專利名稱：一種全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法
技術領域：
本發(fā)明涉及全球衛(wèi)星定位與導航技術領域，例如GPS系統(tǒng)，特別是涉及一種全球 定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法。
背景技術：
全球衛(wèi)星定位與導航系統(tǒng)，例如全球定位系統(tǒng)(GPS)，包括一組發(fā)送GPS信號的 一個衛(wèi)星星座(又被稱為Navstar衛(wèi)星)，該GPS信號能被接收機用來確定該接收機的位 置。衛(wèi)星軌道被安排在多個平面內(nèi)，以便在地球上任何位置都能從至少四顆衛(wèi)星接收該種 信號。更典型的情況是，在地球上絕大多數(shù)地方都能從六顆以上衛(wèi)星接收該種信號。
每一顆GPS衛(wèi)星所傳送的GPS信號都是直接序列擴頻信號。商業(yè)上使用的信號 與標準定位服務(SPS)有關，而且被稱之為粗碼(C/A碼)的直接序列二相擴頻信號，在 1575. 42MHz的載波下，具有每秒1. 023兆碼片的速率。偽隨機噪聲(PN)序列長度是1023 個碼片，對應于l毫秒的時間周期。每一顆衛(wèi)星發(fā)射不同的PN碼(Gold碼)，使得信號能夠 從幾顆衛(wèi)星同時發(fā)送，并由一接收機同時接收，相互間幾乎無干擾。術語"衛(wèi)星星號"和這 個PN碼相關，可以用以標示不同的GPS衛(wèi)星。 GPS的調(diào)制信號是導航電文(又被稱為D碼)和PN碼的組合碼。導航電文的速率 為每秒50比特。D碼的基本單位是一個1500比特的主幀，主幀又分為5個300比特的子 幀。其中子幀一包含了標識碼，星種數(shù)據(jù)齡期，衛(wèi)星時鐘修正參數(shù)信息。子幀二和子幀三包 含了實時的GPS衛(wèi)星星歷(印hemeris)，星歷是當前導航定位信息的最主要內(nèi)容。利用子幀 一至子幀三的信息即可以實現(xiàn)定位，完成定位的基本任務。子幀四和子幀五包含了 1-32顆 衛(wèi)星的健康狀況，UTC校準信息和電離層修正參數(shù)及l(fā)-32顆衛(wèi)星的歷書(almanac)。歷書 是衛(wèi)星星歷參數(shù)的簡化子集，用于預測相對于接收機的可見衛(wèi)星及其多普勒頻偏。歷書每 12. 5分鐘廣播一次，壽命為一周，可延長至2個月。 由于每一個GPS導航電文的比特跨越了 20個C/A碼周期，因此導航電文比特邊界 存在不確定性。獲得調(diào)制電文比特翻轉邊界的位置，即實現(xiàn)比特同步，是實現(xiàn)解調(diào)電文、測 量偽距和利用相干累加實現(xiàn)高靈敏跟蹤的基礎。在無外部輔助時，GPS接收機必須估計出 該比特翻轉邊界的位置，實現(xiàn)比特同步。傳統(tǒng)的比特同步方法有兩種直方圖法和最大似 然估計法。直方圖法結構簡單，計算量小，但對于低信噪比信號性能較差，同時估計時間較 長。而最大似然估計方法，計算量相對直方圖法較大，但對于低信噪比的錯誤估計概率比直 方圖法大大降低。傳統(tǒng)的最大似然方法使用固定次數(shù)的非相干累加提高信噪比，但這種方 法耗時較高，一個典型的估計時間為4s，這對首次定位時間(Time To First Fix/TTFF)要 求嚴格的現(xiàn)代接收機幾乎是不能忍受的。 因此，如何在保證錯誤估計概率足夠低的前提下，縮短比特同步估計時間是比特 同步方法一個重要的研究方向。
發(fā)明內(nèi)容
( — )要解決的技術問題 有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步
方法，以在保證錯誤估計概率足夠低的前提下，縮短比特同步估計時間。
( 二 )技術方案 為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法， 該方法包括 計算每個比特相位所對應的比特能量，并對計算出的各比特能量進行非相干累加；
在計算出的各比特能量中尋找比特能量的最大值和次大值，計算該最大值與次大 值之差，得到比特能量最大值與次大值的差值； 比較該差值與預先設定的比特能量閾值的大小，如果該差值小于比特能量閾值， 則進行新一輪的比特能量計算及非相干累加；如果該差值大于或等于比特能量閾值，則終 止非相干累加，對比特能量進行判決，以比特能量最大值對應的比特相位作為比特翻轉邊 界； 以該比特翻轉邊界為依據(jù)調(diào)整毫秒計數(shù)器。 上述方案中，所述某個比特相位對應的比特能量是通過以該比特相位為起點，將
之后相鄰的20個C/A周期的相關值進行相干累加后再進行平方獲得的。 上述方案中，所述比特能量的最大值和次大值差值的計算采用歸一化的方法。所
述歸一化方法采用未進行非相干累加的比特能量的最大值和次大值的差值為歸一化單位。 上述方案中，所述比特能量閾值與錯誤估計概率成反比，并與估計時間成正比。 上述方案中，所述對計算出的各比特能量進行非相干累加的步驟中，進一步包括
采用一個比特同步計數(shù)器，檢測該比特同步計數(shù)器是否溢出，如果該比特同步計數(shù)器溢出，
則對計算出的各比特能量進行判決，以比特能量最大值對應的比特相位為估計的比特翻轉
邊界，并以該比特翻轉邊界為依據(jù)調(diào)整毫秒計數(shù)器。如果該比特同步計數(shù)器沒有溢出，則繼
續(xù)尋找比特能量的最大值和次大值，計算該最大值與次大值之差，并比較該差值與預先設
定的比特能量閾值的大小。 上述方案中，所述尋找比特能量最大值和次大值及計算二者之差的過程，在每輪 20個比特相位對應的比特能量全部進行了一次非相干之后都進行一次。(三)有益效果 從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果 1、利用本發(fā)明，利用基于最大似然原則的比特同步方法，所以對于低信噪比的信 號也能保證較小的比特同步錯誤概率。測試表明對于載噪比高于20dB-Hz的信號，錯誤估 計概率可以保證小于io一4。 2、利用本發(fā)明，由于利用比特能量的最大值和最小值差值作為參考量自適應約束 計算比特能量的非相干累加次數(shù)，所以能夠保證較小比特同步錯誤概率的同時，大幅度減 少比特同步時間，加快比特同步速度，對于信噪比較高的情況效果尤為明顯。測試表明，本 方法對于載噪比高于30dB-Hz的信號，平均估計時間為0. 213秒。 3、利用本發(fā)明，由于僅需要每20毫秒計算一次比特能量的最大值和最小值差值， 所以相對經(jīng)典的最大似然實現(xiàn)比特同步的方法增加的計算量不是很大，易于硬件實現(xiàn)。
圖1是典型的全球定位系統(tǒng)接收機實現(xiàn)解算定位的示意圖； 圖2是典型的GPS接收機定位的方法流程圖； 圖3是一個經(jīng)典的直方圖法實現(xiàn)比特同步的方法流程圖； 圖4是一個經(jīng)典的最大似然法實現(xiàn)比特同步的方法流程圖； 圖5是計算比特能量的詳細示意圖； 圖6是本發(fā)明提供了全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步的方法流程圖； 圖7是本發(fā)明一個較優(yōu)實施例的快速比特同步的方法流程圖。
具體實施例方式
為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。 GPS基帶芯片是GPS接收機中處理基帶信號的芯片，是整個GPS接收機的核心。本 發(fā)明的各種方法均在GPS基帶芯片中實現(xiàn)。為方便起見，本發(fā)明中"接收機"均指"GPS基 帶芯片"。 圖1描述了一個典型的全球定位系統(tǒng)接收機實現(xiàn)解算定位的示意圖。已知四顆衛(wèi) 星的位置101以及這四顆衛(wèi)星和接收機之間的偽距102，即可以通過所謂"偽距觀測方程" 計算出接收機的位置103和接收機時間相對衛(wèi)星時間的誤差值，完成了定位解算的工作。
圖2描述了一個典型的GPS接收機定位的方法流程圖。圖2所示過程是從接收機 上電初始化201開始，直至解算出接收機位置206結束。通常接收機上電后進入捕獲狀態(tài) 202，搜索視線內(nèi)的衛(wèi)星、該衛(wèi)星的載波頻率和PN碼的碼相位。這個狀態(tài)下對載波頻率的搜 索是粗糙的，通常在數(shù)百赫茲的量級。之后進入頻率牽引狀態(tài)203，把本地頻率牽引到和衛(wèi) 星載波頻率相差幾個赫茲的量級。本發(fā)明專注的比特同步過程在203過程中完成。完成頻 率牽引后，接收機進入跟蹤狀態(tài)204，完成幀同步，進而進入解調(diào)電文狀態(tài)205，將載波上調(diào) 制的電文解調(diào)出來用于在隨后的解算狀態(tài)206下計算接收機位置。 圖3描述了一個經(jīng)典的直方圖法實現(xiàn)比特同步的方法流程圖。這種方法首先計算 GPS輸入信號和接收機本地的C/A碼的相關值301，相關長度為一個C/A碼周期。這項工 作由相關器完成，其具體細節(jié)本領域內(nèi)熟練人員都應了解，不再贅述。進一步地，計算相鄰 兩個相關值的符號變化302，進而統(tǒng)計每一個可能的比特邊界位置上的符號翻轉次數(shù)303。 由于每一個導航電文的比特包含了 20個C/A碼，所以共有20個可能的比特邊界(比特相 位)，即需要統(tǒng)計20個可能比特邊界位置上的相關值符號翻轉。直方圖法一般固定一個估 計時間，例如2秒，當統(tǒng)計了 2秒內(nèi)所有相關值的符號翻轉304之后，尋找相關值符號翻轉 次數(shù)的最大值305，并認為相關值符號翻轉次數(shù)最大值所對應的比特相位即是比特翻轉邊 界。進一步地，以此為依據(jù)調(diào)整毫秒計數(shù)器306，實現(xiàn)比特同步。術語"毫秒計數(shù)器"是指 GPS接收機內(nèi)部的一組時間寄存器中以l毫秒為精度的寄存器。毫秒計數(shù)器是和比特相位 直接聯(lián)系。 當完成比特同步后，接收機估算衛(wèi)星信號的載噪比307，并以此為依據(jù)判斷是否 鎖定該衛(wèi)星信號308。若載噪比大于鎖定閾值，則接收機轉入跟蹤狀態(tài)309，否則轉入捕獲310，進行新一輪的搜索。 直方圖法原理清晰，結構簡單，便于實現(xiàn)，因而被很多早期的GPS接收機所采用。 但是計算相關值符號翻轉的過程本質(zhì)上是對計算相關值做硬判決，對于低信噪比的信號， 直方圖法的估計性能有限。現(xiàn)代商業(yè)接收機追求高靈敏度能，因而越來越多地拋棄直方圖 發(fā)而使用最大似然方法實現(xiàn)比特同步。 圖4描述了一個經(jīng)典的最大似然法實現(xiàn)比特同步的方法流程圖。圖4與圖3所示
的直方圖法的最大的區(qū)別在于使用了比特能量作為判決量，在一定次數(shù)的非相干累加之后
才進行判決，而不是每次累加之前做硬判決，從而提高了低信噪比下的估計性能。最大似然
法首先計算所有20個比特相位中每一個比特相位對應的比特能量401，計算比特能量的詳
細步驟將在圖5中詳細描述。進而對比特能量進行非相干累加提高信噪比402。由于相鄰
兩個導航電文比特區(qū)域內(nèi)的取值符號是隨機的，所以只能采用非相干累加而不是相干累加
來提高信噪比。和直方圖法類似，最大似然方法通常也設定一個固定的估計時間(即非相
干累加次數(shù))，且為了保證對于弱信號的估計性能，通常設定一個較大的估計時間，如2 4
秒/100 200次非相干累加。在完成了預設次數(shù)的非相干累加403之后，尋找比特能量的
最大值404，并以比特能量最大值所對應的比特相位作為比特翻轉的邊界。 進一步地，以估計的比特邊界的位置為依據(jù)調(diào)整毫秒計數(shù)器405，估算衛(wèi)星信號載
噪比406，若載噪比大于鎖定閾值407，接收機則轉入跟蹤狀態(tài)408，否則轉入捕獲409，進行
新一輪的搜索。405 409過程和直方圖法的306 310過程是一致的。 最大似然方法很大程度上解決了弱信號的比特同步問題。但是由于最大似然方法
對信號不加區(qū)分地使用單一固定非相干累加次數(shù)，使得對于所有信號，比特同步時間維持
在2 4秒左右，這對TTFF性能要求嚴格的現(xiàn)代GPS接收機是不能忍受的。 圖5描述的是最大似然方法計算比特能量的詳細示意圖。該過程對應圖4中的
401過程。501為輸入的信號流，每一個小格為一個C/A碼周期。502為調(diào)制在C/A碼上的
導航電文，導航電文在+1和-1之間取值。在503和504之間共有20個C/A碼周期，即一
個導航電文比特周期。506為真實的比特翻轉邊界。每一個可能的比特翻轉邊界對應的比
特能量是由以該邊界為起點，將之后相鄰的20個C/A周期的相關值相干累加后平方獲得，
如507。這樣對于每一個比特周期，都可以獲得20個檢測量506，即20個比特能量。進而
對每個比特周期的比特能量進行累加，獲得20個最終的比特能量檢測量。 圖6描述本發(fā)明提供了全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步的方法流程圖，該方
法包括以下步驟 步驟601 :計算每個比特相位所對應的比特能量，并對計算出的各比特能量進行 非相干累加； 步驟602 :在計算出的各比特能量中尋找比特能量的最大值和次大值，計算該最 大值與次大值之差，得到比特能量最大值與次大值的差值； 步驟603 :比較該差值與預先設定的比特能量閾值的大小，如果該差值小于比特 能量閾值，則執(zhí)行步驟601，進行新一輪的比特能量計算及非相干累加；如果該差值大于或 等于比特能量閾值，則執(zhí)行步驟604 ; 步驟604 :終止非相干累加，對比特能量進行判決，以比特能量最大值對應的比特 相位作為比特翻轉邊界；
步驟605 :以該比特翻轉邊界為依據(jù)調(diào)整毫秒計數(shù)器。 上述步驟601中所述對計算出的各比特能量進行非相干累加，進一步包括采用 一個比特同步計數(shù)器，檢測該比特同步計數(shù)器是否溢出，如果該比特同步計數(shù)器溢出，則對 計算出的各比特能量進行判決，以比特能量最大值對應的比特相位為估計的比特翻轉邊 界，并以該比特翻轉邊界為依據(jù)調(diào)整毫秒計數(shù)器。如果該比特同步計數(shù)器沒有溢出，則繼續(xù) 尋找比特能量的最大值和次大值，計算該最大值與次大值之差，并比較該差值與預先設定 的比特能量閾值的大小。 圖7描述本發(fā)明一個較優(yōu)實施例的快速比特同步的方法流程圖。該方法是對傳 統(tǒng)比特同步方法的改進，同樣使用比特能量作為檢測量，從而保證了對于低信噪比信號的 估計性能。同時該方法引入了一個新的檢測量，可以根據(jù)信號的強度約束所需的非相干累 加次數(shù)，使得比特同步時間特別是強信號的比特同步時間大幅度降低。該方法的具體步驟 為首先計算比特能量701，該過程和圖4中的401過程以及圖5所示過程是完全相同的。 進而對比特能量進行非相干累加702，當完成了一個比特周期對應的20個比特能量的非相 干累加，即每一個可能的比特相位對應的比特能量都完成了一次非相干累加之后703，計算 這20個比特能量中的最大值和次大值704。進一步地，計算比特能量最大值和次大值之差 705。計算過程中包含了利用無非相干累加的比特能量最大值和次大值之差將非相干累加 后的比特能量的最大值和次大值差值歸一化的過程。 進一步地，檢測比特同步計數(shù)器是否溢出706，該計數(shù)器用以限定比特同步時間的 最大值。若比特同步計數(shù)器溢出，對獲得20個比特能量進行判決，以比特能量最大值對應 的比特相位為估計的比特翻轉邊界，調(diào)整毫秒計數(shù)器708。該步驟和圖4所示的404、405過 程完全相同。若比特同步計數(shù)器沒有溢出，則檢測比特能量最大值和次大值差值是否大于 預設比特能量閾值707。若比特能量最大值和次大值差值小于門限，則進行新一輪的比特 能量的計算和非相干累加過程。若比特能量最大值和次大值差值大于比特能量閾值，則終 止非相干累加過程，對已獲得的比特能量進行判決，以比特能量最大值對應的比特相位為 估計的比特翻轉邊界，調(diào)整毫秒計數(shù)器708。該步驟和圖4所示的404、405過程完全相同。 該比特能量閾值越高，比特翻轉邊界的錯誤估計概率就越低，同時比特同步的估計時間就 越大。本發(fā)明中的比特同步估計時間是由比特能量閾值和比特同步計數(shù)器共同限定的。
進一步地，估算衛(wèi)星信號的載噪比706，若載噪比大于鎖定閾值707，接收機則轉 入跟蹤狀態(tài)708，否則轉入捕獲709，進行新一輪的搜索。這部分和直方圖法的307 310 過程以及傳統(tǒng)最大似然方法的406 409過程是一致的。 本發(fā)明提出的方法需要每輪非相干累加之后都計算比特能量的最大值和次大值， 進而計算最大值和次大值的差值。但由于節(jié)省了大量的比特能量計算及非相干累加，總共 增加的計算量不大。但帶來了比特同步時間的尤其是高載噪比信號比特同步時間的的大幅 度降低。測試表明，本方法對于載噪比高于30dB-Hz的信號，平均估計時間為0. 213秒，而 對于載噪比高于20dB-Hz的信號，錯誤估計概率可以保證小于10一4。 盡管本發(fā)明的方法和裝置是參照GPS衛(wèi)星來描述的，但應當理解，這些原理同樣 適用于采用假衛(wèi)星(pseudolites)或衛(wèi)星與假衛(wèi)星的組合的定位系統(tǒng)。假衛(wèi)星是一種基于 地面的發(fā)射機，它傳播調(diào)制在L頻段在波信號上PN碼(與GPS信號相似)，并且通常是與 GPS時間同步的。每一發(fā)射機可以被賦予一個獨特的PN碼，從而允許由遠端接收機進行識別。假衛(wèi)星用在這樣的情況下，即，來自軌道衛(wèi)星的GPS信號缺失，如隧道、礦山、建筑物或 者其他的封閉區(qū)及明顯遮擋。這里所使用的術語"衛(wèi)星"包括假衛(wèi)星或假衛(wèi)星的等效，而這 里所使用的術語GPS信號包括來自假衛(wèi)星或者假衛(wèi)星等效的類似GPS的信號。
在前面的討論中，本發(fā)明是參照美國全球定位系統(tǒng)(GPS)來描述的。然而，應當理 解，這些方法同樣適用于類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如俄羅斯的格洛納斯(Glonass)系統(tǒng)，歐洲 的伽利略(Galileo)系統(tǒng)和中國的北斗l及北斗2系統(tǒng)。所使用的術語"GPS"還包括這樣 一些衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如俄羅斯的格洛納斯(Glonass)系統(tǒng)，歐洲的伽利略(Galileo)系統(tǒng)和 中國的北斗l及北斗2系統(tǒng)。術語"GPS信號"包括來自另一些衛(wèi)星定位系統(tǒng)的信號。
上文中，已經(jīng)描述了用于全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步實現(xiàn)方法。盡管本 發(fā)明是參照特定實施例來描述的，但很明顯，本領域熟練人員，在不偏移權利要求書所限定 的發(fā)明范圍和精神的情況下，還可以對這些實施例作各種修改和變更。因此，說明書和附圖 是描述性的，而不是限定性的。
權利要求
一種全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法，其特征在于，該方法包括計算每個比特相位所對應的比特能量，并對計算出的各比特能量進行非相干累加；在計算出的各比特能量中尋找比特能量的最大值和次大值，計算該最大值與次大值之差，得到比特能量最大值與次大值的差值；比較該差值與預先設定的比特能量閾值的大小，如果該差值小于比特能量閾值，則進行新一輪的比特能量計算及非相干累加；如果該差值大于或等于比特能量閾值，則終止非相干累加，對比特能量進行判決，以比特能量最大值對應的比特相位作為比特翻轉邊界；以該比特翻轉邊界為依據(jù)調(diào)整毫秒計數(shù)器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法，其特征在于，所 述某個比特相位對應的比特能量是通過以該比特相位為起點，將之后相鄰的20個C/A周期 的相關值進行相干累加后再進行平方獲得的。
3. 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法，其特征在于，所 述比特能量的最大值和次大值差值的計算采用歸一化的方法。
4. 根據(jù)權利要求3所述的全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法，其特征在于，所 述歸一化方法采用未進行非相干累加的比特能量的最大值和次大值的差值為歸一化單位。
5. 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法，其特征在于，所 述比特能量閾值與錯誤估計概率成反比，并與估計時間成正比。
6. 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法，其特征在于，所 述對計算出的各比特能量進行非相干累加的步驟中，進一步包括采用一個比特同步計數(shù)器，檢測該比特同步計數(shù)器是否溢出，如果該比特同步計數(shù)器 溢出，則對計算出的各比特能量進行判決，以比特能量最大值對應的比特相位為估計的比 特翻轉邊界，并以該比特翻轉邊界為依據(jù)調(diào)整毫秒計數(shù)器。
7. 根據(jù)權利要求6所述的全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法，其特征在于，該 方法進一步包括如果該比特同步計數(shù)器沒有溢出，則繼續(xù)尋找比特能量的最大值和次大值，計算該最 大值與次大值之差，并比較該差值與預先設定的比特能量閾值的大小。
8. 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法，其特征在于，所 述尋找比特能量最大值和次大值及計算二者之差的過程，在每輪20個比特相位對應的比 特能量全部進行了一次非相干之后都進行一次。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種全球定位系統(tǒng)接收機的快速比特同步方法，該方法包括計算每個比特相位所對應的比特能量，并對計算出的各比特能量進行非相干累加；在計算出的各比特能量中尋找比特能量的最大值和次大值，計算該最大值與次大值之差，得到比特能量最大值與次大值的差值；比較該差值與預先設定的比特能量閾值的大小，如果該差值小于比特能量閾值，則進行新一輪的比特能量計算及非相干累加；如果該差值大于或等于比特能量閾值，則終止非相干累加，對比特能量進行判決，以比特能量最大值對應的比特相位作為比特翻轉邊界；以該比特翻轉邊界為依據(jù)調(diào)整毫秒計數(shù)器。利用本發(fā)明，在保證錯誤估計概率足夠低的前提下，能夠有效地縮短比特同步估計時間。
文檔編號G01S5/02GK101726724SQ200810224998
公開日2010年6月9日 申請日期2008年10月29日 優(yōu)先權日2008年10月29日
發(fā)明者鄭睿, 陳杰 申請人:中國科學院微電子研究所