基于软件的GPS信号捕获跟踪算法研究

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摘 要:对GPS软件接收机的捕获和跟踪部分进行了研究。对于捕获模块,通过对常用串行搜索捕获算法和并行频域搜索捕获算法的比较和分析,提出了一种新型并行码相位搜索捕获算法;对于跟踪模块,提出采用非相干延迟锁相环对码进行跟踪,同时采用Costas环对载波进行跟踪;最后,从捕获和跟踪的GPS信号中提取出导航电文,并根据电文中的参数计算出了用户的位置坐标,并在Matlab中对用户的位置坐标进行了定位解算验证。

关键词:GPS; 捕获模块; 跟踪模块; Costas环

中图分类号:TP311 文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)12-0093-04

Acquisition and Tracking Algorithm for GPS Signal Based on Software

GUAN Ke, WU Juan-li, YANG Jun

(Information Engineering Institute, Chang’an University, Xi’an 710064, China)

Abstract:The acquisition and tracking algorithm of GPS software receiver is introduced. For the acquisition module, a new method of code phase parallel-searched acquisition algorithm is proposed by comparing and analyzing the commonly used serial-searched acquisition algorithm and frequency parallel-searched acquisition algorithm. For the tracking module, the non-coherent delay lock loop was used to track C/A code, and Costas loop was used to track carrier wave. Finally, the navigation message was extracted from the captured GPS signal, and the user′s position coordinate was calculated by the parameters of the acquisition and tracking parts, which was tested accurately in Matlab.

Keywords:GPS; acquisition module; tracking module; Costas loop

0 引 言

早期的GPS接收机基于模拟信号处理,由于使用了大量的模拟器件,其接收机体积比较庞大。随着集成电路技术的成熟,现代GPS接收机采用专用的ASIC电路进行信号处理,利用集成电路制造的GPS接收机功能强大、体积小,但灵活性差。近年来,在数字信号处理技术发展的影响下,GPS卫星信号的接收处理越来越趋向于采用软件的方法来实现,即将gps信号在接收天线输出端进行数字化,然后再通过软件对其进行处理计算,最终实现用户位置的定位。软件GPS接收机中,硬件部分和软件部分几乎是完全独立的,因此具有成本低,开发速度快,灵活性大,便于修改和升级等优点。目前,GPS软件接收机的设计与实现己经成为众多研究机构的研究热点,本文对其关键技术部分即基于软件处理的GPS信号捕获和跟踪算法进行了研究。

1 GPS信号的捕获

GPS卫星播发的信号在UHF频段的2个频率部分L1和L2上传播,对于卫星k播发的GPS信号sk(t)Э梢员硎救缦[1-2]:

sk(t)= 2PC[ Ck(t)Dk(t)] cos(2πfL1t)+

2PPL1[ Pk(t)Dk(t)] sin(2πfL1t)+

2PPL2[ Pk(t)Dk(t)] sin(2πfL2t) (1)

式中:PC,PPL1和PPL2是C/A部分信号和P(Y)码部分信号的功率;Ck是卫星k对应的C/A码序列;Pk是卫┬k对应的P(Y)码序列;Dk是导航数据序列;fL1和fL2分别是L1载波频率和L2г夭ㄆ德省C/A码主要用于民用,是民用GPS技术研究的重点。本文研究的GPS软件接收机就是基于C/A码的。

常用GPS信号的C/A码捕获算法有串行搜索捕获算法和并行频域搜索捕获算法2种[3-4]。

1.1 串行搜索捕获算法

串行搜索捕获算法是基于码分多址(CDMA)的┮恢知捕获方法。其基本原理框图如图1所示。

由图1可以看出,串行搜索捕获算法是由本地产生的C/A码序列、本地振荡器产生的载波与输入信号之间的相乘运算组成的。当对中频IF±10 kHz范围内所有频率以500 Hz为步长进行搜索时,串行搜索捕获算法总共要进行41 943次运算,即:

1 023码相位×2×10 000500+1频率=1 023×41=41 943 (2)

图1 串行搜索捕获算法原理图

1.2 并行频域搜索捕获算法

并行频域搜索捕获算法是用本地产生的C/A码与输入信号进行相干运算,并将运算结果利用傅里叶变换从时域变换到频域,来最终确定信号的算法。并行频域搜索捕获算法的原理图如下图2所示[5-7]:

图2 并行频域搜索捕获算法原理图

由图2可见,并行频域搜索捕获算法仅对1 023个不同的码相位进行了搜索,大大减少了搜索的工作量,但同时,它又带来了对与每个不同码相位相乘后的信号进行傅里叶变换时的时间消耗。

1.3 并行码相位搜索捕获算法

相对而言以500 Hz为步长的载波频率搜索总量41,码相位的搜索总量1 023是比较大的。如果能使捕获过程在相位域并行化,那么相比较并行频域搜索捕获方法中的1 023次搜索,这种情况下只需要搜索41次,因此,这里提出并行码相位捕获算法。

并行码相位捕获算法原理如图3所示。

图3 并行码相位搜索捕获算法原理图

如图3所示,输入信号首先与不同相位的两路本地载波相乘,产生I支路信号和与其正交的Q支路信号。然后I支路和Q支路合为一路复输入信号x(n)=I(n)+jQ(n),进行傅里叶变换。同时,本地C/A码经过傅里叶变换后取共轭,然后其共轭和复输入信号x(n)Ь过傅里叶变换得到的信号相乘,其结果通过反傅里叶变换将这部分相乘后的信号转换到时域,最后通过取绝对值得到输入信号和C/A码之间的相关值。根据结果的绝对值大小即可确定输入信号。

相比较前面的捕获方法,并行码相位搜索捕获方法将搜索量减少到了对41个不同载波频率的搜索。每次捕获时,C/A码的傅里叶变换只需要计算1次,41个不同的载波频率分别要进行傅里叶变换和反傅里叶变换,大大减少了运算量。

1.4 捕获结果

本文设计的GPS软件接收机用8个通道进行信号处理。搜索的卫星数量为32,搜索载波频率时以中频IF为中心偏移的总带宽为14 kHz。中频IF=9.548e6 Hz,C/A码的码频是1.023e6 Hz,抽样频率是38.192 MHz,检测信号存在的门限为2.5,1个周期内C/A码的码元总数为1 023。32颗卫星的捕获结果图如图4所示。

图4 捕获结果

图4中,横坐标代表32颗卫星的PRN号,即1～32,纵坐标用于度量捕获的结果。Acquired signals的长方形代表捕获到了信号,Not acquired signals的长方形代表未捕获到信号,从Acquired signals的长方形对应的横坐标,可以读出捕获到的卫星号,即可见卫星的PRN号,此时可见卫星为:3号,6号,9号,15号,18号,21号,22号,26号。Not acquired signals的长方形则对应不可见卫星的PRN号。其捕获结果如表1所示。

由表1可知,经过并行码相位搜索捕获,8个通道分别捕获3号,6号,9号,15号,18号,21号,22号,26号卫星。这些卫星的频率分别为9.549 9e6 Hz,9.544 31e6 Hz,9.550 83e6 Hz,9.549 92e6 Hz,9.548 25e6 Hz,9.547 43e6 Hz,9.549 69e6 Hz,9.545 01e6 Hz。

Doppler频移分别为1 903 Hz,-3 688 Hz,2 832 Hz,1 921 Hz,246 Hz,-574 Hz,1 694 Hz,-2 987 Hz。

表1 8个通道的捕获结果

Channe PRN Frequency /HzDoppler CodeOffset Status

1 21 9.547 43e+006 -574 13 404 T

2 22 9.549 69e+006 1 694 6 288 T

3 15 9.549 92e+006 1 921 36 321 T

4 18 9.548 25e+006 246 20 724 T

5 26 9.545 01e+006 -2 987 26 827 T

6 6 9.544 31e+006 -3 688 28 202 T

7 9 9.550 83e+006 2 832 4 696 T

8 3 9.549 90e+006 1 903 34 212 T

码相位偏移量分别为34 212抽样点,28 202抽样点,4 696抽样点,36 321抽样点,20 724抽样点,13 404抽样点,6 288抽样点,26 827抽样点。

从以上捕获结果可以看出,对接收到的实际信号进行并行码相位搜索捕获,成功得到了可见卫星PRN号、可见卫星的载波频率和C/A码初始码相位。

2 GPS信号的跟踪

完成GPS信号捕获以后,得到的载波频率和C/A码相位只是对GPS信号的粗略估计。因此,还需要对GPS信号进行进一步跟踪,来得到更精确的载波频率和C/A码相位,并解调出特定卫星的导航数据。本文的GPS信号跟踪模块包括载波跟踪和码跟踪2部分。

2.1 GPS信号载波跟踪设计

GPS信号中的导航数据位在经过1个20 ms的周期后存在相位跳变,所以GPS信号的载波跟踪应该对180°的相位转换不敏感,而Costas环很重要的一个特性就是对180°的相位转换不敏感,因此它对导航数据位的跳变也会不敏感,因此本文采用Costas环来作为载波的跟踪。图5是Costas环的基本原理图。

图5 Costas环原理图

图5中Costas环内包括2个乘法器。一个是本地载波和与C/A码相乘后的输入信号相乘形成I支路,一个是经过90°相移的本地载波和与C/A码相乘后的输入信号相乘形成Q支路。Costas环通过对载波发生器加一些反馈来将能量保持在I支路。

2.2 GPS信号码跟踪设计

GPS信号码跟踪采用非相干延迟锁定环DLL来实现,其原理框图如图6所示。

图6中,码跟踪环路中相关器的输出IP和QP作为载波跟踪环路中载波环路鉴别器的输入,然后载波环路鉴别器输出一个反馈因子经过环路滤波器后调整本地载波NCO的输出。本地载波NCO产生的载波信号和输入信号相乘产生I支路,经过90°相移的本地载波信号和输入信号相乘产生Q支路。I支路和Q支路然后分别跟本地产生的PRN超前(E)码、即时(P)码、滞┖(L)码序列分别进行相关运算。其中超前码,即时码和滞后码分别相差1/2个码元宽度。经过相关运算后的结果输入到延迟锁相环的鉴相器, 鉴相器根据PRN码的自相关特性,获得码相位误差,该误差经环路滤波器后调整本地PRN码的数控振荡器NCO,控制伪码生成速率。使本地PRN码保持跟踪输入信号中码相位的变化,实现精确同步。

图6 GPS码跟踪模块原理框图

2.3 GPS信号跟踪结果

其部分跟踪结果如图7所示。

图7 通道1跟踪21号卫星结果

图7中左上角是I支路和Q支路的离散时间分布图,从该图可以看出即时分量IP和QP的大小关系;右上角的图是解调出的37 s的导航电文;中间部分靠左的图是载波跟踪环路中原始的PLL鉴别器的幅度响应;左下角的图是载波跟踪环路在对信号进行跟踪后的PLL鉴别器的幅度响应;右下角的2个图分别是码跟踪换路中原始的DLL鉴别器的幅度响应和对信号进行跟踪后的DLL鉴别器的幅度响应;中间部分靠右的图是I支路和Q支路中即时、超前和滞后分量即IP和QP,IE和QE,IL和QL的相关结果。从图4可以看出,由于跟踪环路中噪声的存在,载波跟踪环路中原始的PLL鉴别器的幅度响应和码跟踪换路中原始的DLL鉴别器的幅度响应都不为零。

3 结 语

(1) 对于GPS信号的捕获,通过对常用串行搜索捕获算法和并行频域搜索捕获算法的比较和分析,提出了一种新型并行码相位搜索捕获算法,提高了GPS软件接收机的定位速度和定位精度。

(2) 对于GPS信号的跟踪,提出采用非相干延迟锁相环对码进行跟踪,该锁相环能够用于不同强度和不同信噪比的信号,当码元差大于1/2码元时,依然具有良好的性能,并且能够保持对噪声信号的跟踪;同时采用Costas环对载波进行跟踪,避免了导航数据位在发生相位跳变时引起反馈项的变化,保证了载波跟踪环路 对信号的正确跟踪。

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