基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信号快速捕获算法研究

孙艳菱

（长江师范学院,重庆,408100）

基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信号快速捕获算法研究

孙艳菱

（长江师范学院,重庆,408100）

在科学技术快速发展的背景下，GPS技术得到了广泛的应用，在GPS系统运行过程中其稳定性与便捷性得到了广泛的关注，其中的信号快速捕获直接影响着其对卫星捕获的速度，特别是在卫星信号新增后，为了实现对双频GPS信号的接收，GPSL1/L2C信号快速捕获算法得到了全面的研究，本文根据GPSL1/L2C信号快速捕获算法的现状，主要介绍了基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信号快速捕获算法，旨在提高信号快速捕获的准确性。

分段FFT算法；GPSL1/L2C信号；快速捕获算法

0 引言

全球定位系统即GPS，它在众多领域均扮演着重要的角色，特别是在军事方面，其作用日益显著。在先进科学技术的支持下，GPS接收机转变为了频用软件接收机，它最突出的优势为低成本与灵活性。软件接收机在运用过程中，其中最为核心的基础为信号快速捕获，目前，GPS采用了双频信号，此时信号的跟踪需要捕获双信号，但传统的信号捕获方法存在不足，如：较大的计算量与较大的存储空间占用，同时未能与软件接收机实现有效的结合，为了改变此现状，提出了基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信号快速捕获算法，该算法不仅计算量相对较少，同时还释放了大量的存储空间，并且与软件接收机实现了有效的联系，进而保证了信号快速捕获的高效性，满足了各个领域的实际需求。

1 GPSL1/L2C信号快速捕获算法的概况

1.1 GPS双频信号的运用

现阶段，在军事与民用等领域对GPS均有着较高的要求，为了进一步提高其定位性能，使其满足实际运用的需求，在GPS卫星上进行了信号的添加，新信号分别为L1信号与L2C信号。在此背景下，软件接收机需要对GPS的双频信号进行跟踪，此时需要对两种信号的C/A码或者CM、CL码进行快速捕获，但与C/A码相比，CM、CL码的长度相对较长，分别是其10倍与750倍，此时对于L2C信号的直接捕获，不仅需要较长的时间，还难以保证其准确性，因此在软件接收机中难以通过直接捕获的方法实现捕获。同时，对于GPS双频信号而言，为了保证对其捕获的准确性与灵活性，对于算法有着较高的要求，此时的算法难度较高，在复杂的算法下，其计算量随之增多。面对此情况，GPS双频信号快速捕获算法的改进得到了广泛的关注，在实际研究过程中，要注重捕获的高效与准确，同时要尽可能地控制捕获算法的计算量，还要保证捕获算法的最短时间。

1.2 双频信号快速捕获算法的现状

当前，GPSL1/L2C信号的快速捕获算法难以满足实际定位的需求，此时的直接捕获算法缺少准确性、便捷性与高效性，因此，针对对现有的捕获算法要进行改进。

软件接收机在对同一颗卫星的信号进行捕获时，认识到了不同信号的相关性，通过L1信号与L2C信号，获取了其码的初始相位及多普勒频率。但在捕获时，一旦信号中的码相位和本地复制的码相位存在差异，即便相差1个码片，此时的峰值也将消失。因此，在对信号进行捕获时，仅依靠L1信号的C/A码相位，难以实现对L2C信号码相位的准确推断。与此同时，对于两种信号的多普勒频率而言，二者的载波误差值相对较小，此时二者的多普勒频率具有一定的联系，并且保持着严格的比例关系。在此基础上，对于L2C信号的捕获，可以借助L1信号的多普勒频率，以此实现了对L2C信号多普勒频率的确定。

关于GPSL1/L2C信号快速捕获的研究，最为关键的问题为捕获速度的提高，其中影响捕获速度的因素为信号码的长度，通过前文可知，L2C信号的码长度相对较长。在时分复用作用下，CL码的长度达到了1534500个码片，在实际采样过程中，其码长基本为CL码长的2倍，在对信号进行捕获计算时面对如此长的码长度，其计算量相对较大，同时也占用了大量的存储空间，因此，当前的信号快速捕获算法未能适合软件接收机的实际需求。

根据上述的分析可知，捕获计算的速度受码相位与多普勒频率的影响，如果二者有所减少则会促进捕获速度的提高。同时，整段FFT捕获算法存在一定的不足，为了有效解决上述问题，本文提出了新的算法，即：分段FFT算法。在分段FFT技术的支持下，L1信号辅助了L2C信号，同时L2C信号的码相位与多普勒频率均有所减少，在此基础上，快速捕获计算具有了高效性与准确性，并且软件接收机对双频信号的捕获具有了精准性。

2 基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信号快速捕获算法

2.1 算法的步骤

L1信号辅助L2C信号实现了捕获计算，其算法的步骤主要分为四个阶段，具体内容如下：

第一阶段，主要是对L1信号的C/A码进行捕获。此时的捕获面对两种情况，一种为有信号，另一种为弱信号。面对第一种情况时，要对L1信号的多普勒频率及C/A码的初始相位进行计算，此后进行第二阶段计算。面对第二种情况时，未能实现对信号的有效捕获，此时程序会转变为弱信号捕获，此时的捕获需要具有较高的灵敏度，进而获取了L1信号的多普勒频率及C/A码的初始相位，如果信号存在则在计算后便可以进行第二阶段的计算，如果信号没有则要转出程序。

第二阶段，主要是对L1信号的捕获结果进行利用，以此辅助L2C信号的捕获，此时需要对L1信号的多普勒频率进行计算，在可靠辅助信息的支持下，对于L2C信号的捕获才能够更加准确与高效。对于同一颗卫星而言，其发射的两个信号，分别为L1信号和L2C信号，此时卫星和接收机的相对运动速度和卫星运动速度二者相同，因此，卫星发射载波频率直接影响多普勒频率。通过计算可知，L2C信号的多普勒频率为2πfoppler_L2。

第三阶段，主要是对L2C信号的CM码进行捕获，在上一个阶段明确了L2C信号的多普勒频率与CM码相位范围，通过对CM码初始相位的一维搜索便是实现对L2C信号码相位的计算。根据L1信号和L2C信号二者间的码相位关系，对于L2C信号的码相位搜索范围相对较小，在计算时需要借助多个码初始相位，但为了促进计算量的减少，需要对FFT的长度进行限制，同时还要利用连续积分，此时的连续积分要保证较短的长度。在对连续积分截断后，其中部分积分的计算可以借助补零圆周的技术，并且圆周算法基本为补零或者重叠舍弃法。

2.2 算法的优势

针对直接捕获算法存在的不足，本文提出了基于分段FFT的GPS L1/L2C信号快速捕获算法，该算法主要是缩短了计算的时间，促进了计算速度的提高，此算法的优势十分显著，主要体现在时间与空间两方面，下文将此算法与直接捕获算法二者进行比较。

在时间方面，分段FFT算法最为显著的优点便是促进了计算量的减少，通过简化分析，其计算的对象为模块，在实际计算过程中，仅需要对各个计算模块进行相乘或者相加即可。通过两种算法的比较可知，直接捕获算法需要较长的计算时间，其计算量相对较大，但分段FFT算法，将L2C信号的码进行了分段，利用模块从而简化了计算的时间复杂度，使计算时间得到了大幅度的缩减。

在空间方面，捕获计算时对存储空间有着一定的要求，在对不同计算法进行比较时，为了明确二者的差异，对主要数据的存储单元数目进行了统计。直接捕获算法需要对FFT计算结果进行存储，此时计算的多普勒搜索范围在-5kHz到+5kHz，而分段FFT算法需要对FFT计算结果进行存储，此时计算的多普勒搜索范围在-5kHz到+5kHz。通过对二者的比较可知，后者的存储空间相对较少，同时，在分段数目逐渐增加的情况下，该算法的存储空间得到了大幅度的节省，其优势十分显著。

3 总结

综上所述，本文主要研究了基于分段FFT算法的GPSL1/L2C信号快速捕获算法，该算法弥补了直接捕获算法的不足，在运算速度、准确性及存储空间等方面均有着较大的改进，它满足了双频信号精准捕获的需求，促进了GPS技术的进一步发展。相信，在先进技术的支持下，GPS的作用将更加显著，其应用的领域将更加广泛。

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[2] 杨明轩.高动态GPS信号的快速捕获与跟踪方法研究[D].电子科技大学,2013.

[3] 李恺冰.高动态GPS信号捕获算法研究及仿真实现[D].哈尔滨理工大学,2014.

[4] 曾庆喜,王庆,朱国良,潘树国.一种基于FFT的GPS信号快速捕获算法[J].舰船电子工程,2008,03:70-72+179.

孙艳菱.女.硕士学历.职称讲师.单位长江师范学院.研究方向电子科学与技术

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

重庆市教委2010年度科学技术研究资助项目,项目编号：KJ101312,主持人：孙艳菱

项目名称：基于GPS的实时FFT IP核的开发设计