒 論1一、影響捕獲性能的因素2二、捕獲策略和捕獲門限41、衛(wèi)星信號功

3、率的特性42、捕獲策略53、捕獲門限6三、 測試結果7結 論9參考文獻10-10-緒 論GPS接收機能夠提供全球范圍的可靠準確的三維定位以及測速和時間信息等。GPS衛(wèi)星信號的快速捕獲包括兩種方法：基于時域相關的串并結合的滑動相關法12和折疊匹配濾波器法34以及頻域FFT方法5。信號遮擋或衛(wèi)星高度角低會明顯降低衛(wèi)星至接收機的功率，因此性能良好的接收機應必須具有很強的弱信號捕獲能力。提高捕獲靈敏度的算法分為兩類67:一類是基于相關值累加或FFT的相干累加算法，一類是基于平方累加的非相干算法。前者對弱信號捕獲具有更好的性能，后者無需考慮比特的符號翻轉，實現(xiàn)更簡單。在弱信號捕獲時，增加Tong檢測器的

4、駐留次數(shù)可有效地減小弱信號的捕獲虛警概率，但會大大增加捕獲時間；增加累加次數(shù)，并設定合理的捕獲門限可有效的提高捕獲性能6?；诶奂哟螖?shù)與捕獲概率和虛警概率關系，文獻8提出了一種自適應門限的捕獲方法。由于其對不同能量的信號，累加次數(shù)均采用線性累加的方法，造成捕獲時間較長?；趯πl(wèi)星信號功率的統(tǒng)計分析，本文采用多模式、匹配濾波器和并行相關器級聯(lián)捕獲的方法，不僅提高了捕獲靈敏度和捕獲精度，而且有效的減少了捕獲時間，提高了捕獲性能。本文詳細介紹了自適應多模式捕獲方法及其性能分析，最后對方法進行了總結。一、影響捕獲性能的因素捕獲性能的指標主要包括三個方面：捕獲概率，虛警概率和平均捕獲時間。信號捕獲時，相

5、關器、通道的相關值為9 （11） （12）為信號幅度；為調制數(shù)據(jù)；為多普勒頻移估計的殘差；為碼相位估計偏差；為PN碼的自相關函數(shù)，均為時間的函數(shù)；為預檢測積分時間；為載波相位（時間函數(shù)），為初始相位差；和分別為I路和Q路的噪聲。相關峰為I路和Q路相關值的包絡： （13）碼相位估計偏差和多普勒頻移估計的殘差對相關幅度的影響可分開考慮，分別使得相關幅度下降為：和。若采用單次駐留搜索，給定檢測門限，在某一搜索單元的檢測概率和虛警概率分別為10 （14）. （15）. 其中:函數(shù)為廣義馬庫姆函數(shù)，s 為相關峰，為噪聲的均方差。由式（1-4）可得，以做歸一化，典型的門限和相關峰與捕獲概率的關系如下圖所示

6、： 圖1-1 歸一化的門限和相關峰與捕獲概率的關系由式（1-5）可得，歸一化門限為1至4時，虛警概率分別為：0.61，0.14，0.01，0。增加累加次數(shù)可有效的提高信噪比，相干積分和非相干積分的增益（dB）分別為：， （16）式中，為累加次數(shù)，非相干積分損耗 式中，函數(shù)為互補誤差函數(shù)的反函數(shù)，和為虛警概率和檢測概率。=0.05，=0.95時，非相干積分增益的典型值如下圖所示：圖1-2 非相干積分增益增加累加測試可提高捕獲概率，同時降低虛警概率，但會增加平均捕獲時間。最合適的捕獲門限和累加次數(shù)的確定是一個調諧過程，最后的確定必須通過仿真來獲得。針對不同的信號能量，采用多種特定的捕獲模式，就可兼

7、顧各個捕獲指標，獲得良好的捕獲性能。二、捕獲策略和捕獲門限1、衛(wèi)星信號功率的特性衛(wèi)星信號功率的特性決定了捕獲策略的設置。導航型接收機的信號捕獲的典型應用場景為開闊天空（無遮擋）和窗邊（有遮擋）。二者的信號功率統(tǒng)計結果（24小時）如下所示： 圖2-1 開闊天空各信號功率的比例 圖2-2 窗邊各信號功率的比例二者實時載噪比如下所示： 圖2-3 開闊天空實時載噪比 圖2-4 窗邊實時載噪比開闊天空，載噪比>=40dB-H的比例為：90.6；窗邊，載噪比>=24dB-Hz的比例為：88.6%。基于這兩種典型應用場景：設定捕獲范圍：載噪比24dB-Hz至54dB-Hz。根據(jù)各信號功率的統(tǒng)計結

8、果以及累加次數(shù)對捕獲性能的影響，可設定各捕獲模式對應的信號能量區(qū)間以及捕獲參數(shù)。2、捕獲策略將不同的載噪比分為多個區(qū)間，每個區(qū)間采用不同的捕獲模式，且捕獲模式自動切換。每種捕獲模式均采用兩級捕獲。首先使用匹配濾波器對所有碼相位和頻點進行二維捕獲。捕獲成功后，使用8路并行相關器在捕獲的碼相位附近和特定的頻點進行第二次二維捕獲，并對捕獲的相位和頻率進行濾波和線性內插。設接收機的中頻為，則冷啟動時，匹配濾波器捕獲的頻率搜索范圍為-5000Hz+至5000Hz+，熱啟動時頻率的捕獲范圍為-500Hz+至500Hz+，碼片的步進間隔為1/2碼片。采用4種捕獲模式，每種模式對應的載噪比區(qū)間為：模式3: 4

9、4dB-Hz至54dB-Hz；模式2: 43dB-Hz至36dB-Hz模式1: 35dB-Hz至29dB-Hz；模式0: 28dB-Hz至24dB-Hz為了兼顧各個捕獲指標，每種捕獲模式的累加次數(shù)和FFT參數(shù)設定如下：模式3：相干和非相干積分次數(shù)均為1次，不使用FFT，步進頻率500Hz。模式2：相干積分：1次，非相干積分：5次， FFT4-8，步進頻率500Hz。模式1：相干積分：1次，非相干積分：20次，F(xiàn)FT4-8，步進頻率500Hz模式0：相干積分：4次，非相干積分：20次，F(xiàn)FT4-8，步進頻率125Hz其中：FFT4-8表示8點FFT，輸入的采樣點為4個，后4個補零。FFT4-8模

10、式相關峰的計算：將連續(xù)4次的相干積分值，做8點FFT，設定幅值最大的點為相關峰。匹配濾波器捕獲模式的切換策略如下圖所示：圖2-5 匹配濾波器捕獲模式的切換策略接收機的初始捕獲模式為模式3。若當前模式?jīng)]有捕獲成功，則自動切換到下一個模式。當模式0捕獲完成后，切換為模式3。重新進行下一輪的捕獲。設匹配濾波器的相位和頻率的捕獲結果為：和。匹配濾波的捕獲的相位較真實值有可能偏差0.5個碼片，頻率有可能偏差一個步進頻率或為旁瓣的頻率值，故要進行第二次二維捕獲。首先基于匹配濾波器的捕獲模式以及捕獲的頻率，設置8路并行相關器的碼片間隔為0.5個碼片，在碼相位的4個碼相位范圍，進行相位捕獲，設最大值能量對應的

11、碼相位為相位捕獲結果。之后，基于，進行頻率的搜索。首先，按照捕獲模式，搜索和兩個旁瓣，取最大能量對應的頻率為。最后，搜索和的左右兩個步進頻率，取最大能量對應的頻率為。由二維搜索的碼相位和頻率為：和。采用線性內插的方法，提高了頻率捕獲的精度，降低了跟蹤時頻率誤鎖的概率，提高了捕獲轉跟蹤的成功率11。本文搜索檢測器采用唐搜索檢測器，它是一種可變滯留時間搜索檢測器7。匹配濾波器捕獲，在每個頻率點，將所有碼相位中能量值最大的值與捕獲門限做比較，判斷是否捕獲成功，較相關器捕獲，單點駐留虛警概率較小，且駐留時，捕獲方格為同一頻點的所有碼相位。故匹配濾波器和相關器捕獲，分別Tong搜索檢測器的門限為2和4。

12、3、捕獲門限 設定了每種捕獲模式的載噪比區(qū)間以及累加次數(shù)后，捕獲門限的設置直接影響信號的捕獲性能。根據(jù)式1-4，1-5和1-6，以及累加次數(shù)可求出每個信號功率采用不同的門限對應的檢測概率，如下圖所示： 圖2-6 模式3檢測概率 圖2-7 模式2檢測概率 圖2-8 模式1檢測概率 圖2-9 模式0檢測概率 結合門限與虛警概率的關系，模式3至模式0的門限分別設定為：4.5，5，2.6，2.3?；赥ong搜索檢測器的冷啟動平均捕獲時間為12 （2-1）式中，為Tong檢測器的捕獲概率，為Tong檢測器搜索完所有碼片所用的時間。頻域搜索的步進次數(shù)。 采用本文的方法，因此單顆衛(wèi)星的模式3至模式0的平均

13、捕獲時間分別為：14.5ms，300ms，1.2s，14.4s。三、 測試結果使用公司的導航型接收機UM168，采用第二章中的各捕獲模式的參數(shù)，針對GPS模擬器，匹配濾波器實時捕獲的檢測概率和虛警概率的分析結果，如下表所示：表3-1 匹配濾波器實時測試的捕獲概率和虛警概率模式3載噪比(dB-Hz)捕獲概率（%）虛警概率（%）模式2載噪比(dB-Hz)捕獲概率（%）虛警概率（%）4498.181.213699.960.044799.170.66389.920.085099.650.124099.750.165497.602.014399.330.6模式1載噪比(dB-Hz)捕獲概率（%）警概率（

14、%）模式0載噪比(dB-Hz)捕獲概率（%）虛警概率（%）2993.013.992995.622.543193.283.312893.263.313395.932.642694.562.733599.930.072490.414.62基于穩(wěn)定跟蹤后的碼相位和多普勒頻率，分析相關器捕獲的性能：碼相位捕獲和頻率旁瓣濾波的正確率接近100%；多普勒頻率線性內插的正確率較低，接近80%，主要原因為：載噪比的抖動以及多普勒頻率殘差與相關峰的非線性關系。接收機的捕獲性能直接決定了平均熱啟動定位時間，故其可很好的反映接收機的捕獲性能。開闊天空和窗邊場景的平均熱啟動定位時間為：0.7s和8.3s。結 論本文首

15、先分析了影響捕獲性能的各個因素，采用合理的累加次數(shù)以及捕獲門限，就可兼顧平均捕獲時間、檢測概率和虛警概率等指標。之后，基于對衛(wèi)星信號功率的統(tǒng)計分析，提出了一種在工程上易于實現(xiàn)的捕獲策略：多模式，匹配濾波器和并行相關器級聯(lián)捕獲且捕獲模式自動切換的捕獲策略。接著介紹了捕獲模式中各參數(shù)的設定方法，并分析了接收機的捕獲性能。實時測試的結果表明：載噪比為24dB-Hz至54dB-Hz時，捕獲概率都大于90，虛警概率都小于5，且在開闊天空和窗邊，接收機的熱啟動首次定位時間均很短。采用這種方法不僅提高了捕獲靈敏度和捕獲精度，而且有效的減少了捕獲時間，顯著提高了捕獲性能。參考文獻1 王偉，徐定杰等.一種大步進

16、偽碼快速捕獲方法的研究. 哈爾濱工程大學學報，2006 27（5）2 周昕，夏健剛.直擴系統(tǒng)中兩種PN碼同步方法的比較與仿真. 四川大學學報（工程科學版）2002.3，34（2）3 姜致，廖瑞華等.直擴系統(tǒng)中匹配濾波器捕獲方法研究.信息技術.2004，28（10）4 卿敏，沈業(yè)兵等.用FPGA實現(xiàn)數(shù)字匹配濾波器的優(yōu)化方法. 微計算機信息. 2004，20（11）5 王偉，徐定杰.基于FFT的偽碼快速捕獲技術J. 哈爾濱工程大學學報. 2003.11，649-6506 Elliott D.Kaplan等著， 寇艷紅譯.GPS原理與應用北京：電子工業(yè)出版社，2007，111-1807 巴曉輝，李金海等.一種GPS軟件接收機自適應門限快速捕獲算法.信息與控制.2007年2月，36(1)8 James bao-Yen Tsui