一種自適應(yīng)多模式GPS接收機(jī)快速捕獲方法及實(shí)現(xiàn)(共13頁)

1、北京市中級(jí)專業(yè)技術(shù)資格評(píng)審申報(bào)論文 第-PAGE 13-頁P(yáng)AGE -PAGE 13-申報(bào)(shnbo)論文（中 級(jí)）題目(tm)：一種(y zhn)自適應(yīng)多模式GPS接收機(jī) 快速捕獲方法及實(shí)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(dǎo)航基帶信號(hào)處理 2011 年 6 月 17 日摘 要當(dāng)前(dngqin)GPS接收機(jī)的搜索策略是基于偽隨機(jī)碼相位(xingwi)的和載波頻率的二維搜索?；诓煌l(wèi)星信號(hào)(xnho)能量，累加次數(shù)與捕獲概率和虛警概率的關(guān)系，本文提出了一種自適應(yīng)多模式捕獲方法：將不同的載噪比分為多個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間采用不同的捕獲模式，且捕獲模式自動(dòng)切換。通過

2、調(diào)整相關(guān)積分和非相關(guān)積分的累加時(shí)間，F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)和FFT模式，以及捕獲門限和Tong檢測(cè)器門限實(shí)現(xiàn)GPS L1頻點(diǎn)C/A的快速捕獲。每種捕獲模式均采用兩級(jí)捕獲。首先使用匹配濾波器對(duì)所有碼相位和頻點(diǎn)進(jìn)行二維捕獲。捕獲成功后，使用相關(guān)器在捕獲的碼相位附近和特定的頻點(diǎn)進(jìn)行第二次二維捕獲，并對(duì)捕獲的相位和頻率進(jìn)行濾波和線性內(nèi)插，有效的降低了虛警概率，提高了捕獲的精度以及捕獲轉(zhuǎn)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(shí)，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(hào)導(dǎo)航型接收機(jī)，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。關(guān)鍵詞： GPS接收機(jī)，自適應(yīng)多模式

3、，兩級(jí)捕獲，捕獲性能目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc296635874 摘 要 PAGEREF _Toc296635874 h II HYPERLINK l _Toc296635875 目 錄 PAGEREF _Toc296635875 h III HYPERLINK l _Toc296635876 緒 論 PAGEREF _Toc296635876 h 1 HYPERLINK l _Toc296635877 一、影響捕獲性能(xngnng)的因素 PAGEREF _Toc296635877 h 2 HYPERLINK l _Toc296635878 二

4、、捕獲(bhu)策略和捕獲門限 PAGEREF _Toc296635878 h 4 HYPERLINK l _Toc296635879 1、衛(wèi)星(wixng)信號(hào)功率的特性 PAGEREF _Toc296635879 h 4 HYPERLINK l _Toc296635880 2、捕獲策略 PAGEREF _Toc296635880 h 5 HYPERLINK l _Toc296635881 3、捕獲門限 PAGEREF _Toc296635881 h 6 HYPERLINK l _Toc296635882 三、 測(cè)試結(jié)果 PAGEREF _Toc296635882 h 7 HYPERLINK

5、 l _Toc296635883 結(jié) 論 PAGEREF _Toc296635883 h 9 HYPERLINK l _Toc296635884 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc296635884 h 10緒 論GPS接收機(jī)能夠提供全球范圍(fnwi)的可靠準(zhǔn)確的三維定位以及(yj)測(cè)速和時(shí)間信息等。GPS衛(wèi)星信號(hào)(xnho)的快速捕獲包括兩種方法：基于時(shí)域相關(guān)的串并結(jié)合的滑動(dòng)相關(guān)法12和折疊匹配濾波器法34以及頻域FFT方法5。信號(hào)遮擋或衛(wèi)星高度角低會(huì)明顯降低衛(wèi)星至接收機(jī)的功率，因此性能良好的接收機(jī)應(yīng)必須具有很強(qiáng)的弱信號(hào)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(guān)值累加或FF

6、T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(duì)弱信號(hào)捕獲具有更好的性能，后者無需考慮比特的符號(hào)翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)單。在弱信號(hào)捕獲時(shí)，增加Tong檢測(cè)器的駐留次數(shù)可有效地減小弱信號(hào)的捕獲虛警概率，但會(huì)大大增加捕獲時(shí)間；增加累加次數(shù)，并設(shè)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(guān)系，文獻(xiàn)8提出了一種自適應(yīng)門限的捕獲方法。由于其對(duì)不同能量的信號(hào)，累加次數(shù)均采用線性累加的方法，造成捕獲時(shí)間較長(zhǎng)?；趯?duì)衛(wèi)星信號(hào)功率的統(tǒng)計(jì)分析，本文采用多模式、匹配濾波器和并行相關(guān)器級(jí)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(shí)間，提高了捕獲性能。本文詳細(xì)介紹了

7、自適應(yīng)多模式捕獲方法及其性能分析，最后對(duì)方法進(jìn)行了總結(jié)。一、影響(yngxing)捕獲性能的因素捕獲性能的指標(biāo)(zhbio)主要包括三個(gè)方面：捕獲概率，虛警概率和平均捕獲時(shí)間。信號(hào)(xnho)捕獲時(shí)，相關(guān)器、通道的相關(guān)值為9 （11） （12）為信號(hào)幅度；為調(diào)制數(shù)據(jù)；為多普勒頻移估計(jì)的殘差；為碼相位估計(jì)偏差；為PN碼的自相關(guān)函數(shù)，均為時(shí)間的函數(shù)；為預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間；為載波相位（時(shí)間函數(shù)），為初始相位差；和分別為I路和Q路的噪聲。相關(guān)峰為I路和Q路相關(guān)值的包絡(luò)： （13）碼相位估計(jì)偏差和多普勒頻移估計(jì)的殘差對(duì)相關(guān)幅度的影響可分開考慮，分別使得相關(guān)幅度下降為：和。若采用單次駐留搜索，給定檢測(cè)門限，在

8、某一搜索單元的檢測(cè)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(guān)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(guān)峰與捕獲概率的關(guān)系如下圖所示： 圖1-1 歸一化的門限和相關(guān)峰與捕獲概率(gil)的關(guān)系由式（1-5）可得，歸一化門限為1至4時(shí)，虛警(x jn)概率分別為：0.61，0.14，0.01，0。增加(zngji)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(bǔ)誤差函數(shù)的反函數(shù)，和為虛警概率和檢測(cè)概率。=0.05，=0.95時(shí)，非相干積分增益的

9、典型值如下圖所示：圖1-2 非相干積分增益增加(zngji)累加測(cè)試可提高捕獲概率(gil)，同時(shí)降低虛警概率，但會(huì)增加(zngji)平均捕獲時(shí)間。最合適的捕獲門限和累加次數(shù)的確定是一個(gè)調(diào)諧過程，最后的確定必須通過仿真來獲得。針對(duì)不同的信號(hào)能量，采用多種特定的捕獲模式，就可兼顧各個(gè)捕獲指標(biāo)，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(hào)功率的特性衛(wèi)星信號(hào)功率的特性決定了捕獲策略的設(shè)置。導(dǎo)航型接收機(jī)的信號(hào)捕獲的典型應(yīng)用場(chǎng)景為開闊天空（無遮擋）和窗邊（有遮擋）。二者的信號(hào)功率統(tǒng)計(jì)結(jié)果（24小時(shí)）如下所示： 圖2-1 開闊天空各信號(hào)功率的比例 圖2-2 窗邊各信號(hào)功率的比例二者實(shí)時(shí)載噪比如下

10、所示： 圖2-3 開闊天空實(shí)時(shí)載噪比 圖2-4 窗邊實(shí)時(shí)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%?；谶@兩種典型應(yīng)用場(chǎng)景：設(shè)定捕獲范圍：載噪比24dB-Hz至54dB-Hz。根據(jù)各信號(hào)功率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果以及累加次數(shù)對(duì)捕獲性能的影響，可設(shè)定各捕獲模式對(duì)應(yīng)的信號(hào)能量區(qū)間以及捕獲參數(shù)。2、捕獲(bhu)策略將不同的載噪比分(b fn)為多個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間采用不同的捕獲模式，且捕獲模式自動(dòng)切換。每種捕獲模式均采用兩級(jí)捕獲。首先使用匹配(ppi)濾波器對(duì)所有碼相位和頻點(diǎn)進(jìn)行二維捕獲。捕獲成功后，使用8路并行相關(guān)器在捕獲的碼相位附近和特定的頻點(diǎn)進(jìn)

11、行第二次二維捕獲，并對(duì)捕獲的相位和頻率進(jìn)行濾波和線性內(nèi)插。設(shè)接收機(jī)的中頻為，則冷啟動(dòng)時(shí)，匹配濾波器捕獲的頻率搜索范圍為-5000Hz+至5000Hz+，熱啟動(dòng)時(shí)頻率的捕獲范圍為-500Hz+至500Hz+，碼片的步進(jìn)間隔為1/2碼片。采用4種捕獲模式，每種模式對(duì)應(yīng)的載噪比區(qū)間為：模式3: 44dB-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(gè)捕獲指標(biāo)，每種捕獲模式的累加次數(shù)和FFT參數(shù)設(shè)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(jìn)頻率500Hz。模式2：相干積分：

12、1次，非相干積分：5次， FFT4-8，步進(jìn)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(jìn)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(jìn)頻率125Hz其中：FFT4-8表示8點(diǎn)FFT，輸入的采樣點(diǎn)為4個(gè)，后4個(gè)補(bǔ)零。FFT4-8模式相關(guān)峰的計(jì)算：將連續(xù)4次的相干積分值，做8點(diǎn)FFT，設(shè)定幅值最大的點(diǎn)為相關(guān)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(bhu)模式的切換策略接收機(jī)的初始捕獲模式為模式3。若當(dāng)前(dngqin)模式?jīng)]有捕獲成功，則自動(dòng)切換到下一個(gè)模式。當(dāng)模式0捕獲完成后，切換為模式3。重新進(jìn)行下一

13、輪的捕獲。設(shè)匹配濾波器的相位和頻率(pnl)的捕獲結(jié)果為：和。匹配濾波的捕獲的相位較真實(shí)值有可能偏差0.5個(gè)碼片，頻率有可能偏差一個(gè)步進(jìn)頻率或?yàn)榕园甑念l率值，故要進(jìn)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(shè)置8路并行相關(guān)器的碼片間隔為0.5個(gè)碼片，在碼相位的4個(gè)碼相位范圍，進(jìn)行相位捕獲，設(shè)最大值能量對(duì)應(yīng)的碼相位為相位捕獲結(jié)果。之后，基于，進(jìn)行頻率的搜索。首先，按照捕獲模式，搜索和兩個(gè)旁瓣，取最大能量對(duì)應(yīng)的頻率為。最后，搜索和的左右兩個(gè)步進(jìn)頻率，取最大能量對(duì)應(yīng)的頻率為。由二維搜索的碼相位和頻率為：和。采用線性內(nèi)插的方法，提高了頻率捕獲的精度，降低了跟蹤時(shí)頻率誤鎖的概率，提高

14、了捕獲轉(zhuǎn)跟蹤的成功率11。本文搜索檢測(cè)器采用唐搜索檢測(cè)器，它是一種可變滯留時(shí)間搜索檢測(cè)器7。匹配濾波器捕獲，在每個(gè)頻率點(diǎn)，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(guān)器捕獲，單點(diǎn)駐留虛警概率較小，且駐留時(shí)，捕獲方格為同一頻點(diǎn)的所有碼相位。故匹配濾波器和相關(guān)器捕獲，分別Tong搜索檢測(cè)器的門限為2和4。3、捕獲門限 設(shè)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(shè)置直接影響信號(hào)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(gè)信號(hào)功率采用不同的門限對(duì)應(yīng)的檢測(cè)概率，如下圖所示： 圖2-6 模式3檢測(cè)(jin c)概率 圖2-7 模式2檢測(cè)(jin

15、c)概率 圖2-8 模式(msh)1檢測(cè)概率 圖2-9 模式0檢測(cè)概率 結(jié)合門限與虛警概率的關(guān)系，模式3至模式0的門限分別設(shè)定為：4.5，5，2.6，2.3?；赥ong搜索檢測(cè)器的冷啟動(dòng)平均捕獲時(shí)間為12 （2-1）式中，為Tong檢測(cè)器的捕獲概率，為Tong檢測(cè)器搜索完所有碼片所用的時(shí)間。頻域搜索的步進(jìn)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的平均捕獲時(shí)間分別為：14.5ms，300ms，1.2s，14.4s。三、 測(cè)試(csh)結(jié)果使用(shyng)公司的導(dǎo)航型接收機(jī)UM168，采用第二章中的各捕獲(bhu)模式的參數(shù)，針對(duì)GPS模擬器，匹配濾波器實(shí)時(shí)捕獲的檢測(cè)概率和虛警概率

16、的分析結(jié)果，如下表所示：表3-1 匹配濾波器實(shí)時(shí)測(cè)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（%）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.

17、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(guān)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(nèi)插的正確率較低，接近80%，主要原因?yàn)椋狠d噪比的抖動(dòng)以及多普勒頻率殘差與相關(guān)峰的非線性關(guān)系。接收機(jī)的捕獲性能直接決定了平均熱啟動(dòng)定位時(shí)間，故其可很好的反映接收機(jī)的捕獲性能。開闊天空和窗邊場(chǎng)景的平均熱啟動(dòng)定位時(shí)間為：0.7s和8.3s。結(jié) 論本文(bnwn)首先分析了影響捕獲性能的各個(gè)因素，采用合理的累加次數(shù)以及(yj)捕獲門限，就可兼顧平均捕獲時(shí)間、檢測(cè)(jin c)概率和虛警概率等指標(biāo)。之后，基于對(duì)衛(wèi)星信號(hào)功率的統(tǒng)計(jì)分析，提出了一種在工程上

18、易于實(shí)現(xiàn)的捕獲策略：多模式，匹配濾波器和并行相關(guān)器級(jí)聯(lián)捕獲且捕獲模式自動(dòng)切換的捕獲策略。接著介紹了捕獲模式中各參數(shù)的設(shè)定方法，并分析了接收機(jī)的捕獲性能。實(shí)時(shí)測(cè)試的結(jié)果表明：載噪比為24dB-Hz至54dB-Hz時(shí)，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(jī)的熱啟動(dòng)首次定位時(shí)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(shí)間，顯著提高了捕獲性能。參考文獻(xiàn)1 王偉，徐定杰等.一種(y zhn)大步進(jìn)偽碼快速捕獲方法的研究. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006 27（5）2 周昕，夏健剛.直擴(kuò)系統(tǒng)中兩種PN碼同步方法的比較與仿真. 四川大學(xué)學(xué)報(bào)（工程(gngchng)科學(xué)版）2002.3，34（2）3 姜致，廖瑞華等.直擴(kuò)系統(tǒng)中匹配濾波器捕獲(bhu)方法研究.信息技術(shù).2004，28（10）4