高动态GPS CA码的快速捕获与跟踪技术

高动态GPSC/A码的快速捕获与跟踪技术程乃平王绍山（装备指挥技术学院测量控制系，北京101416）（装备指挥技术学院研究生队，北京101416）曲炜杨金奎（装备指挥技术学院训练部，北京101416）（西安卫星测控中心渭南七信箱，陕西渭南714000）究，介绍了一种高动态环境下的伪码快速捕获与跟踪算法。该算法既不占用太多的硬件资源，又显著改善了高动态GPS接收机C/A码的捕获速度与跟踪精度，大大提高了高动态GPS接收机的性能。

GPS信号是导航数据经直接序列扩频后，调制在载波频率为1575.42MHzh被发射出去的扩频信号，发射功率小，深埋于噪声之下，因而不易捕获和跟踪、而对它的捕获速度和跟踪精度又直接影响到GPS接收机的性能，这是高动态接收机设计中要解决的一个重要问题多普勒频率的不确定性使伪码的捕获和跟踪难度比普通GPS接收机大许多，因而必须对它在整个码相位和频率域上以固定间隔进行二维搜索。当伪码捕获成功后，就进入精确跟踪状态，进而实现载波跟踪及信号解调处理，得到导航电文进行定位解算1GPS信号捕获与跟踪数字系统GPS接收机中信号捕获与跟踪数字系统软硬件接口如所示。硬件主要包括解扩相关器，完成本地载波和C/A码的产生与混频、信号处理等功能；软件由码环算法载波环算法及数据解调算法等组成，完成捕获与跟踪闭合控制及数据解2码捕获、跟踪环路闭合控制算法使用C/A码捕获与跟踪环路的目的是使本地产生的复制C/A码与调制在载波上的C/A码同步，以实现相关解扩与码相位精确跟踪接收机产生的码相位和载波频率必须与接收到的码相位和载波频率相匹配，使得相关值高于信号检测域值，完成码捕获，进而才能进行跟踪与解扩。

2.1基于*大似然估计算法（MLE）的伪码串行捕获方法由划分了多普勒频带捕获范围的4个相关通道构成了接收机的快捕通道，其中的每个通道采用串行方式对伪码进行搜索。实际上本方案中的伪码串行捕获仍是基于时域（码相位）和频域（多普勒频移）两维空间进行的，只不过多普勒频率搜索范围被界定而减小了，这也是实现快捕的原因。研究表明在低信噪比环境下，*大似然估计算法是性能较好的一种伪码捕获方法它可同时进行时域和频域的二维搜索，但算法复杂性较高。而设计方案所用的硬件和算法相适应，许多运算可由硬件完成，这就使该算法的应用成为可能*大似然估计算法是基于利用基带C/A码信号的同相和正交采样值来对频率和延迟时间进行估计的将该算法应用于伪码捕获和载波频率跟踪，可在高动态环境中估算出距离和多普勒频移MLE算法中的相关运算、载波频率调整和码相位调整等都由硬件实现捕获算法、*大相关值检测和搜索控制逻辑等由软件完成GP2021相关器的输入为经过下变频的数字化中频GPS信号。在进行相关运算时，本地码发生器、载波DCO不断调整码相位与多普勒频移估值以产生与输入卫星信号相匹配的同相、正交信号若相关器采样速度足够快，则可假定第k次相关间隔内a和fd为常量（尽管未知），此时GP2021积分-清除滤波器在相关间隔末的输出为：噪声引入的同相、正交分量；Xk）=f（k）-/k）为为预检积分时间；Q（k）=Ahttp://www.21yibiao.com/news/d（k）。tk+Q为载波相位；ft为预检积分的起始时刻I（k），Q（k）是接近于相互独立的高斯随机变量信号检测采用包络检测器或功率检测器），1，待检测信号为由，假定d=2W环路控制量B（k）可由（4）式获得其中：e和l分别表示超前和滞后项若不考虑噪0时，则根据伪随机码相关特性，可推断码相位估计误差X（k）=，码相位达到精确同步；当B（k）0时，X（k）0，“暂态”点相位偏移，控制算法应调整本地信号发生器使相位偏移减小。常规DDLL中环路通常包含超前、暂态、滞后3个支路，相关器以二倍码率运行，相关间隔为1码片。本系统环路设计中采用了“虚拟暂态”（由软件实现），硬件开销节省了一个支路，而相关间隔由常规的1码片降低为0.5码片，有效地提高了C/A码的跟踪精度。由于PRN码是调制在载波上的，并具有相同的基频，因此当载波码相位偏差；r（：hil）为伪码理想赳相同步发生时。铺勒频移6可可精确地塍获得利用net法可提高检出码相关峰的能力，但也使伪码捕获时间加长通常以通道带宽作为扫描间隔频率的单元，本方案选取为500Hz；而兼顾提高捕获概率和获得较大相关值的需要，码片可选0.25码片或0.5码片等。

它进行一定的比例运算，可反馈码环跟踪以削弱多普勒频移对码率的影响，使得环路参数的选择能尽量满足噪声性能的要求3实现快速捕获的串并搜索方法为了兼顾捕获速度和设备复杂度的要求，本文设计的高动态GPS接收机快捕通道采用串并组合捕获方式由于在地球上任一地点、任一时间的可视卫星数主要介于扣8颗之间，因此本文所采用的12个通道就有冗余，可作他甩而接收机的多普勒频率搜索范围由接收机载体的*大运动速度Vi（由实际应用确定，当*大速度不可获得时，则以均方根速度代替）*大卫星多普勒频移（相对于静止的用户的“卫星视线运动速度”V2）及接收机晶振频偏Fc确定fL1将多普勒频率范围分为几个频段，分别由这些通道进行并行搜索每个通道采用串行的捕获方法，它们共同构成了接收机的快捕通道为了使初始载波频率落在某一个通道的主瓣内，并考虑自适应捕获门限测量和多普勒频率捕获范围的需要，这些通道主瓣捕获的中心频率间隔Af约为主瓣宽度的一半，通道捕获频段的划分如所信号捕获是判断输入信号是否与本地信号匹配的过程在伪码捕获前先确定码相位的初始位置和多普勒频移的粗略估计（若无这些先验信息则只能进行盲搜索），然后在由码相位搜索单元和多普勒频移搜索单元构成的二维搜索单元间滑动。搜索原理如所示由积分-清除器输出信号的幅度随码相位误差与多普勒漂移误差的减小而大捕获信号时必须考虑相位及载频的步进量，以免因步进量太大而滑过了真实信号在滑动相关捕获过程中，通过减小多：普勒频移扫描间隔和伪码扫描间隔GPS信号搜索原理示意图GPS信号深埋于噪声之下且是信噪比很低的微弱信号，因此采取序贯搜索是合适的。信号的捕获过程就是对所有可能的信号搜索单元按照一定的搜索算法进行搜索判决，确定信号是否出现的过程。序贯搜索即对多个二维信号搜索单元依次进行判决。其过程为：调整接收机本地信号发生器的码相位与多普勒频移估计值，使信号对准某一搜索单元，若信号捕获成功，则搜索停止而码跟踪启动；若信号被否决，则码相位步进一单元，直到整个码域搜索完毕若信号仍未捕获，则多普勒频移步进一单元，重复上述过程。

采用适当的载波多普勒频移扫描图案（即为多普勒频移搜索单元的搜索顺序），可以降低伪码捕获时间常用的扫描图案有顺序扫描方式和逐次逼近扫描方式前者就是对多普勒频移搜索单元进行顺序搜索的扫描方式，后者则是在起始单元的两侧依次进行搜索的扫描方式，它主要考虑了多普勒频移的正负关系研究表明，当输入信号处于信噪比是变化未知的高动态环境中时，逐次逼近多普勒频移扫描方式的伪码捕获平均速度比顺序扫描方式快，本方案就是采取这种扫描方式信号捕获就是将相关处理后信号包络H（k）与门限V；比较，判断信号是否出现在当前搜索单元的过程对扩频伪码的捕获判决有多种方法，其中二元单次算法M/N搜索算法和（1+M/N）搜索算法均为停顿次数固定（即对于每一搜索单元进行判决时，确定信号出现与否所花费的时间为某一固定值的情况），且适合信噪比较高场合的算法。停顿次数可变的搜索算法对信噪比变化的适应能力较强，其描述为：设定向上向下计数器L的*大值为Y，并初始化计数器值为X，若H（k）下减1；当Y时判定信号捕获成功，当0时信号捕获被否决对于本文所设计的高动态GPS接收机，将停顿次数可变的搜索算法和输入信号的信噪比相结合，在检测概率虚警概率和检测速度等方面获得*佳效果。

4小结本文对高动态GPS接收机信号中的伪码快速捕获与跟踪技术进行了分析，设计了信号捕获与跟踪码环基于专用的射频前端接收模块、通道处理模块与TMS320C33信号处理器的高动态GPS接收机数字系统，验证了上述算法的正确十性控制量的提取及算法的实现由软硬件共同完成，具有较好的灵活性和抗干扰性