基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信號快速捕獲算法研究

孫艷菱

（長江師范學院,重慶,408100）

基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信號快速捕獲算法研究

孫艷菱

（長江師范學院,重慶,408100）

在科學技術快速發展的背景下，GPS技術得到了廣泛的應用，在GPS系統運行過程中其穩定性與便捷性得到了廣泛的關注，其中的信號快速捕獲直接影響著其對衛星捕獲的速度，特別是在衛星信號新增后，為了實現對雙頻GPS信號的接收，GPSL1/L2C信號快速捕獲算法得到了全面的研究，本文根據GPSL1/L2C信號快速捕獲算法的現狀，主要介紹了基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信號快速捕獲算法，旨在提高信號快速捕獲的準確性。

分段FFT算法；GPSL1/L2C信號；快速捕獲算法

0 引言

全球定位系統即GPS，它在眾多領域均扮演著重要的角色，特別是在軍事方面，其作用日益顯著。在先進科學技術的支持下，GPS接收機轉變為了頻用軟件接收機，它最突出的優勢為低成本與靈活性。軟件接收機在運用過程中，其中最為核心的基礎為信號快速捕獲，目前，GPS采用了雙頻信號，此時信號的跟蹤需要捕獲雙信號，但傳統的信號捕獲方法存在不足，如：較大的計算量與較大的存儲空間占用，同時未能與軟件接收機實現有效的結合，為了改變此現狀，提出了基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信號快速捕獲算法，該算法不僅計算量相對較少，同時還釋放了大量的存儲空間，并且與軟件接收機實現了有效的聯系，進而保證了信號快速捕獲的高效性，滿足了各個領域的實際需求。

1 GPSL1/L2C信號快速捕獲算法的概況

1.1 GPS雙頻信號的運用

現階段，在軍事與民用等領域對GPS均有著較高的要求，為了進一步提高其定位性能，使其滿足實際運用的需求，在GPS衛星上進行了信號的添加，新信號分別為L1信號與L2C信號。在此背景下，軟件接收機需要對GPS的雙頻信號進行跟蹤，此時需要對兩種信號的C/A碼或者CM、CL碼進行快速捕獲，但與C/A碼相比，CM、CL碼的長度相對較長，分別是其10倍與750倍，此時對于L2C信號的直接捕獲，不僅需要較長的時間，還難以保證其準確性，因此在軟件接收機中難以通過直接捕獲的方法實現捕獲。同時，對于GPS雙頻信號而言，為了保證對其捕獲的準確性與靈活性，對于算法有著較高的要求，此時的算法難度較高，在復雜的算法下，其計算量隨之增多。面對此情況，GPS雙頻信號快速捕獲算法的改進得到了廣泛的關注，在實際研究過程中，要注重捕獲的高效與準確，同時要盡可能地控制捕獲算法的計算量，還要保證捕獲算法的最短時間。

1.2 雙頻信號快速捕獲算法的現狀

當前，GPSL1/L2C信號的快速捕獲算法難以滿足實際定位的需求，此時的直接捕獲算法缺少準確性、便捷性與高效性，因此，針對對現有的捕獲算法要進行改進。

軟件接收機在對同一顆衛星的信號進行捕獲時，認識到了不同信號的相關性，通過L1信號與L2C信號，獲取了其碼的初始相位及多普勒頻率。但在捕獲時，一旦信號中的碼相位和本地復制的碼相位存在差異，即便相差1個碼片，此時的峰值也將消失。因此，在對信號進行捕獲時，僅依靠L1信號的C/A碼相位，難以實現對L2C信號碼相位的準確推斷。與此同時，對于兩種信號的多普勒頻率而言，二者的載波誤差值相對較小，此時二者的多普勒頻率具有一定的聯系，并且保持著嚴格的比例關系。在此基礎上，對于L2C信號的捕獲，可以借助L1信號的多普勒頻率，以此實現了對L2C信號多普勒頻率的確定。

關于GPSL1/L2C信號快速捕獲的研究，最為關鍵的問題為捕獲速度的提高，其中影響捕獲速度的因素為信號碼的長度，通過前文可知，L2C信號的碼長度相對較長。在時分復用作用下，CL碼的長度達到了1534500個碼片，在實際采樣過程中，其碼長基本為CL碼長的2倍，在對信號進行捕獲計算時面對如此長的碼長度，其計算量相對較大，同時也占用了大量的存儲空間，因此，當前的信號快速捕獲算法未能適合軟件接收機的實際需求。

根據上述的分析可知，捕獲計算的速度受碼相位與多普勒頻率的影響，如果二者有所減少則會促進捕獲速度的提高。同時，整段FFT捕獲算法存在一定的不足，為了有效解決上述問題，本文提出了新的算法，即：分段FFT算法。在分段FFT技術的支持下，L1信號輔助了L2C信號，同時L2C信號的碼相位與多普勒頻率均有所減少，在此基礎上，快速捕獲計算具有了高效性與準確性，并且軟件接收機對雙頻信號的捕獲具有了精準性。

2 基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信號快速捕獲算法

2.1 算法的步驟

L1信號輔助L2C信號實現了捕獲計算，其算法的步驟主要分為四個階段，具體內容如下：

第一階段，主要是對L1信號的C/A碼進行捕獲。此時的捕獲面對兩種情況，一種為有信號，另一種為弱信號。面對第一種情況時，要對L1信號的多普勒頻率及C/A碼的初始相位進行計算，此后進行第二階段計算。面對第二種情況時，未能實現對信號的有效捕獲，此時程序會轉變為弱信號捕獲，此時的捕獲需要具有較高的靈敏度，進而獲取了L1信號的多普勒頻率及C/A碼的初始相位，如果信號存在則在計算后便可以進行第二階段的計算，如果信號沒有則要轉出程序。

第二階段，主要是對L1信號的捕獲結果進行利用，以此輔助L2C信號的捕獲，此時需要對L1信號的多普勒頻率進行計算，在可靠輔助信息的支持下，對于L2C信號的捕獲才能夠更加準確與高效。對于同一顆衛星而言，其發射的兩個信號，分別為L1信號和L2C信號，此時衛星和接收機的相對運動速度和衛星運動速度二者相同，因此，衛星發射載波頻率直接影響多普勒頻率。通過計算可知，L2C信號的多普勒頻率為2πfoppler_L2。

第三階段，主要是對L2C信號的CM碼進行捕獲，在上一個階段明確了L2C信號的多普勒頻率與CM碼相位范圍，通過對CM碼初始相位的一維搜索便是實現對L2C信號碼相位的計算。根據L1信號和L2C信號二者間的碼相位關系，對于L2C信號的碼相位搜索范圍相對較小，在計算時需要借助多個碼初始相位，但為了促進計算量的減少，需要對FFT的長度進行限制，同時還要利用連續積分，此時的連續積分要保證較短的長度。在對連續積分截斷后，其中部分積分的計算可以借助補零圓周的技術，并且圓周算法基本為補零或者重疊舍棄法。

2.2 算法的優勢

針對直接捕獲算法存在的不足，本文提出了基于分段FFT的GPS L1/L2C信號快速捕獲算法，該算法主要是縮短了計算的時間，促進了計算速度的提高，此算法的優勢十分顯著，主要體現在時間與空間兩方面，下文將此算法與直接捕獲算法二者進行比較。

在時間方面，分段FFT算法最為顯著的優點便是促進了計算量的減少，通過簡化分析，其計算的對象為模塊，在實際計算過程中，僅需要對各個計算模塊進行相乘或者相加即可。通過兩種算法的比較可知，直接捕獲算法需要較長的計算時間，其計算量相對較大，但分段FFT算法，將L2C信號的碼進行了分段，利用模塊從而簡化了計算的時間復雜度，使計算時間得到了大幅度的縮減。

在空間方面，捕獲計算時對存儲空間有著一定的要求，在對不同計算法進行比較時，為了明確二者的差異，對主要數據的存儲單元數目進行了統計。直接捕獲算法需要對FFT計算結果進行存儲，此時計算的多普勒搜索范圍在-5kHz到+5kHz，而分段FFT算法需要對FFT計算結果進行存儲，此時計算的多普勒搜索范圍在-5kHz到+5kHz。通過對二者的比較可知，后者的存儲空間相對較少，同時，在分段數目逐漸增加的情況下，該算法的存儲空間得到了大幅度的節省，其優勢十分顯著。

3 總結

綜上所述，本文主要研究了基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信號快速捕獲算法，該算法彌補了直接捕獲算法的不足，在運算速度、準確性及存儲空間等方面均有著較大的改進，它滿足了雙頻信號精準捕獲的需求，促進了GPS技術的進一步發展。相信，在先進技術的支持下，GPS的作用將更加顯著，其應用的領域將更加廣泛。

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孫艷菱.女.碩士學歷.職稱講師.單位長江師范學院.研究方向電子科學與技術

Research on fast acquisition algorithm of GPSL1/L2C signal based on segmented FFT algorithm

Sun Yanling
(Yangtze Normal University Chongqing,408100)

Under the background of the rapid development of science and technology,GPS technology has been widely used.In the operation process of GPS system stability and convenience has been widespread concern, the signal fast acquisition directly affects the speed of satellite captured,especially in new satellite signal,in order to achieve of the dual frequency GPS signal receiving,signal GPSL1/L2C fast capture algorithm has been a comprehensive study,the status of this paper according to the signal of the GPSL1/ L2C fast acquisition algorithm,mainly introduced the based on piecewise GPSL1/L2C signal FFT algorithm fast acquisition algorithm,aiming to improve accuracy of fast signal acquisition.

segmented FFT algorithm;GPSL1/L2C signal;fast acquisition algorithm

重慶市教委2010年度科學技術研究資助項目,項目編號：KJ101312,主持人：孫艷菱

項目名稱：基于GPS的實時FFT IP核的開發設計