为了获取所有可见卫星信号的载波频率和码相位的粗略估计值,帮助接收机初始化跟踪环路并开始跟踪信号,接收机需要先捕获信号。
7.5.2.1 三维搜索
GPS信号的捕获过程是一个搜索过程。首先,接收机需要确定哪些卫星是可见的以及它们的可见概率；然后,以L1载波信号为例,由于卫星和用户之间的相对运动引起的多普勒效应、卫星时钟频漂等因素的影响,接收机接收到的卫星信号中心频率一般不再等于L1载波信号的中心频率,因此接收机需要在载波频率维中对信号进行搜索,对于载波频率的搜索又可以等价成对多普勒频移的搜索；由于用户与接收机的距离不断变化,接收机的伪码相位值也在不断变化,因此接收机也需要在码相位维进行搜索。简单来说,GPS信号的捕获过程如下：
(1)判断接收到的信号中存在哪些卫星的信号。
(2)对每个存在的伪码信号,提取出多普勒频移。
(3)对每个存在的伪码信号,提取出伪码相位。
可见,这是一个伪码、频率和伪码相位的三维搜索过程。该算法称为天空搜索法,如图7.18所示。
GPS信号捕获的关键参数包括：
(1)卫星搜索的数量。卫星搜索的数量对于捕获精度没有影响,但是必须至少搜索到4颗卫星。通常可以采用星历搜索方式或者满天搜索方式。
(2)捕获使用数据的长度。C/A码的周期是1 ms,所以至少需要1 ms的数据才能完成捕获操作。使用的数据越长,捕获效果就越好,但运算量也会随之增加。
图7.18 三维搜索过程
(3)载波频率搜索范围和频率搜索步长。多普勒频率搜索空间的大小取决于时间和位置的不确定性,通常取3σ范围。
(4)码相位搜索空间和码相位搜索步长。码相位搜索空间的大小取决于时间和位置的不确定性,通常取3σ范围。对于C/A码而言,码的搜索空间通常限制在一个码周期。但是对于P(Y)码来说,必须借助已估计得到的时间、用户位置、历书和星历数据等可用信息,这些信息可由上次定位结果或其他组合导航系统中得到。码相位搜索步长通常为半个码片。
7.5.2.2 捕获算法(www.xing528.com)
信号搜索的主要算法是进行C/A码相关运算,根据相关运算实现方式的不同,可以分成串行搜索、并行频率搜索、并行码相位搜索等方法。
1.串行搜索
串行搜索是指在一个频率格内进行所有码元的串行时域相关,搜索所有码相位。如果没有捕获到信号,则进入下一个多普勒频率格继续搜索。串行搜索的流程如图7.19所示。输入信号首先与本地产生的伪码信号相乘,然后与本地载波正交形成正交信号,当两路信号相互交叉之后,即可完成信号的跟踪。载波发生器分别产生余弦、正弦两种信号,其相位差为90°。该余弦信号与正弦信号分别相乘,并进行积分与平方处理。如果本地信号与接收信号的伪码可以完全吻合,则搜索完成。
图7.19 串行搜索的流程示意
该方法实现简单,但是其捕获时间过长,对于微弱信号环境、干扰环境、较高动态环境的适应性较差,实用性较差。
2.并行频率搜索
并行频率搜索是指利用傅里叶变换来实现对频率的并行搜索,从而减少信号捕获所需的计算量,缩短捕获时间。
并行频率搜索的流程如图7.20所示。输入信号首先与本地产生的载波信号进行混频,然后与本地C/A码做相关运算,由此产生的相关结果经傅里叶变换后转换成频域信号,可反映出相关结果在各个频率的强度,最后对该频域信号的幅值大小进行分析,从中找出相应的输入信号的载波频率值。如果本地C/A码相位与输入信号的相位不一致,则傅里叶变换结果的幅值较小；当相位一致时,傅里叶变换结果会出现明显的峰值,则此时的本地码相位即输入信号C/A码相位,峰值对应的傅里叶变换频带频率值即频率误差的估计值。并行频率搜索的频率搜索通过傅里叶变换一次性完成。
图7.20 并行频率搜索的流程示意
3.并行码相位搜索
类似于并行频率搜索,并行码相位搜索利用傅里叶变换,将码相位搜索一次性完成,其流程如图7.21所示。输入信号与本地产生的载波信号进行混频之后,对该混频结果进行傅里叶变换,然后将变换结果与本地C/A码的傅里叶变换的共轭相乘,将该结果进行傅里叶反变换,得到的值即混频结果与本地C/A码信号在当前搜索频带上各个码相位处的相关值。对该结果进行分析,即可完成信号的搜索。
图7.21 并行码相位搜索的流程示意
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