２００７年４月 第４３卷第４期 铁道通信信号 ＲＡＩＬＷＡＹ ＳＩＧＮＡＬＬＩＮＧ＆Ｃ０ＭＭＵＮＩＣＡＴ１０Ｎ Ａｐｒｉｌ．２００７ Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．４
提高ＧＰＳ卫星数字中频信号捕获性能的方法
唐峻 蔡柏根
摘要：ＧＰＳ卫星发射的信号处于以加性高斯白噪声ＡＷＧＮ为干扰的背景下，若载噪比ＣＮＲ较
差，可能会使接收机一直都处于失捕状态，满足不了某些实时性定位应用的要求。为此，对现有
的一种捕获方法——ＦＦＴ相关法进行数值改进，以减小错捕、漏捕概率，并在若干个捕获周期
都失捕的情况下，提出了应对的捕获措施，增大重新捕获的概率，以提高系统的可靠性。
关键词：ＧＰＳ卫星定位技术，捕获措施，中频信号
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｆ ｔｈｅ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｃａｒｒｉｅｒ ａｎｄ ｎｏｉｓｅ ｉｓ ｎｏｔ ｈｉｇｈ ｅｎｏｕｇｈ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ＧＰＳ ｓａｔｅｌ—
ｌｉｔｅｓ ａｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅ ｏｆ ｗｈｉｔｅ Ｇａｕｓｓｉａｎ ｎｏｉｓｅ。ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｍａｙ ｂｅ ａｌｗａｙｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ
ｎｏ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｕｌｄ ｎｏｔ ｓａｔｉｓｆｙ ｔｈｅ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｌｏｃａｔｉｏｎ．Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，ｗｅ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ａｎ
ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ，ｗｈｉｃｈ ｍａｄｅ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ＦＦＴ ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ
ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｂｙ ｍｉｓｔａｋｅ ｏｒ ｎｏ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ．Ａｎｄ ａｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｓｅ ｏｆ ｎｏ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｎ
ｓｅｖｅｒａｌ ｐｅｒｉｏｄｓ，ｗｅ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ａ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｏ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｒｅ—ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｔｏ ｅｎｈａｎｃｅ
1 第4章 GPS卫星信号
GPS卫星定位测量通过用户接收机接收GPS卫星发射的信号来测定测站坐标。GPS卫星信号包括测距码信号、导航电文或称D码（数据码信号）和载波信号。
4.1 GPS卫星的测距码信号
GPS卫星发射的测距码信号包括C/A码和P码，它们都是二进制伪随机噪声序列，具有特殊的统计性质。本节从码 的基本概念入手，介绍伪随机噪声序列及其产生，以及C/A码和P码的产生及其特征，并简要介绍码相关伪距测量原理。
一、码的基本概念
码是指表达信息的二进制数及其组合；其中每1位二进制数称为1个码元或叫1比特（bit），它是码（或信息量）的度量单位；如果将各种信息通过量化并按某种规则表示为二进制数的组合形式，称此过程为编码，也即信息的数字化；在二进制数字化信息的传输中，每秒钟传输的比特数称为数码率，表示数字化信息的传输速度，单位为bit/s（或记为BPS）。一组二进制数的码序列可以看作是以0或1为幅度的时间函数，以u（t）表示。
若一组码序列u（t）在时刻t码元取0或1完全是随机的，但其出现的概率均为1/2，则称这种码元幅值完全无规律的码序列为随机噪声码序列，其特点是非周期性、无法复制且自相关性良好。
自相关性指两个结构相同的码序列的相关程度，常由自相关函数描述。若具有相同结构的两个随机噪声码序列u(t)和tu~的对应码元中码值相同的码元个数为Su，码值相异的码元个数为Du，则它们的自相关函数R（t）可表示为
uuuuDSDStR)( （4-1）
根据R（t）的取值，即可确定两个随机噪声码序列是否相关，或两个码序列的相应码元是否已完全对齐。GPS测距码的良好自相关性是GPS测码伪距测量的关键因素。
二、伪随机噪声码及其产生
1、伪随机噪声码
虽然随机噪声码序列具有良好的自相关特性，但其非周期性使其无法复制和利用。GPS采用一种伪随机噪声码（PRN），不仅具有类似随机噪声码的良好自相关特性，而且具有确定的编码规则，是可以复制的码序列。实际应用中，伪随机噪声码是由多级反馈移位寄存器产生。
第２０卷
Ｖｏ１．２０ 第８期 Ｎｏ．８ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎ ２０１２年４月 ＡＤｒ．２０１２
ＧＰＳ信号快速捕获技术研究及仿真
于雪晖，徐京，柳涛
（北京卫星信息工程研究所北京１０００８６）
摘要：为提高ＧＰＳ信号的捕获速度。研究了基于快速傅里叶变换的并行码相位快速捕获技术，在原算法的基础上进
行了二级处理，对频率细化从而减小了相关值衰减，使其更适用于工程应用。采用该技术在频域计算输入信号与本地
信号的相关值．并得到相关峰值所对应的载波频率和码相位。Ｍａｄａｂ仿真结果表明，该技术可以成功的捕获ＧＰＳ卫
星的Ｃ／Ａ码信号并减少运算量．乘法和加法的运算次数是传统顺序搜索算法的０．ｎ２ ３％和０．２１５ ７％。有效的缩短
了信号捕获时间。
关键词：ＧＰＳ卫星；快速捕获：载波频率；码相位
中图分类号：ＴＮ９２７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１２）０８—０１５０—０３
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ｆａｓｔ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ＧＰＳ ｓｉｇｎａｌ
ＹＵ Ｘｕｅ・ｈｕｉ，ＸＵ Ｊｉｎｇ，ＬＩＵ Ｔａｏ
（Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ａｃｃｅｌｅｒａｔｅ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ＧＰＳ ｓｉｇｎａｌ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｄｅ—ｐｈａｓｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｉｓ
ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｎｄ ａ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｉｓ ｔａｋｅｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ．Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｐａｃｅ ｉｓ ｍａｄｅ ｓｍａｌｌｅｒ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ
《卫星导航系统》
试卷（第七讲）
1、GPS信号捕获是码相位空间和多普勒频移空间的二维搜索，它利用了
C/A码良好的________和________。
2、名词解释：信噪比。
3、接收机的主要任务是什么？请简要进行描述。
4、GPS信号捕获需要解决的三个问题？5、射频前端的主要功能。
6、GPS信号的捕获过程，请简要进行描述。
7、接收机天线的作用。《卫星导航系统》
试卷答案（第七讲）
1、自相关性、互相关性
2、信噪比：信号的质量通常用信噪比（SNR）来衡量：RPSNRN=，RP信号功
率，N噪声功率。
3、接收机的主要任务是什么？请简要进行描述。
答：当GPS卫星在用户视界升起时，接收机能够捕获到按一定卫星截止
高度角所选择的待测卫星，并能够跟踪这些卫星的信号；对接受到的GPS
信号进行变换、放大和处理，测量出信号从卫星到接收天线的传播时间，
解释出卫星所发送的导航电文，实时地计算出接收机的三维位置、三维速
度和时间。
4、GPS信号捕获需要解决的三个问题？答：检测接收信号中是否有可用的GPS卫星；估计可用GPS卫星信号的C/A码相位；估计可用GPS卫星信号的载波多普勒频移。
5、射频前端的功能：将GPS射频信号变换为信号处理器工作范围内的中频
数字信号。在这个过程中射频前端尽可能对其他干扰进行有效地抑制，同
时将接收信号电平提高到信号处理器可工作的电平，并提供一定的信号变
化动态范围。
6、GPS信号的捕获过程，请简要进行描述。
答：由于接收机中包含了所有可视卫星的信号，接收机首先产生某颗卫星特定C/A码，通过对本地码相位和载波相位的不断调整，使其与接收信号《卫星导航系统》
的码相位和载波频率的误差保持在一定的范围内。如果接收信号中包含这颗卫星的信号，由于C/A码的强自相关性，将出现相关峰，通过对相关峰值的检测来提取对应的码相位和载波频率，完成信号的捕获。
7、接收机天线的作用。
接收机天线是GPS接收机处理卫星信号的首个器件，它将接收到的GPS
