專利名稱：一種高靈敏度的gps信號(hào)載波跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全球定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種高靈敏度接收機(jī)中衛(wèi)星信號(hào)的載波跟蹤方法。
背景技術(shù)：
常用的GPS(全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))接收機(jī)在完成對(duì)GPS信號(hào)的捕獲后，多采用多路相關(guān)器實(shí)現(xiàn)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤和對(duì)導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解調(diào)。每顆衛(wèi)星傳送的GPS信號(hào)都是直接序列擴(kuò)展頻譜信號(hào)，L1載波頻率為1.57542GHz，具有1.023M的粗碼(C/A)碼速率。C/A碼序列長(zhǎng)度為1023個(gè)碼片，對(duì)應(yīng)于1毫秒的時(shí)間周期。每顆衛(wèi)星發(fā)射不同的C/A碼，接收機(jī)接收到的各衛(wèi)星信號(hào)間幾乎沒有干擾。導(dǎo)航電文以50bps的速率按BPSK方式調(diào)制在各衛(wèi)星信號(hào)上，其位邊界與C/A碼周期的開頭對(duì)齊；每數(shù)據(jù)位周期內(nèi)有20個(gè)C/A碼周期。由于衛(wèi)星與用戶之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)等，造成接收機(jī)接收到的GPS信號(hào)的載波頻率存在多普勒頻移，為了精確的解算用戶接收機(jī)的位置和用戶的速度，需要去除多普勒頻移的影響，該過程稱之為載波同步。另外，在解算用戶位置和速度前還必須獲得C/A碼的相位以實(shí)現(xiàn)C/A碼同步，找到每比特?cái)?shù)據(jù)的其實(shí)碼周期以實(shí)現(xiàn)比特同步。
在接收到的GPS信號(hào)信噪比較低的情況下，載波同步和比特同步都很困能。因此，需要一種簡(jiǎn)單有效的方法實(shí)現(xiàn)低信噪比下完成GPS信號(hào)的載波同步與比特同步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明給出了一種以相對(duì)簡(jiǎn)單的方法在GPS接收機(jī)的基帶提高GPS接收機(jī)接收靈敏度的方法。在本發(fā)明的方法中，對(duì)相關(guān)器輸出值的緩沖處理與傳統(tǒng)GPS接收機(jī)的預(yù)檢測(cè)積分處理有所不同。相關(guān)器是本技術(shù)領(lǐng)域?yàn)槿怂熘囊环N技術(shù)，可從與本技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的網(wǎng)站或其他資料中查到詳細(xì)介紹。本發(fā)明中的相關(guān)器輸出值緩沖器是一種類FIFO緩沖器，載波跟蹤環(huán)路每次更新時(shí)利用該緩沖器中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的累加值作為鑒頻器和鑒相器的輸入?yún)?shù)，而環(huán)路的更新時(shí)間仍然是一個(gè)C/A碼周期。鑒頻算法采用四象限反正切、鑒相算法為二象限反正切，通過這種特殊的選擇使得整個(gè)載波跟蹤環(huán)路具有較高的收斂速度，且對(duì)由數(shù)據(jù)調(diào)制造成的載波相位反轉(zhuǎn)不敏感，從而降低了載波相位估計(jì)誤差。
一種在接收到的GPS信號(hào)信噪比較低的情況下進(jìn)行載波跟蹤的方法，其特征在于，包括以下步驟在進(jìn)行載波頻率和碼相位的捕獲之后，將相關(guān)器的輸出值進(jìn)行緩沖并經(jīng)過處理后利用處理結(jié)果進(jìn)行載波頻率的跟蹤，先利用由鎖頻環(huán)輔助的鎖相環(huán)進(jìn)行一定時(shí)間的載波跟蹤，使殘余的頻率誤差降到一定的范圍之內(nèi)，之后在按該方法進(jìn)行載波跟蹤的同時(shí)在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行第一次比特同步，第一次比特同步完成后根據(jù)比特同步結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的修正，然后進(jìn)行第二次比特同步，如果第二次比特同步的結(jié)果滿足算法的要求則繼續(xù)進(jìn)行跟蹤，并進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)，否則將重新進(jìn)行GPS信號(hào)的捕獲。
所述的相關(guān)器輸出值緩沖及處理是通過對(duì)當(dāng)前輸出值及距當(dāng)前輸出時(shí)刻最近的多個(gè)輸出值的緩沖存儲(chǔ)并累加實(shí)現(xiàn)的。
所述的鎖頻環(huán)鑒頻器的鑒頻算法采用四象限反正切，同時(shí)所述的鎖相環(huán)鑒相器的鑒相算法采用二象限反正切。
所述的連續(xù)兩次進(jìn)行比特同步的方法，且所述的比特同步中采用的直方圖算法是僅通過取最大值而獲得比特同步并通過綜合比較兩次比特同步的結(jié)果判斷是否比特同步成功。
在用本發(fā)明中的方法進(jìn)行GPS信號(hào)載波跟蹤時(shí)，可按以下4個(gè)步驟實(shí)施1)使用一個(gè)由鎖頻環(huán)輔助的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)載波的初始跟蹤，在環(huán)路工作了一段預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后轉(zhuǎn)入第二步；2)繼續(xù)使用上述環(huán)路進(jìn)行跟蹤，并利用當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻相關(guān)器的輸出值通過計(jì)算相鄰兩個(gè)碼周期內(nèi)載波的相位差進(jìn)行直方圖法的比特同步，經(jīng)過一段時(shí)間后，取出直方圖中最大值的位置作為一個(gè)比特周期的起始位置，并利用比特同步的結(jié)果對(duì)毫秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行修改；3)繼續(xù)上述跟蹤過程，并用相同的方法再次進(jìn)行比特同步，經(jīng)過一段時(shí)間后，取出直方圖中最大值的位置作為一個(gè)比特周期的起始位置，如果最大值出現(xiàn)在直方圖的第一個(gè)位置則認(rèn)為比特同步成功，否則重新回到第二步，如果比特同步成功且鎖定指示器顯示載波已鎖定則可利用常規(guī)的解調(diào)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)；4)如果經(jīng)過多次(次數(shù)可設(shè)定)比特同步后仍不能成功的獲得比特同步，則可利用常規(guī)方法對(duì)GPS信號(hào)重新捕獲。
從下面的詳細(xì)描述和附圖可以清楚地了解本發(fā)明的特性。


下面通過舉例和并非作為限制的附圖來(lái)描述本發(fā)明，圖中，相同的標(biāo)號(hào)所表示的意義相同。
圖1本發(fā)明中載波跟蹤環(huán)路的方框圖。
圖2本發(fā)明給出的載波跟蹤方法進(jìn)行GPS信號(hào)載波跟蹤時(shí)的方法流程圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明中載波跟蹤環(huán)路的方框圖，圖中各信號(hào)含義如下。101為傳統(tǒng)GPS接收機(jī)中Prompt路相關(guān)器輸出，該信號(hào)可利用中斷或軟件查詢的方式從硬件寄存器獲得。每次獲得相關(guān)器的新輸出值101后，送入一個(gè)由軟件實(shí)現(xiàn)的類FIFO緩沖器，該緩沖器的大小可由軟件設(shè)定。102為該緩沖器中存儲(chǔ)值累加后的結(jié)果，102被分別送入一個(gè)四象限反正切鑒頻器和一個(gè)二象限反正切鑒相器，可分別得到頻率誤差估計(jì)信號(hào)103和相位誤差估計(jì)信號(hào)104。103和104經(jīng)過環(huán)路濾波器后得到數(shù)字控制振蕩器的控制信號(hào)105，該信號(hào)控制著數(shù)字控制振蕩器產(chǎn)生的本地復(fù)現(xiàn)載波的頻率，106為數(shù)字控制振蕩器的輸出信號(hào)。
圖2為利用本發(fā)明給出的方法進(jìn)行GPS信號(hào)載波跟蹤時(shí)的方法示意圖。
在實(shí)現(xiàn)了對(duì)GPS信號(hào)的正確捕獲后，進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)之前，本發(fā)明中的方法進(jìn)行GPS信號(hào)載波跟蹤時(shí)，可按以下4個(gè)步驟實(shí)施1)使用一個(gè)由鎖頻環(huán)輔助的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)載波的初始跟蹤，在環(huán)路工作了一段預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后轉(zhuǎn)入第二步；2)繼續(xù)使用上述環(huán)路進(jìn)行跟蹤，并利用當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻相關(guān)器的輸出值通過計(jì)算相鄰兩個(gè)碼周期內(nèi)載波的相位差進(jìn)行直方圖法的比特同步，經(jīng)過一段時(shí)間后，取出直方圖中最大值的位置作為一個(gè)比特周期的起始位置，并利用比特同步的結(jié)果對(duì)毫秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行修改；3)繼續(xù)上述跟蹤過程，并用相同的方法再次進(jìn)行比特同步，經(jīng)過一段時(shí)間后，取出直方圖中最大值的位置作為一個(gè)比特周期的起始位置，如果最大值出現(xiàn)在直方圖的第一個(gè)位置則認(rèn)為比特同步成功，否則重新回到第二步，如果比特同步成功且鎖定指示器顯示載波已鎖定則可利用常規(guī)的解調(diào)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)；4)如果經(jīng)過多次(次數(shù)可設(shè)定)比特同步后仍不能成功的獲得比特同步，則可利用常規(guī)方法對(duì)GPS信號(hào)重新捕獲。其中前3個(gè)步驟決定了環(huán)路的三種工作狀態(tài)。每一種狀態(tài)的入口都是檢測(cè)相關(guān)器Prompt路是否有新數(shù)據(jù)輸出，如果有則將新數(shù)據(jù)存入長(zhǎng)度為N(N可自由設(shè)定，例如設(shè)為5)的類FIFO緩沖器，并對(duì)類FIFO緩沖器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和運(yùn)算，然后判斷環(huán)路狀態(tài)并轉(zhuǎn)到相應(yīng)的狀態(tài)處理模塊。每種狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間通過預(yù)先設(shè)定的三個(gè)時(shí)間門限確定，例如三種狀態(tài)的工作時(shí)間都可設(shè)定為2秒。環(huán)路狀態(tài)三的結(jié)束標(biāo)志著步驟三的完成，則按步驟四判斷環(huán)路是否鎖定。具體實(shí)現(xiàn)過程如下(1)對(duì)類FIFO緩沖器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和運(yùn)算，然后判斷環(huán)路狀態(tài)。如果環(huán)路處于狀態(tài)一，則通過FLL輔助的PLL完成頻偏校正。本狀態(tài)不進(jìn)行比特同步。在所需操作結(jié)束后，判斷是否達(dá)到規(guī)定工作時(shí)間。如果達(dá)到規(guī)定工作時(shí)間就在新數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)轉(zhuǎn)入狀態(tài)二，否則繼續(xù)工作在狀態(tài)二并等待新數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。
(2)對(duì)類FIFO緩沖器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和運(yùn)算，然后判斷環(huán)路狀態(tài)。如果環(huán)路處于狀態(tài)二，則繼續(xù)通過FLL輔助的PLL完成頻偏校正。然后用直方圖法進(jìn)行比特同步，并判斷是否并達(dá)到規(guī)定工作時(shí)間。如果達(dá)到規(guī)定工作時(shí)間就獲取直方圖中最大值的位置，然后根據(jù)最大值的位置對(duì)毫秒計(jì)數(shù)進(jìn)行校正，結(jié)束狀態(tài)二并在新數(shù)據(jù)產(chǎn)生后轉(zhuǎn)入狀態(tài)三。如果未達(dá)到規(guī)定時(shí)間，則繼續(xù)工作在狀態(tài)二并等待新數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。
(3)對(duì)類FIFO緩沖器的存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行求和運(yùn)算，然后判斷環(huán)路狀態(tài)。當(dāng)環(huán)路工作在狀態(tài)三時(shí)，進(jìn)行第二次比特同步，狀態(tài)結(jié)束時(shí)取出直方圖中最大值的位置，若最大值位置為1則認(rèn)為比特同步成功，可轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)解調(diào)過程，否則認(rèn)為比特同步失敗。如果比特同步失敗則判斷總的比特同步次數(shù)是否超過預(yù)先設(shè)定的門限值，如果沒有則重新返回狀態(tài)二，否則結(jié)束跟蹤程序，重新對(duì)GPS信號(hào)進(jìn)行捕獲。
(4)如果在狀態(tài)三結(jié)束時(shí)判定沒有正確捕獲GPS信號(hào)，則重新用常規(guī)方法進(jìn)行捕獲。
權(quán)利要求
1.一種在接收到的GPS信號(hào)信噪比較低的情況下進(jìn)行載波跟蹤的方法，其特征在于，包括以下步驟在實(shí)現(xiàn)對(duì)載波頻率和碼相位的捕獲之后，將相關(guān)器的輸出值進(jìn)行緩沖并經(jīng)過一定的處理后利用處理結(jié)果進(jìn)行載波頻率的跟蹤，先利用由鎖頻環(huán)輔助的鎖相環(huán)進(jìn)行一定時(shí)間的載波跟蹤，使殘余的頻率誤差降到一定的范圍之內(nèi)，之后在按該方法進(jìn)行載波跟蹤的同時(shí)在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行第一次比特同步，第一次比特同步完成后根據(jù)比特同步結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行必要的修正，然后進(jìn)行第二次比特同步，如果第二次比特同步的結(jié)果滿足算法的要求則繼續(xù)進(jìn)行跟蹤，并進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)，否則將重新進(jìn)行GPS信號(hào)的捕獲。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的相關(guān)器輸出值緩沖及處理是通過對(duì)當(dāng)前輸出值及距當(dāng)前輸出時(shí)刻最近的多個(gè)輸出值的緩沖存儲(chǔ)并累加實(shí)現(xiàn)的。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鎖頻環(huán)鑒頻器的鑒頻算法采用四象限反正切，同時(shí)所述的鎖相環(huán)鑒相器的鑒相算法采用二象限反正切。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的連續(xù)兩次進(jìn)行比特同步的方法，且所述的比特同步中采用的直方圖算法是僅通過取最大值而獲得比特同步并通過綜合比較兩次比特同步的結(jié)果判斷是否比特同步成功。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，其具體步驟如下1)使用一個(gè)由鎖頻環(huán)輔助的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS信號(hào)載波的初始跟蹤，在環(huán)路工作了一段預(yù)先設(shè)定的時(shí)間后轉(zhuǎn)入第二步；2)繼續(xù)使用上述環(huán)路進(jìn)行跟蹤，并利用當(dāng)前時(shí)刻和前一時(shí)刻相關(guān)器的輸出值通過計(jì)算相鄰兩個(gè)碼周期內(nèi)載波的相位差進(jìn)行直方圖法的比特同步，經(jīng)過一段時(shí)間后，取出直方圖中最大值的位置作為一個(gè)比特周期的起始位置，并利用比特同步的結(jié)果對(duì)毫秒計(jì)數(shù)器進(jìn)行修改；3)繼續(xù)上述跟蹤過程，并用相同的方法再次進(jìn)行比特同步，經(jīng)過一段時(shí)間后，取出直方圖中最大值的位置作為一個(gè)比特周期的起始位置，如果最大值出現(xiàn)在直方圖的第一個(gè)位置則認(rèn)為比特同步成功，否則重新回到第二步，如果比特同步成功且鎖定指示器顯示載波已鎖定則可利用常規(guī)的解調(diào)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)；4)如果經(jīng)過多次比特同步后仍不能成功的獲得比特同步，則可利用常規(guī)方法對(duì)GPS信號(hào)重新捕獲。
全文摘要
本發(fā)明是一種新型的高靈敏度的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS衛(wèi)星信號(hào)載波跟蹤方法。本發(fā)明通過對(duì)載波跟蹤環(huán)路中鎖頻環(huán)鑒頻算法和鎖相環(huán)鑒相算法的選擇，使得載波跟蹤環(huán)路在快速收斂的同時(shí)能夠消除由數(shù)據(jù)調(diào)制造成的相位估計(jì)誤差。在載波跟蹤的各階段利用軟件對(duì)相關(guān)器的輸出值進(jìn)行FIFO緩沖處理，使得接收機(jī)靈敏度得到提高并降低頻率跟蹤誤差的標(biāo)準(zhǔn)差。載波跟蹤過程中進(jìn)行兩次改進(jìn)的比特同步，從而提高了低信噪比下GPS信號(hào)的比特同步成功率。
文檔編號(hào)G01S19/29GK101051080SQ200610011728
公開日2007年10月10日 申請(qǐng)日期2006年4月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月5日
發(fā)明者李金海, 陳杰, 牟榮增 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所