软件接收机的C/A码捕获算法 码捕获算法 基于基于GPS软件接收机的 为了尽量减少导航电文数据比特跳变带来的影响，在基于FFT的并行码相位搜索算法的基础上，采用两相邻毫秒 数据进行捕获，再利用DFT细化频率估计，得到C/A码相位和较精确的载波频率。利用实际采集的数据进行实 验，结果证实了该方法能快速有效地对C/A码进行捕获，为后续跟踪环路提供了良好的初始条件。 摘摘 要：要： 为了尽量减少导航电文数据比特跳变带来的影响，在基于FFT的并行码相位搜索算法的基础上，采用两相邻毫秒数据 进行捕获，再利用DFT细化频率估计，得到C/A码相位和较精确的载波频率。利用实际采集的数据进行实验，结果证实了该方 法能快速有效地对C/A码进行捕获，为后续跟踪环路提供了良好的初始条件。 关键词： 关键词： 近年来，随着软件无线电技术的飞速发展，GPS软件接收机已经成为卫星导航定位系统一个新的研究热点。它将卫星中频 信号输入到PC机中，然后对该信号进行捕获、跟踪、解调、测量和PVT解算，整个信号处理过程通过软件来完成，这样就使 得软件接收机较传统的接收机有更好的灵活性，研究人员可以做较小改动，而不需要改变硬件设计，就可以适应不同信号，能 够迅速分析、仿真、实现各类算法，设置捕获、跟踪的各种参数和门限，达到研究新的信号处理算法的目的[1-7]。 为了跟踪GPS信号并进行信息解码，就必须先用捕获程序来检测信号的存在。一旦发现信号，必须测出C/A码相位和载波频 率，以协助启动信号跟踪。因此，提高捕获有效性和捕获速度就显得尤为重要。 1 C/A码捕获码捕获 1.1 导航数据跳变的处理 导航数据跳变的处理 在普通强度GPS信号的捕获中，剥离C/A码后，输入信号变为连续波，可用快速傅里叶变换得到载波频率，这个操作称为相 干积分。在所有对GPS信号的捕获方法中，相干积分都是第一步。 相干积分的长度受导航数据的限制，导航数据每20 ms会出现一次相位跳变。如果用于捕获的数据段里含有导航数据跳变， 就会扩展信号的频谱，使得载波频率处应有的峰值扩散到周边的频率中，而产生信噪比损失，使捕获结果变差。 为了保证在数据段中不包含导航数据跳变，采用两段连续的1 ms的数据进行捕获，分别计算捕获相关值，并比较结果的信 噪比，信噪比较大一段数据中肯定没有导航数据跳变，取此相关值作为最后结果。 1.2 周期信号的相干积分 周期信号的相干积分 针对C/A码的周期性，采用10 ms的数据来进行相干积分。 10 ms的信号下变频到基带，然后分成10组，每组包含1 ms的数据。由于C/A码的周期是1 ms，每1 ms数据可以与同一个 本地C/A码进行相关。如此，对于分辨率为1 kHz的多普勒频移区间内的载波频率而言，每1 ms都有N个相关结果（N为每1 ms的采样点数）。这10 ms的数据组成10组N点输出的结果阵。将矩阵的每一列的10个点都分别执行FFT，即可得到N列的频 域结果。矩阵中幅度最大的列序号和行序号分别表示C/A码的初始相位和分辨率为100 Hz的载波频率。 要遍历m个多普勒频移的区间，上述过程就要执行m次，最终的输出结果为10m×N的矩阵。这种方法的好处是，在进行捕获 的同时，频率分辨率也有所提高，不需要进行额外的精频确定处理，从而简化了部分运算。 1.3 并行码相位搜索捕获算法 并行码相位搜索捕获算法 并行码相位搜索捕获算法是利用FFT来替代数字相关器的相关运算，将码相位搜索并行[8]，减少了搜索次数，提高了整体 速度。将需要搜索的频率范围等分成若干个频率段，在待搜索的每段频率上只需要搜索一次就可以确定C/A码初始相位，即将 二维搜索转化为一维搜索，其实现方框图如图1所示。 2 算法分析与实现步骤 算法分析与实现步骤 2.1 算法分析 算法分析 捕获函数每隔500 Hz搜索一次GPS信号，在每个频率搜索阶段，同时搜索码相位。每次搜索之后保存相关结果并进入下一 频率单元，由此函数遍历所有的频段，接下来寻找函数最大相关值。之后，寻找同一频率单元中的第二大相关值，然后计算其 比值并作为信号检测的规则，该比值用于与接收机中预设的门限值的比较。 需要注意的是，在判断第二峰值时必须排除峰值左右各一个码片以便除去峰值对周边值的影响，从而获得可靠的第二峰 值。 如果第一峰值与第二峰值的比值超过门限值，则利用FFT方法找到精确的载波频率，以协助跟踪环中的PLL启动信号跟踪 [9]。 捕获程序流程图如图2所示。 

2.2 实现步骤 实现步骤 从射频前端采集到的数据中读取11 ms的信号记为longSignal，从longSignal里截取两相邻毫秒的数据，分别记为s1、s2。 （5）计算本地码的傅里叶变换，并取其共轭复数 



从图3中可以看出明显的峰值，且比较此颗卫星的相关峰值与第二峰值比率14.617与初始值设定时的阈值2.5，可以判断采 集到的信号中含有此颗卫星的信号。峰值点出现的位置所对应的码相位轴相应位置，即捕获所得到的码相位的位置；峰值点出 现位置对应频率成分轴相应位置，即捕获所得到的频率成分值。 图4是对8号卫星进行捕获的相关结果图。图中看不到明显的峰值，运行相应语句知此颗卫星峰值比率1.12小于初始设定的 阈值2.5，所以判定采集到的信号中不含有此颗卫星的信号。 3.2 卫星列表中卫星捕获情况 卫星列表中卫星捕获情况 图5从直观上反映了初始值设定时选定的32颗卫星列表中被捕获到的卫星PRN号及其峰值比率等信息。 

表1详细给出了所捕获卫星的PRN、载波频率、多普勒频移和码相位。捕获后按照载噪比由高到低进行排列。 本文在并行码相位搜索算法的基础上设计了利用两相邻毫秒的数据进行捕获的算法，有效避免了导航数据跳变带来的影 响。针对C/A码的周期性，进行分组相干积分，进行捕获的同时，载波的频率分辨率也得到提高，并且减少了部分运算量。理 论和实验结果证实了该算法能实现对C/A码有效快速地捕获。 参考文献 参考文献 [1] AGARWAL N，BASCH J，BECKMANN P，et al.Algorithms for GPS operation indoors and downtown[J].GPS Solutions，2000(6)：149-160. [2] LIN D，TSUI J.Comparison of acquisition methods for software GPS receiver[C].ION GPS 2000，Salt Lake City，UT，2000. [3] KELLEY C，BARNES J，CHENG J.Open source GPS: open source software for learning about GPS[C].ION GPS 2002，Portland，OR,USA，2002. [4] LACHAPLELLE G.GNSS indoor location technologies[J]. Journal of Global Positioning Systems，2004，3（1/2）：2- 11. [5] MA C，JEE G，MAC G G，et al.GPS signal degradation modeling[C].ION GPS 2001，Salt Lake City，UT，2001. [6] MA C，LACHAPELLE G，CANNON M E.Implementation of a software GPS receiver[C].ION GNSS 2004，Long Beach，CA，2004. [7] TSUI J.Fundamentals of global positioning system receivers：a software approach[M].2nd ed.New York：John Wiley&Sons，2005. [8] 谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京：电子工业出版社，2009. [9] BORRE K，AKOS D M，BERTELSEN N，et al.A software-defined GPS and galileo receiver[M].National Defense Industry Press，2009.