專利名稱：一種可變增益的高靈敏度gps接收機(jī)基帶頻率跟蹤方法
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GPS信號的捕獲后，多采用多路相關(guān)器實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星信號的跟蹤和對導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解調(diào)。導(dǎo)航衛(wèi)星傳送的GPS信號都是直接序列擴(kuò)展頻譜信號，載波頻率為1.57542GHz，粗碼(C/A)碼的碼速率為1.023Mchip/s。C/A碼序列的碼長為1023，對應(yīng)的時(shí)間周期為1毫秒。每顆衛(wèi)星發(fā)射不同的C/A碼，在接收機(jī)端實(shí)現(xiàn)碼分多址，因此接收機(jī)接收到的各衛(wèi)星信號間幾乎沒有干擾。導(dǎo)航電文按50bps的速率以BPSK方式調(diào)制在各衛(wèi)星信號上，各導(dǎo)航數(shù)據(jù)的位邊界與C/A碼周期的開頭對齊；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運(yùn)動(dòng)等，造成接收機(jī)接收到的GPS信號的載波頻率存在多普勒頻移，同時(shí)因?yàn)榻邮諜C(jī)與衛(wèi)星之間無法理想同步，所以接收機(jī)中本地復(fù)現(xiàn)碼一般與接收到的GPS信號C/A碼不同步。為了精確的解算用戶接收機(jī)的位置和用戶的速度，必須實(shí)現(xiàn)載波同步和碼同步。另外，還必須找到每比特?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，需要一種簡單有效的方法實(shí)現(xiàn)低信噪比下完成GPS信號的載波同步與比特同步。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明給出了一種在GPS接收機(jī)基帶提高GPS接收機(jī)接收靈敏度的方法，該方法簡單有效易于實(shí)現(xiàn)。在本發(fā)明的方法中，相關(guān)器輸出值直接送入鑒頻器和鑒相器進(jìn)行頻率誤差和相位誤差的估計(jì)，無需進(jìn)行任何形式的累加，因此環(huán)路的更新時(shí)間仍然是一個(gè)C/A碼周期。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。鑒頻算法和鑒相算法都采用四象限反正切，整個(gè)載波跟蹤環(huán)路具有很高的收斂速度。本發(fā)明僅通過對鑒頻器增益和數(shù)字控制振蕩器增益的調(diào)整，其他環(huán)路參數(shù)均無需改變，即可實(shí)現(xiàn)高靈敏度的GPS信號跟蹤。
一種在信噪比較低的情況下對GPS信號進(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GPS信號的捕獲之后，先利用具有高增益鑒頻器和低增益數(shù)字控制振蕩器的由鎖頻環(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)，之后在按該方法分別降低鑒頻器和數(shù)字控制振蕩器的增益繼續(xù)進(jìn)行載波跟蹤，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)果對系統(tǒng)進(jìn)行必要的修正，進(jìn)一步降低上述增益后進(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信號的捕獲。
所述的鑒頻器增益和數(shù)字控制振蕩器的增益的漸變方式。
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信號載波跟蹤時(shí)，可按以下三個(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GPS信號載波的初始跟蹤，鑒頻器增益選取較高值但不宜過大(一般不超過5)，數(shù)字控制振蕩器增益稍小于1，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，用直方圖法進(jìn)行比特同步，本階段鑒頻器增益、數(shù)字控制振蕩器增益的選取相對前一階段有所降低；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，否則認(rèn)為比特同步失敗，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)，否則重新進(jìn)行GPS信號的捕獲。本階段鑒頻器增益、數(shù)字控制振蕩器增益都小于1，但仍為10-1數(shù)量級。
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描述本發(fā)明，圖中，相同的標(biāo)號所表示的意義相同。
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案進(jìn)行GPS信號載波跟蹤時(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。每次獲得的相關(guān)器新輸出值101被分別送入一個(gè)四象限反正切鑒頻器和一個(gè)四象限反正切鑒相器，可分別得到頻率誤差估計(jì)信號102和相位誤差估計(jì)信號103。102和103經(jīng)過環(huán)路濾波器后處理后得到數(shù)字控制振蕩器的控制信號104，該信號控制著數(shù)字控制振蕩器產(chǎn)生的本地復(fù)現(xiàn)載波的頻率，105為數(shù)字控制振蕩器的輸出信號。
圖2為利用本發(fā)明給出的方案進(jìn)行GPS信號載波跟蹤時(shí)的方法示意圖。
在實(shí)現(xiàn)了對GPS信號的正確捕獲后，進(jìn)行數(shù)據(jù)解調(diào)之前，進(jìn)行GPS信號載波跟蹤時(shí)，1)使用一個(gè)由鎖頻環(huán)輔助的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對GPS信號載波的初始跟蹤，鑒頻器增益選取較高值但不宜過大，數(shù)字控制振蕩器增益稍小于1，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，用直方圖法進(jìn)行比特同步，本階段鑒頻器增益、數(shù)字控制振蕩器增益的選取相對前一階段有所降低；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，否則認(rèn)為比特同步失敗，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)，否則重新進(jìn)行GPS信號的捕獲。本階段鑒頻器增益、數(shù)字控制振蕩器增益都小于1，但仍為10-1數(shù)量級。
4)判斷環(huán)路是否鎖定，成功鎖定則轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)解調(diào)，否則可利用常規(guī)方法對GPS信號重新捕獲。
前3個(gè)步驟決定了環(huán)路的一種工作狀態(tài)，共三種狀態(tài)。每一種狀態(tài)的入口都是檢測相關(guān)器Prompt路是否有新數(shù)據(jù)輸出，如果有則判斷環(huán)路工作狀態(tài)并轉(zhuǎn)到相應(yīng)的處理模塊。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)。在每個(gè)狀態(tài)中，環(huán)路都是通過FLL輔助的PLL完成頻偏校正。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)判斷是否有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，如果有則判斷環(huán)路狀態(tài)。環(huán)路處于狀態(tài)一時(shí)，通過FLL輔助的PLL完成頻偏校正。此時(shí)鑒頻器增益和數(shù)字控制振蕩器的增益相對與其他兩個(gè)工作狀態(tài)較高，例如鑒頻器增益和數(shù)字控制振蕩器增益可設(shè)為1以上。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。當(dāng)狀態(tài)一結(jié)束時(shí)系統(tǒng)的殘余頻偏可以降低到正負(fù)10赫茲以內(nèi)。
(2)判斷是否有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，如果有則判斷環(huán)路狀態(tài)。環(huán)路處于狀態(tài)二時(shí)，需降低鑒頻器增益和數(shù)字控制振蕩器的增益(例如可降為0.5左右)，并繼續(xù)通過FLL輔助的PLL完成頻偏校正。利用直方圖法進(jìn)行比特同步。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)間則獲取直方圖中最大值的位置，根據(jù)最大值的位置對毫秒計(jì)數(shù)進(jìn)行校正，最后結(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)判斷是否有新數(shù)據(jù)產(chǎn)生，如果有則判斷環(huán)路狀態(tài)。環(huán)路工作在狀態(tài)三時(shí)，需再次降低鑒頻器增益和數(shù)字控制振蕩器的增益，此時(shí)兩個(gè)增益都為10-2數(shù)量級。通過FLL輔助的PLL完成頻偏校正。進(jìn)行第二次比特同步，并在達(dá)到規(guī)定工作時(shí)間時(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，否則認(rèn)為比特同步失敗。若比特同步成功而且載波鎖定指示器顯示載波已經(jīng)鎖定則可轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)解調(diào)過程。如果比特同步失敗或載波鎖定指示器顯示載波未鎖定，則重新對GPS信號進(jìn)行捕獲。如果未達(dá)到規(guī)定工作時(shí)間，則繼續(xù)工作在狀態(tài)三并等待新數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。
(4)如果在狀態(tài)三結(jié)束時(shí)判定沒有正確捕獲GPS信號，則重新用常規(guī)方法進(jìn)行捕獲。
權(quán)利要求
1.一種在信噪比較低的情況下對GPS信號進(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GPS信號的捕獲之后，先利用具有高增益鑒頻器和低增益數(shù)字控制振蕩器的由鎖頻環(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)，之后在按該方法分別降低鑒頻器和數(shù)字控制振蕩器的增益繼續(xù)進(jìn)行載波跟蹤，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)果對系統(tǒng)進(jìn)行必要的修正，進(jìn)一步降低上述增益后進(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信號的捕獲。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鑒頻器增益和數(shù)字控制振蕩器的增益的漸變方式。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，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。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，進(jìn)行GPS信號載波跟蹤時(shí)，具體步驟1)使用一個(gè)由鎖頻環(huán)輔助的鎖相環(huán)實(shí)現(xiàn)對GPS信號載波的初始跟蹤，鑒頻器增益選取較高值但不宜過大，數(shù)字控制振蕩器增益稍小于1，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，用直方圖法進(jìn)行比特同步，本階段鑒頻器增益、數(shù)字控制振蕩器增益的選取相對前一階段有所降低；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，否則認(rèn)為比特同步失敗，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)，否則重新進(jìn)行GPS信號的捕獲，本階段鑒頻器增益、數(shù)字控制振蕩器增益都小于1，但仍為10-1數(shù)量級；4)判斷環(huán)路是否鎖定，成功鎖定則轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)解調(diào)，否則可利用常規(guī)方法對GPS信號重新捕獲。
全文摘要
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)星信號的載波跟蹤方法。本發(fā)明通過對載波跟蹤環(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改變載波跟蹤環(huán)路中鑒頻器增益、鑒相器增益和數(shù)字控制振蕩器的增益，使得接收機(jī)靈敏度得到顯著提高并降低了頻率跟蹤誤差的標(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全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)衛(wèi)星信號的比特同步成功率。
文檔編號G01S19/29GK101051081SQ200610011729
公開日2007年10月10日 申請日期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 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所