專利名稱：一種gps信號高速捕獲裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā) 明涉及衛(wèi)星定位及導(dǎo)航技術(shù)，尤其涉及一種GPS(Global PositioningSystem,全球定位系統(tǒng))信號高速捕獲裝置及方法。
背景技術(shù)：
目前，世界上可以提供精確衛(wèi)星定位及導(dǎo)航的通信系統(tǒng)主要有四種，分別為美 國的GPS、俄羅斯的GL0NASS、歐洲的GALILEO和中國的北斗定位系統(tǒng)，但其中仍以
美國的GPS的應(yīng)用最為廣泛。GPS的原理很簡單，GPS無線終端(或GPS導(dǎo)航儀)中的GPS接收機對所收 到的衛(wèi)星信號進行解碼，獲取載波信號所攜帶的包含有衛(wèi)星的星圖軌道信息和高精度的 時間信息，通過公式距離=時間X速度，再輔以四點定位的原理即可確定用戶的位置 了。但是，現(xiàn)有的GPS無線終端存在從開機至捕獲到衛(wèi)星信號的定位耗時(開啟后 捕獲衛(wèi)星信號的搜索及校準(zhǔn)過程)過長的缺陷，有的定位耗時甚至達(dá)2分鐘以上，這樣， 既增大了 GPS無線終端的功耗，又使得用戶失去等待的耐心，嚴(yán)重影響用戶的滿意度。 因此，如何盡可能縮短GPS接收機的定位耗時時長，就成為一個非常必要的研究努力方 向。由于GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)中，每個衛(wèi)星發(fā)送兩個擴頻的L頻帶載波信號，稱為Ll 禾口 L2信號，這兩種信號均采用直接序列擴頻以及BPSKCBinary Phase ShiftKeying, 二相 相移鍵控)調(diào)制方式。其中，Ll 信號的 C/A (Clear andAcquisition 或 Coarse and Access,
粗捕獲碼)碼分量供商業(yè)使用。GPS接收機對C/A捕獲處理主要有兩種途徑在頻域內(nèi)的碼捕獲和在時域內(nèi)的 碼捕獲。其中，在頻率內(nèi)的碼捕獲方案以Fourier(傅立葉)變換為基礎(chǔ)，通過FFT(快速 傅立葉變換)與IFFT(快速傅立葉逆變換)的轉(zhuǎn)換確定接收信號C/A碼的相位。在時域 的碼捕獲方案則是把本地C/A碼與接收信號對準(zhǔn)的過程。使用頻域內(nèi)的碼捕獲方案可以實現(xiàn)對C/A碼的快速捕獲，但是需要多次FFT與 IFFT的變換，運算較復(fù)雜且硬件的開銷較大。對于常規(guī)的GPS無線終端，要在時域完 成碼捕獲，要采用滑動相關(guān)器，所耗運算資源也較少，但需要進行多次相關(guān)運算操作， 每次都要在一個可能的DoppleK多普勒)頻率上搜索一個可能的碼相位，C/A碼長度為 1023，GPS的Doppler頻率范圍為士5kHz，由于每次滑動半個碼片，碼相位搜索步驟最 大為2046次，對每次搜索可以把碼相位增加半個碼片，或者可以把頻率增加500Hz，其 結(jié)果必然是捕獲時間正比于碼相位搜索步驟和載波頻率搜索步驟所需時間的乘積，因而 依然存在碼捕獲所需時間較長的不足。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種GPS信號高速捕獲裝置及方法，通過采用新的C/A碼捕獲機制，以較低的實現(xiàn)復(fù)雜度實現(xiàn)對C/A碼相位的快速捕獲，降低 GPS無線終端的開機等待時間，提高用戶的滿意度。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的一種全球定位系統(tǒng)GPS信號高速捕獲裝置，該裝置包括解調(diào)電路組，所述裝置還包括合成濾波判決電路和多個滑動相關(guān)器跟蹤電路；其中，解調(diào)電路組，包括多個解調(diào)電路，所述解調(diào)電路用于從所述GPS信號中解調(diào)出 I、Q兩路基帶信號；合成濾波判決電路，用于將所述I、Q兩路基帶信號合成一路，并依次通過匹配 濾波器和判決器進行相關(guān)解擴得到此時的載波信息和碼相位信息，然后送入相應(yīng)的滑動 相關(guān)器跟蹤電路；所述滑動相關(guān)器跟蹤電路，用于對通過所述合成濾波判決電路輸出的攜帶GPS 信號的碼相位進行實時跟蹤。其中，所述合成濾波判決電路進一步包括I/Q合成器、匹配濾波器、判決器以 及本地C/A碼生成器；其中，所述I/Q合成器，用于將所述I、Q兩路基帶信號合成為一路；所述匹配濾波器，用于選擇GPS衛(wèi)星信號進行相關(guān)解擴及捕獲C/A碼，并輸出 所述C/A碼的相位信息給判決器和所述本地C/A碼生成器進行比較；所述判決器，用于對所述匹配濾波器的輸出結(jié)果進行判決，以確定所述C/A碼 是否捕獲成功。進一步地，所述I/Q合成器為采用CORDIC算法的根據(jù)幅度和角度值得到單路 信號的幅度和正負(fù)來實現(xiàn)；或由采用I、Q兩路最大值與最小值的一半的絕對值之和以及 I、Q兩路基帶信號的正負(fù)得到單路信號的幅度和正負(fù)的方式來實現(xiàn)。所述匹配濾波器由移位寄存器、或RAM直接/旋轉(zhuǎn)延遲來實現(xiàn)。所述滑動相關(guān)器跟蹤電路中，包括至少4個用于跟蹤已經(jīng)捕獲的GPS信號C/A 碼相位的滑動相關(guān)器。一種GPS信號高速捕獲的方法，所述方法包括A、利用所述解調(diào)電路組從所接收到的GPS信號中解調(diào)出I、Q兩路基帶信號；B、將所述I、Q兩路基帶信號輸入合成濾波判決電路合成一路，并通過所述匹 配濾波器進行相關(guān)解擴，得到所述GPS信號的載波信息和擴頻碼相位信息，并將所述碼 相位信息輸入滑動相關(guān)器跟蹤電路；C、所述滑動相關(guān)器跟蹤電路中的沒一路滑動相關(guān)器根據(jù)所述匹配濾波器得到的 載波信息與相位信息對GPS信號進行實時跟蹤。本發(fā)明所提供的GPS信號捕獲裝置及方法，具有以下優(yōu)點本發(fā)明采用匹配濾波器輔助捕獲，可以在一個C/A碼周期(Ims)內(nèi)完成相位捕 獲，相對于滑動相關(guān)器捕獲速度大大提高。在匹配濾波器前采用I/Q兩路合成器，從而 節(jié)省了一半匹配濾波器資源，具有較好的實用價值。


圖1為本發(fā)明的GPS信號高速捕獲裝置的原理示意圖2為本發(fā)明圖1中I/Q合成器結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及本發(fā)明的實施例對本發(fā)明的方法作進一步詳細(xì)的說明。圖1為本發(fā)明的GPS信號高速捕獲裝置的原理示意圖，如圖1所示，該裝置包 括解調(diào)電路組、合成濾波判決電路A和若干個用于跟蹤已捕獲的GPS信號的滑動相關(guān)器 跟蹤電路B;其中， 這里，所述解調(diào)電路組的每個解調(diào)電路中包括本地載波生成器、兩個乘法器和 第一低通濾波器104和第二低通濾波器104’。所述本地載波生成器用于產(chǎn)生同相支路信 號102以及正交支路信號103。合成濾波判決電路A包括I/Q合成器105、匹配濾波器106、判決器107以及本 地C/A碼生成器108。這里，所述I/Q合成器105，用于將所述經(jīng)第一低通濾波器104和第二低通濾波 器104’分別輸出后的I、Q兩路基帶信號合成為一路。所述I/Q合成器可有兩種方法實 現(xiàn)，采用CORDIC根據(jù)幅度和角度值得到單路信號的幅度和正負(fù)，或采用I，Q兩路最大 值與最小值的一半的絕對值之和以及I/Q兩路信號的正負(fù)得到單路信號的幅度和正負(fù)。所述匹配濾波器106，用于選擇GPS衛(wèi)星信號進行相關(guān)解擴及捕獲C/A碼，并 輸出所述C/A碼的相位信息給判決器107和所述本地C/A碼生成器108進行比較；匹 配濾波器根據(jù)選定的本地C/A碼，每次采樣信息的輸入都會輸出相關(guān)運算的結(jié)果，實現(xiàn) GPS信號的直接匹配濾波。匹配濾波器106可以由移位寄存器、或RAM直接/旋轉(zhuǎn)延 遲來實現(xiàn)。所述判決器107，用于對所述匹配濾波器106的輸出結(jié)果進行判決，以確定所述
C/A碼是否捕獲成功?；瑒酉嚓P(guān)器跟蹤電路B，用于對GPS信號已捕獲的C/A碼相位進行實時跟蹤。 其包括一個本地C/A碼生成器和兩個乘法器以及兩個累加器。該GPS信號高速捕獲裝置的工作過程如下GPS信號，即輸入信號101分別與 本地載波生成器所產(chǎn)生的同相支路信號102)以及正交支路信號103相乘，然后分別通過 第一 LPF (低通濾波器)104和第二 LPF (低通濾波器)104，濾除高頻分量后，形成I、Q 兩路基帶信號。由于本地載波頻率和接收信號存在差異，所以I、Q兩路基帶信號也存在 載波和相位的差異，傳統(tǒng)的方法是將I、Q兩路基帶信號通過匹配濾波器直接解擴，這樣 將耗費兩個匹配濾波器的資源。由于GPS信號采用BPSK調(diào)制方式，所以可以將I、Q 兩路基帶信號合成而不會造成信息損耗，而且又能夠減少一路匹配濾波器的開銷。故本 發(fā)明中采用I/Q合成器105將所述I、Q兩路基帶信號合成為一路，然后通過匹配濾波器 106進行相關(guān)解擴。這里，所述匹配濾波器106選擇其中一顆GPS衛(wèi)星的C/A碼進行捕獲，當(dāng)在一 個C/A碼長周期內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)有GPS信號，則將本地載波頻率增加500Hz，開始進行載波 捕獲步驟，當(dāng)整個載波周期沒有搜索到GPS信號，則所述匹配濾波器106更換一個衛(wèi)星 的C/A碼進行重復(fù)搜索，如此，可以在盡可能短的時間內(nèi)捕獲到GPS信號。當(dāng)所述匹配 濾波器106完成捕獲后將載波信息和C/A碼相位信息發(fā)送給滑動濾波器，滑動濾波器開始跟蹤解調(diào)，同時匹配濾波器更換C/A碼繼續(xù)搜索。傳統(tǒng)的時域碼捕獲由于速度較慢一 般采用多通道并行，常規(guī)有12通道滑動相關(guān)器并行捕獲，由于匹配濾波器可以在一個C/ A碼周期內(nèi)完成捕獲，大大縮減捕獲時間，因此滑動相關(guān)器數(shù)目可相應(yīng)減少，由于GPS 定位需要至少鎖定4顆衛(wèi)星，因此一般只需要4個滑動相關(guān)器即可。將所述匹配濾波器106的輸出結(jié)果送入判決器107進行判決，當(dāng)判決器107發(fā)現(xiàn) 一個C/A碼周期內(nèi)的最大值大于所預(yù)設(shè)的閾值后，即判定為捕獲成功，同時將此時的載 波信息和碼相位信息送給滑動相關(guān)器跟蹤電路B進行跟蹤。圖2為本發(fā)明圖1中I/Q合成器結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，所述的I/Q合成器的 幅度為,由于計算時要用到平方、平方根運算，實現(xiàn)起來比較復(fù)雜，本發(fā)明中采 用近似算法和CORDIC旋轉(zhuǎn)算法來實現(xiàn)，其近似算法公式如下Amp max(| I\,\Q |) + ^min(| I\,\Q\)其中Amp為上述公式計算所得的幅度值205 ；支路I、支路Q分別為I、Q兩 路基帶信號；max201為第一選通器輸出I、Q的絕對值的最大值信號，min202為第二選 通器輸出的I、Q絕對值的最小值信號。所述I、Q兩路絕對值輸入信號通過比較器進行比較，若I>Q，則比較器輸出 1，最大值信號max201選通I 路，即通過第一選通器的絕對值；所述比較器的輸出通過 第一反向器203輸出為0，控制最小值信號min202選通Q路，即通過第二選通器的絕對 值。移位器204將min路輸出值縮小1/2。加法器205將所述兩路信號相疊加得到幅度值。由于輸出的幅度值為無符號值，I/Q合成器還需要根據(jù)原始信號的符號得出輸 出信號符號。當(dāng)原始信號落在在第一、第四象限時，其輸出為正值；當(dāng)原始信號落在第 二、第三象限時，其輸出為負(fù)值。也就是，當(dāng)I路原始信號為正值時，輸出為正值。當(dāng) I路原始信號為負(fù)值時，輸出為負(fù)值。第二反向器206將所述Amp205信號的一個分支進 行反向輸出，將所述Amp205信號及其反向信號輸入第三選通器，再由I路原始基帶信號 作為使能信號控制第三選通器輸出信號值的正負(fù)。由于基帶信號存在相位模糊和相位誤 差，所以這種設(shè)置只是其中選擇之一，以Q路信號的作為判決，其結(jié)果即便完全相反也 同樣不影響其最終輸出結(jié)果。該近似算法將帶來IdB左右的信號損失。但是簡化了運 算，降低了設(shè)備的開銷。當(dāng)I、Q兩路信號的位寬大于4時，其幅度也可采用CORDIC旋轉(zhuǎn)算法實現(xiàn)，但 不會帶來信號損失?；镜臄?shù)字匹配濾波器通常由輸入數(shù)據(jù)移位寄存器單元、抽頭匹配乘法器單
元、求和加法器單元構(gòu)成。其功能由下列公式描述 k-\Sumk = ^jDinn χck_n
n=k-N其中N為匹配濾波器積分求和長度，也是擴頻碼長度。Sumk為k時刻數(shù)字匹 配濾波器輸出，Dinn為k時刻基帶I/Q合成器的輸出，Cl cn為本地擴頻碼。以Din基帶輸出數(shù)據(jù)寬度為4、擴頻碼長為1024為例，如果采用移位寄存器直接 實現(xiàn)延時存儲，則兩路匹配濾波就需要1024X4X2 = 8k存儲寄存器，同時要耗費大量的加法資源?？梢?，結(jié)合本發(fā)明的計算裝置，通過上述運算，能夠起到在對GPS信號高速 捕獲的同時節(jié)省大量的硬件資源的效果。本發(fā)明提供的方法并不局限于上述具體方案，例如，匹配濾波器與滑動濾波器 電路結(jié)構(gòu)不限。所述滑動濾波器的個數(shù)可根據(jù)實際需要同時跟蹤的衛(wèi)星數(shù)目決定(GPS至 少需要4顆衛(wèi)星定位)，不限于附圖1所示的兩個，也不限于只有4個。所述I/Q合成 器中的幅度計算還可以采用本發(fā)明所述I、Q兩路基帶信號最大值與最小值的一半的絕對 值之和算法，還可以采用CORDIC算法。以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已 ，并非用于限定本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種全球定位系統(tǒng)GPS信號高速捕獲裝置，該裝置包括解調(diào)電路組，其特征在 于，所述裝置還包括合成濾波判決電路和多個滑動相關(guān)器跟蹤電路；其中，解調(diào)電路組，包括多個解調(diào)電路，所述解調(diào)電路用于從所述GPS信號中解調(diào)出I、Q 兩路基帶信號；合成濾波判決電路，用于將所述I、Q兩路基帶信號合成一路，并依次通過匹配濾波 器和判決器進行相關(guān)解擴得到此時的載波信息和碼相位信息，然后送入相應(yīng)的滑動相關(guān) 1足艮S宗各；所述滑動相關(guān)器跟蹤電路，用于對通過所述合成濾波判決電路輸出的攜帶GPS信號 的碼相位進行實時跟蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS信號高速捕獲裝置，其特征在于，所述合成濾波判決 電路進一步包括I/Q合成器、匹配濾波器、判決器以及本地C/A碼生成器；其中，所述I/Q合成器，用于將所述I、Q兩路基帶信號合成為一路；所述匹配濾波器，用于選擇GPS衛(wèi)星信號進行相關(guān)解擴及捕獲C/A碼，并輸出所述 C/A碼的相位信息給判決器和所述本地C/A碼生成器進行比較；所述判決器，用于對所述匹配濾波器的輸出結(jié)果進行判決，以確定所述C/A碼是否 捕獲成功。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的GPS信號高速捕獲裝置，其特征在于，所述I/Q合成 器為采用CORDIC算法的根據(jù)幅度和角度值得到單路信號的幅度和正負(fù)來實現(xiàn)；或由采 用I、Q兩路最大值與最小值的一半的絕對值之和以及I、Q兩路基帶信號的正負(fù)得到單 路信號的幅度和正負(fù)的方式來實現(xiàn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的GPS信號高速捕獲裝置，其特征在于，所述匹配濾波 器由移位寄存器、或RAM直接/旋轉(zhuǎn)延遲來實現(xiàn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS信號高速捕獲裝置，其特征在于，所述滑動相關(guān)器跟 蹤電路中，包括至少4個用于跟蹤已經(jīng)捕獲的GPS信號C/A碼相位的滑動相關(guān)器。
6.—種GPS信號高速捕獲的方法，其特征在于，所述捕獲方法包括A、利用所述解調(diào)電路組從所接收到的GPS信號中解調(diào)出I、Q兩路基帶信號；B、將所述I、Q兩路基帶信號輸入合成濾波判決電路合成一路，并通過所述匹配濾 波器進行相關(guān)解擴，得到所述GPS信號的載波信息和擴頻碼相位信息，并將所述碼相位 信息輸入滑動相關(guān)器跟蹤電路；C、所述滑動相關(guān)器跟蹤電路中的沒一路滑動相關(guān)器根據(jù)所述匹配濾波器得到的載波 信息與相位信息對GPS信號進行實時跟蹤。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GPS信號高速捕獲裝置及方法，屬于衛(wèi)星定位及導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明GPS接收機采用匹配濾波原理參與C/A碼的捕獲，用以實時高速完成相關(guān)解擴算法，采用滑動相關(guān)器根據(jù)匹配濾波器實現(xiàn)C/A碼的跟蹤。由于本發(fā)明裝置將I、Q兩路基帶信號在匹配濾波之前合成起來，消除相位偏移的影響，克服了現(xiàn)有采用匹配濾波實現(xiàn)直接序列擴頻信號捕獲需要I/Q兩路匹配濾波，節(jié)省了大量硬件資源；同時保證了在一個碼元周期內(nèi)獲取擴頻碼同步信息，既提高了捕獲速度，又降低了該裝置的制造成本，同時還增強了GPS無線終端的易用性。
文檔編號G01S5/14GK102023291SQ20091017707
公開日2011年4月20日 申請日期2009年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月21日
發(fā)明者艾礫 申請人:北京興中芯電子科技有限公司