GPS信号中P码直接捕获技术的研究

1、文章编号:1003-1251(200503-0056-05GPS 信号中P 码直接捕获技术的研究朴虎哲,冯永新,潘成胜(沈阳理工大学通信与网络工程中心,辽宁沈阳110168摘 要:GPS 是典型直接序列扩频通信的应用,其采用的伪随机序列之一的P 码,更加具有很强的抗干扰和保密性能,实现P 码的直接捕获对GPS 系统的军事用户及我国未来发展自己的卫星定位系统具有重要意义.针对P 码多普勒频移大、周期长的特点,本文探讨了缩短载频搜索范围的方法.在此基础上,对P 码序列的搜索算法进行了深入研究,并且结合扩展复制重叠技术和均值法,提出了一种更适合P 码搜索的算法.关键词:GPS ;P 码;捕获中图分类

2、号:TN971 1 文献标识码:A收稿日期:2004-09-27作者简介:朴虎哲(1979 ,男,吉林延吉人,硕士研究生.GPS 系统采用的是直接序列扩频通信体制,在两个L 波段上,分别用伪随机噪声码P 码和C /A 码扩频调制了导航电文D 码.L1的中心频率为1575 42MH z ,L2的中心频率为1227 6MH z .载波信号L1上调制有P 码、C /A 码和D 码,而载波信号L2上只调制P 码和D 码.P 码序列是一个长度为2 357 1014比特的长伪随机序列,其周期达到了266天9小时,每颗卫星使用序列的一个星期,故每个序列长度是6 187 1012,直接捕获难度大.所以,在设计

3、初并不是用于直接捕获,而是通过短周期(1m s的C /A 码进行粗捕获以后,通过获得导航电文的转换字(HOW 字段提供的P 码信息对P 码进行捕获,再通过P 码进行精确定位,而C /A 码只是作为捕获P 码的手段存在.但是,由于C /A 码周期短、速率低,很容易受干扰,特别是在战争环境下,是否能通过C /A 码来捕获P 码必然成为问题.因此,能否直接捕获P 码一直倍受人们的关注.由于P 码的周期长(周期为一周,码长为6 187 1012,速率高(10 23M b /s,多普勒频移大,对P 码进行直接捕获提出了挑战.为此,本文研究了捕获P 码的方法,通过对GPS 信号的估计缩短载波的搜索范围.并

4、且,研究了各种捕获P 码的算法,结合两种现有的算法提出了一种更为快捷的搜索算法.1 信号检测方法的研究要减小P 码的多普勒频移搜索范围,我们首先要对载波的频率进行检测,使载波的频率搜索范围缩短.目前,有多种信号侦察技术.其中,能量检测技术、压缩接收机检测技术、周期谱检测技术、自相关检测技术等都是经典的信号检测技术,实现起来相对简单和方便.但是,这些方法在低信噪比环境中检测性能差,因此并不适合在P 码搜索中应用.相比之下,现代谱估计技术有很多优越性,其谱估计精度高,谱分辨率能力强,能在低信噪比下提取多种信号频谱的特征信息,如载波的频率等.现代谱估计从估计的方法上大致可以分为参数模型法和非参数模型

5、法.其中,参数模型法在低信噪比下的信号估计分辨率要优于非参数模型法.参数模型法又可分为AR,MA,ARMA,PRO NY 模型法.从谱估计的角度来看,MA 模型等效于经典谱估计的自相关法,谱估计的分辨率比较低.因此,单纯为了对一段有限长的数据进行谱估计是没有2005年9月沈阳理工大学学报Vol.24No.3第24卷第3期TRANSACTI O NS OF SHENYANG LI G ONG UN I V ERS I T YS ep .25必要使用MA模型的,但是MA模型在系统分析与识别中有自己的应用,比如在ARMA当中就是不可缺少的部分.现有的很多现代谱估计的方法,如:相关频谱估计法、最大墒谱

6、算法、多量自相关自回归法等都是以AR模型法为基础发展起来的,它们的谱估计分辨率很好,谱的旁瓣也很少,但是在对象P码这种长周期,低信噪比(-20dB,带内为-12dB的信号进行谱估计时,它们的误差明显增大,分辨率也将下降.因而,也不适用于我们的要求.同理,PRONY方法在低信噪比下的谱估计能力也很差.ARMA模型法是自回归法(AR与滑动平均法(MA综合应用的一种信号模型法,也就是极点、零点模型法.因为MA部分的存在,令ARMA 模型法比AR模型法在噪声部分的谱上更为平滑,更为清晰;而且,AR MA模型更接近于扩频信号模型,所以有较好的谱估计性能.ARMA算法的另一优越性是谱分辨率高,可以分辨出两

7、个扩频信号.通过对扩频信号谱估计的仿真,得出在信噪比为-10dB下的ARMA模型的谱分辨率基本上没有什么变化.所以,通过ARMA模型对GPS的P码信号进行载频的估计可以缩短载波的多普勒频移搜索范围,进而提高搜索P码的速度.由此,我们可先通过ARMA模型估计载频的方法,缩短二维(载波和P码序列搜索的范围.2 P码直接捕获算法的研究要想快速捕获P码信号,确定一个适用的搜捕算法是很重要的.因为硬件设施是固定的,除非有一种新的硬件技术产生才能提高速度,如原子钟技术使时间频率基准精度比石英钟时提高了一万倍.目前,国内外对伪码序列直接捕获的算法进行了很多研究.V an Nee,Coenen及Davenpo

8、rt在1991年提出了使用FFT实现PRN码的快速捕获,但该方法主要针对C/A码.C.Y ang对FFT的多种抽样方案进行了比较和分析,于1999年进一步提出了扩展复制码叠加算法XFAST(Ex tended Rep lica Fo lding Acqu isition Search Techn i q ue,在2001年提出了序列块搜索算法(sequen tial b l o ck search techn i q ue,为实现P (Y码的快速捕获提供了理论基础.Dav idM.L i n和B.Y.Tsu i对GPS软件接收机的码捕获方案进行了研究,特别是对FFT实现循环相关(circu l

9、ar co rre l a ti o n的多种方案进行了分类和性能比较,例如:分段补零循环相关法;分段超位循环相关法等,其结论是:在信号较强且数据量较少时,可采用非相干循环相关法(non-coher en t circ u lar correlation,运算量小、检测概率高;在弱信号和大数据量时采用分段补零的循环相关法(circ u lar correlation by partiti o n and zero padd i n g.2.1 扩展复制重叠捕获算法XFAST(扩展复制重叠捕获技术是建立在被捕获伪码的优良自相关特性基础上的.码自相关性能越好,则处理效率越高.所谓扩展复制重叠就是将

10、一个很长的伪码分为M个子段,每段长N点,并将各子段的对应位置进行简单算术相加,组成一个新的长为N点的重叠码段.这样处理后,一个N点的码段可以包含MN点长码段的信息,从而扩展了一次捕获操作的搜索范围,因此称之为扩展复制重叠捕获技术.重叠搜索技术利用了码的子序列的互相关特性.由于原来未叠加的码片和那些从其它区段叠加过来的码片互相关很小,因此产生很小的背景噪声,在轻微降低信噪比和产生峰值多值性的代价下,使用码叠加可以加快计算.其原理见图1.利用M个子码,FFT计算量可以减小M倍,同时还将不确定区域扩大到M倍.但是,重叠各个子码段的同时,也影响到了各个子码段间的互相关特性.特别是在捕获象P码这种低信噪

11、比信号的情况下,它的效果会受到影响.2.2 均值法直接均值法是以循环相关的理论为基础提出来的一种快速P码捕获的算法.它不仅采用了循环相关的方法使搜索的时间覆盖域扩大,而且,通过分段补零的方法很好的补偿了频域的码多普勒频移.但是,如果平均的码段越长,它的码相位偏移就会越大,峰值检索的性能越差,因此平均的码!57!第3期 朴虎哲等:GPS信号中P码直接捕获技术的研究段长度不能过长,在时间域上的检索范围就受到了限制 .图1 扩展复制重叠原理图因此,我们结合了前两种算法的优点,提出了更适合P 码捕获的扩展复制重叠均值法.3 扩展复制重叠均值法扩展复制重叠均值法吸收了以上两种算法的优点,使得在时域上的码

12、搜索范围扩大,缩短了码搜索的时间,同时补偿了频域的码多普勒频移.其算法流程图如图2所示 .图2 扩展复制重叠均值法算法流程图!58!沈阳理工大学学报 2005年3.1 算法的具体步骤算法的具体步骤如下:一定的时间t内,采集n个P码样本,并在其后附加值为零的n个样本,进行填充,并对每i 个样本进行均值运算,产生2k个样本(2n=i2k,作为运算对象G.#在本地产生2M n个样本,以每段为2n个样本的大小进行复制重叠,并产生2n个样本,平均每i个样本,产生2k(2n=i!2k个样本,作为运算对象F.将对象G进行FFT运算.%将对象F进行FFT运算.&将和%的结果进行乘法运算,并进行I F

13、FT.截取&中前k个样本R fg,即为本地码与接收码的互相关值.(移动本地M n个样本,产生新的2M n个本地样本,重复进行#到的运算.重复以上步骤l次,求和.如果无法检测到相关峰值,则取另外一个本地码重复进行到的运算.+如果在样本m单元上得到一个相关峰值,它是由i个样本所决定的.并且,这个位置是该段接收码与本地重叠码之间的相对位置.首先我们要用每一个重叠的子码段与接收码进行相关运算,取相关值最大的子码段作为相关峰值的所在段,也就是要进行模糊度去除操作.如果要得到更为确切的位置,就进行.移动P码(m-1i个样本,取前2N1个P 码信号样本,做FFT运算.取以产生的N1个本地样本,并在其

14、后附加值为零的N1个样本,做FFT运算.!将 和 的结果进行乘法运算,并进行I F FT.截取 !中前N1个样本,再去掉其中i个样本.最后,在m1点上得到相关峰值.确切的相关峰值是m i+m1-i.3.2 算法时间分析对于扩展复制重叠均值法,设选定的频域伪码相关长度为L点,则实施频域相关需进行FFT 和I FFT,其所需的时间为H和H1的函数,可记为T FFT(H、T I FFT(HT FFT(H1和T I FFT(H1.算法进行一次捕获时间可分为T D和T FA.T D是接收信号和处理信号所需的时间,T FA是虚警补偿时间.求它的接收和处理信号所需的时间T D1T D1=l(2T FFT(H

15、+T I FFT(H+T*(H +T data+T o ther(1其中,T*(H为H点频域数据相乘所需时间,并假设FFT反变换未并行处理;T data为完成本次操作所需数据产生、接收和准备所需的时间,T other为除上述时间以外实现算法还需要的相关后积累等附加操作时间,l为做一次捕获操作时所需累加的相关值的个数.虚警补偿时间为T FA1=T Check1(M,H+T Ch eck2(H1+T v其中,T Check1(M,H为去除位置模糊度所需的时间,T Check2(H1求确切相关峰位置的时间,T v为虚警判断时间.第一个算法的频域多普勒补偿是通过硬件方式实现的.设多普勒变化范围为f i

16、 f m,记 f max=f m-f l,多普勒搜索步进频率为f i,并行相关器件的个数为x.则算法的捕获时间为T1=f maxf i x(T D1+T FA1扩展复制重叠均值法结合了扩展复制重叠法和均值法的优点,进一步提高了时间覆盖域,补偿了多普勒频移,加快了计算速度.(1因为采用了扩展复制重叠技术,算法在计算时间以及时间覆盖域上比均值法提高了M倍.(2采用循环相关法,比线性相关法更好地发挥了重叠法在时间覆盖域上的优势.因为,线性相关法无法实现折叠部分的码段相关.(3分段补零的方法提高了多普勒补偿精度.经验证,补零方法使多普勒补偿精度变为未补零时的两倍.因此,在做P码直接捕获时,我们可以先用

17、AR MA谱估计的方法对载波的频率进行估计,进而缩短二维搜索的频率范围,同时采用扩展复制重叠均值法对P码序列进行捕获,如图3所示.!59!第3期 朴虎哲等:GPS信号中P码直接捕获技术的研究 图3 P 码捕获功能框图4 结束语本文提出的扩展复制重叠均值法,结合了两种现有的P 码快速捕获算法,扩大了P 码捕获的时间覆盖域、缩短了多普勒频移及提高了搜捕速度.参考文献:1代燕,李洪祚,王孟芝.GPS 信号捕获方法的研究J.长春理工大学学报,2003,26(3.2任亚安,王鹏,许卫东,等.GPS 中P(Y 码直接捕获技术的研究进展J.全球定位系统,2003,(1.3连全斌,张乃通,张中兆.一种GPS

18、系统P 码直接捕获策略分析J.遥测遥控,2001,22(5.4邱致和,王万义.GPS 原理与应用M .北京:电子工业出版社,2002.5胡广书.数字信号处理 理论、算法与实现M .北京:清华大学出版社,1995.Study on t he Technique of P Code Direct Capturing in GPS SignalPI AO H u z he ,FENG Yong x i n ,PAN Cheng s heng(Shenyang L i gong Un ivers i ty ,Shenyang 110168,C h i naAbst ract :GPS is the app lication of typical d irect sequence spread spectrum co mm unication ,A s one k i n d o f PRN,P code has m ore po w erful anti i n terference and secrecy ,the