GPS接收机信号捕获及其仿真

对双模接收机而言，低信噪比环境下的卫星信号捕获依 然是接收机的难点，当前在捕获弱信号方面，主要的处理方法
有相关累加、非相关累加、差分相关累加等陆＂，这些算法在捕 获弱信号方面显示出了一定的优势，但也存在一定的问题，还 没有形成通用的方法。从信号处理流程的角度出发，给出了 ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ双模接收机的系统总体设计方案，并采用相关 累加结合非相关累加算法和码平均相位法对ＧＰＳ信号和 ＧＬＯＮＡＳＳ信号进行了捕获，结果证明该接收机能够完成低信 噪比环境下的双模定位。
此种模型的建立完成了基于情感进行乐器建模的部分工 作，有助于利用计算机直接合成悲伤型乐曲。使得作曲家们 以后在作悲伤型曲目时大幅降低了试听所作曲目的成本并大 幅提高作曲所用音色的灵活性（可微调包络参数或者频率参 数），发挥了计算机音色丰富多彩的特性ｍ。在基于情感的音 乐检索上，此模型有助于对音频内容的区别划分，对检索提供 了一定的指导作用唧。
ＬＩＵ Ｙｕ，ＺＯＵⅪ哩．Ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｎ ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ ｒｅｃｅｉｖｅｒ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ ＡｐｐＨｃａ－ ｔｉｏｎｓ。２０１１。４７（１）：１５４－１５５．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：硼１ｅ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｓ ｏｎ ｄｏｕｂｌｅ ｍｏｄｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｃｏｍｅ ｈｏｔ ｐｏｉｎｔｓ ｗｈｅｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｃｏｎｓｔｅｌｌａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ ａｒｅ ｃｏｍｐｌｅｔ－
摘要：随着多星座系统的组建完成，双模接收机已经成为了研究的热点．给出了ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ双模接收机的总体设计方案， 重点研究了低信噪比环境下ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ信号捕获，采用基于快速捕获的ＦＦＴ算法和相关累加结合非相关累加捕获算法分别 对ＧＬＯＮＡＳＳ信号和ＧＰＳ信号进行检测。利用真实数据对双模接收机的信号捕获算法进行了仿真分析，结果表明双模接收机能 够捕获低信噪比环境下的卫星导航信号，提高了接收机的灵敏度。 关键词：弱信号；双模；灵敏度；捕获 ＤＯＩ：１０．３７７８／ｊ．ｉｓｓｎ．１００２．８３３１．２０１１．０１．０４２ 文章编号：１００２．８３３１（２０１１）０１．０１５４．０２ 文献标识码：Ａ 中图分类号：ＴＮ９６７．２
万方数据
刘毓，邹星：ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ接收机信号捕获及其仿真
２０１ｌ，４７（１）
１５５
ｓ。（，）＝√驴·ｃ（ｒ）巩（ｆ）ｃｏｓ（２兀（Ｚ＋搠·ｏ．５６２ ５·１０６）ｆ＋妒）（１）
其中，Ｐ表示信号能量，ｃ（ｆ）为ＰＲＮ码，Ｄ，（ｆ）为导航数据，Ｚ＝ １ ６０２．０ ＭＨｚ为ＧＬＯＮＡＳＳ信号的基频，ｐ为初始相位。
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嗍８ Ａｕｅｏｕｔｕｒｉｅｒ Ｊ Ｊ，Ｐａｃｈｅｔ Ｆ，Ｓａｎｄｉｅｒ Ｍ．＂Ｔｈｅ ｗａｙ ｉｔ ｓｏｕｎｄｓ”：Ｔｉｍ－ ｂｒｅ ｍｏｄｅｌｓ ｆｏｒ ａｎａＩｙｓｉｓ ａｎｄ ｆｅ廿ｉｅｖａｌ ｏｆ ｍｕｓｉｃ ｓｉｇｎａｌｓ［ｆ１．ＩＥＥＥ
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采用平均相位法完成对ＧＬＯＮＡＳｓ信号的捕获，基本思路 为：采样频率设置为３９ ＭＨｚ，对５１２点进行ＦＦＴ计算。采用平 均抽样的方法将输入的３９ ０００点平均抽样到５ １２点，如果选取 起始抽样点准确，５１２点抽样可以代表原来的３９ ０００点。由 于不知道哪个抽样点作为起始点可以更好地代表原来的码序 列，所以需要做７６次ＦＦＴ。算法流程如下：
Ｑｆ＿丽ｓｉｎ（饨Ａｆ，Ｔ）慝艘ｎ）Ｄｉ ｓｉｎ（Ａｑｌ）＋如 （４）
令，ｆ和Ｑｆ分别表示接收机ｌ ｎｌｓ积分累积的同相分量和 正交分量结果。相干累加结合非相干累加法的捕获判决函数 可以表示为：
‰∽，面Ｄ）＝∑“∑五如，面Ｄ）】２＋【∑Ｑ，ｏ，面Ｄ）】２）（５）
其中，工为相关累加时间，Ｍ表示非相关累加的段数。
图２为ＧＰＳ通道的检测结果，从图２（ａ）中可以看出，在信 噪比为一３５ ｄＢ的环境下，通过１０ｍｓ的相关累加和１０次的非 相关累加，ＧＰＳ信号的载波多普勒频率和Ｃ／Ａ码相位能够被成 功地检测，此时最大有效相关蜂的幅度远远大于噪声的幅 度。图２（ｂ）为ＧＰＳ通道的信号检测概率随信噪比的变化情 况，从图２（ｂ）可以看出，随着信噪比和非相关累加次数的增加 信号的检测概率也随之提高，在非相关累加次数为１０的情况 下，当信噪比为一２９ ｄＢ时其检测概率能达到Ｏ．９０，当信噪比 为一２７ｄＢ时其检测概率能达到１。但在实际应用中，非相关
ＧＰＳ基带处理单元采用相关累加结合非相关累加对ＧＰＳ 信号进行捕获，ＧＬＯＮＡＳＳ基带处理单元采用码平均相位法对 ＧＬｏＮＡｓｓ信号进行捕获。 ３．１码平均相位法
ＧＬＯＮＡＳＳ处理单元的基带信号数学模型为：
作者简介：刘毓（１９７７一），男。硕士，主研领域为雷达信号处理、高灵敏度ＧＰＳ定位技术；邹星（１９７８一），男．硕士，主研领域为卫星导航定位系统。 收稿日期：２０１０．０９．０２馁回日期：２０１０－１１．１１
２系统设计方案
ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ双模接收机主要由Ｌ／Ｓ双频段有源接收 天线、电源模块、时钟电路、ＧＰＳ射频通道单元、ＧＬＯＮＡＳＳ射 频通道单元以及联合解算单元等组成。接收机系统组成如图１ 所示。
｛箜划堇筵鐾卜 篓
懦料铸 鑫 息输出 羹 图１ ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ双模接收机总体框图
３基带信号捕获算法研究
１５４
２０１１，４７（Ｉ）
ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用
ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ接收机信号捕获及其仿真
刘毓，邹星
ＬＩＵ Ｙｕ，ＺＯＵ Ｘｉｎｇ
重庆三峡学院物理与电子工程学院，重庆４０４０００ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ Ｔｈｒｅｅ Ｇｏｒｇｅｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０４０００，Ｃｈｉｎａ Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｙｕ４１８＠１２６．ｃｏｒｎ
万方数据
（ａ）捕获结果（信噪比为一３５ ｄＢ）
信嗓比，∞ （ｂ）捕获概率 图３ ＧＬ∞队ｓｓ通道检测结果图
（下转１５８页）
１５８
２０１１，４７（１）
ＣｏｍｐｕｔｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ计算机工程与应用
５结束语 实际上是对基于情感的“写”出声音的研究，此种研究可
大大降低传统“录”出声音的成本。通过对悲伤型乐器的乐音 样本采集，对频谱和包络特性进行分析，建立了悲伤型乐器的 模型并用自制的软件验证了其正确性。
１前言 目前世界上建成并且已经得到广泛应用的全球卫星导航
系统主要有美国的ＧＰＳ系统、俄罗斯的ＧＬＯＮＡＳＳ系统。由 于两种卫星系统的星座规模有限，提供的卫星定位服务的精 度、可靠性、安全性和可用性ｎ’有时无法得到保障，甚至难以满 足导航定位的要求。而进行多星座组合则可大大提高可见卫 星的数目，组成更好的卫星几何分布，降低精度稀释因子，为 定位精度的提高提供了可能，并且多星座组合使得星座的冗 余度提高，也能够保证定位精度的可靠性，因此，双模接收机 甚至多模接收机已经引起了广泛的关注，成为了研究的热点。
ｇｏｄｔｈｍ ａｎｄ ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ、析也ｎｏｎ－ｃｏｈｅｒｅｎｔ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ．Ｆｉｎａｌｌｙ．ｓｉｇｎａｌ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｏｆ
ｄｏｕｂｌｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｕｓｉｎｇ ｒｅａｌ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｓｅｅｎ ｔｈａｔ ＧＰＳ／ＧＬＯＮＡＳＳ ｄｏｕｂｌｅ ｍｏｄｅ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｉｓ ｃａｐａｂｌｅ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔ－
适合表现悲伤音色。Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ。２００５，１２（６）：１０２８．１０３５．
（上接１５５页）
ＧＬＯＮＡＳＳ信号的载波多普勒频率和Ｃ／Ａ码相位能够被成功 地检测，此时最大有效相关蜂的幅度远远大于噪声的幅度。 图３（ｂ）为ＧＬＯＮＡＳＳ通道的信号检测概率随信噪比的变化情 况，从图３（ｂ）可以看出，随着信噪比和相关累加时间的增加信 号的检测概率也随之提高，在相关累加时间为１０ ｍｓ的情况 下，当信噪比为一３０ ｄＢ时其检测概率能达到０．９０，当信噪比 为一２８ ｄＢ时其检测概率能达到Ｉ。
４仿真结果分析 为了验证该双模接收机的性能，对接收机的信号捕获能
力进行仿真分析。仿真采用真实数据，其中ＧＰＳ通道的中频 频率为４．０９２ ＭＨｚ，采样率为１６．３６８ ＭＨｚ，载波多普勒带宽为 ２０ ｋＨｚ，其范围是一１０．～１０ ｋＨｚ，相关累加时间为１０ ｍｓ，非相 关累加次数为１０次，检测概率为Ｏ．９５，虚警概率为１０～，信噪 比为一３５ ｄＢ；ＧＬＯＮＡＳＳ通道的中频频率为９．８３ ＭＨｚ，采样率 为３９ ＭＨｚ，载波多普勒带宽为２０ ｋＨｚ，其范围是一１０，－－１０ ｋＩ－－Ｉｚ。
步骤１将模型式（１）的ＧＬＯＮＡＳＳ信号下采样到５１２点， 对本地码进行采样，采样点数为３９ ０００点。
步骤２设置捕获卫星频率和本地码下采样起始点，对应 起始点将本地码下采样到５１２点。
步骤３设置本地码位移量，将本地载波信号和移位的本 地码相乘做ＦＦＴ变换得到Ｍ，将卫星信号做ＦＦＴ变换得到Ⅳ， 膨的共扼与Ⅳ相乘 ＩＦＦＴ变换。