專利名稱：Gps接收機(jī)基帶模塊和gps信號(hào)捕獲及跟蹤方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種GPS接收機(jī)設(shè)備，尤其是涉及一種GPS接收機(jī)基帶模塊和GPS信號(hào)捕獲及跟蹤方法。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星定位系統(tǒng)是一種以衛(wèi)星為基礎(chǔ)的無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，能為陸、海、空的各類載體提供全天候、不間斷、高精度、實(shí)時(shí)導(dǎo)航定位服務(wù)。目前，應(yīng)用最廣的衛(wèi)星定位系統(tǒng)是美國的 GPS，已經(jīng)滲透到國民經(jīng)濟(jì)與日常生活的各個(gè)領(lǐng)域，如海上航行、城市交通管理、商業(yè)物流管理、船舶遠(yuǎn)洋導(dǎo)航、精密受時(shí)、大地測(cè)量、精細(xì)農(nóng)業(yè)等。GPS信號(hào)(擴(kuò)頻信號(hào))到達(dá)地面接收機(jī)時(shí)已相當(dāng)微弱，大約為_130dBmW，比接收機(jī)內(nèi)部熱噪聲低20 30dB。特別的，在室內(nèi)、城市、森林等復(fù)雜環(huán)境(本文中統(tǒng)稱為室內(nèi)環(huán)境) 中，GPS接收信噪比更低，而室內(nèi)環(huán)境恰是人類活動(dòng)的主要環(huán)境之一。可見，導(dǎo)航接收機(jī)的靈敏度成為限制其應(yīng)用的重要因素之一。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明主要是解決現(xiàn)有技術(shù)所存在的GPS接收機(jī)在室內(nèi)環(huán)境存在信號(hào)遮擋和受干擾的環(huán)境下不能給出定位結(jié)果的不足，提供一種高靈敏度接收GPS信號(hào)的無線電接收機(jī)基帶處理模塊方案。本發(fā)明針對(duì)上述技術(shù)問題主要是通過下述技術(shù)方案得以解決的一種GPS接收機(jī)基帶模塊，包括依次連接的捕獲和跟蹤模塊、同步與導(dǎo)航電文提取模塊、選星計(jì)算模塊、觀測(cè)量計(jì)算模塊、誤差校正模塊和導(dǎo)航定位解算模塊，捕獲和跟蹤模塊包括第一乘法器和第二乘法器，第一乘法器輸出端通過第一積分電路連接第一傅里葉變換電路，第二乘法器的輸出端通過第二積分電路連接第一傅里葉變換電路，第一傅里葉變換電路連接第三乘法器的一個(gè)輸入端，第二傅里葉變換電路的輸入端連接本地碼生成電路，第二傅里葉變換電路輸出傅里葉變換結(jié)果的共軛到第三乘法器的另一輸入端，第三乘法器的輸出端通過傅里葉逆變換電路連接鑒別器的輸入端，鑒別器的輸出端連接濾波器的輸入端，濾波器的一個(gè)輸出端連接本地碼生成電路，濾波器的另一個(gè)輸出端連接本地載波生成電路和模糊邏輯算法電路，模糊邏輯算法電路輸入端連接輔助信息電路，模糊邏輯算法電路的輸出端連接本地載波生成電路和環(huán)路階數(shù)控制電路，第一乘法器的兩個(gè)輸入端分別連接射頻前端電路和本地載波生成電路的同相載波輸出端，第二乘法器的兩個(gè)輸入端分別連接射頻前端電路和本地載波生成電路的正交載波輸出端。作為優(yōu)選，鑒別器包括四象限反正切鑒別器和點(diǎn)積型鑒相器，鎖頻環(huán)為叉積型鑒頻器。作為優(yōu)選，濾波器為自適應(yīng)卡爾曼濾波器。一種GPS信號(hào)捕獲及跟蹤方法，包括以下步驟
步驟a、利用以前存儲(chǔ)在接收機(jī)內(nèi)的星歷數(shù)據(jù)，采用極大似然法估計(jì)多普勒頻移，確定本地載波搜索的初始頻率、本地偽碼搜索的初始相位；
步驟b、中頻采樣信號(hào)y (η)分別與本地載波量化信號(hào)和90度相移的本地載波相乘，產(chǎn)生同相I和正交Q兩路信號(hào)；
步驟c、對(duì)同相I信號(hào)和正交Q信號(hào)分別通過積分電路進(jìn)行積分，然后對(duì)χ (n) =I+jQ進(jìn)行快速傅里葉變換；
步驟d、將步驟c得到的結(jié)果與本地C碼量化序列的快速傅里葉變換結(jié)果的共軛相乘； 步驟e、對(duì)步驟d的結(jié)果進(jìn)行快速傅里葉逆變換，得到相關(guān)值r (m)，如果有r (m)大于指定閾值，則轉(zhuǎn)入步驟f，否則轉(zhuǎn)入步驟g ；
步驟f、選出最大者r(m)所對(duì)應(yīng)的m，則碼相位τ =碼長*m/M，M為一個(gè)偽碼周期內(nèi)總的采樣點(diǎn)數(shù)，載波頻率為當(dāng)前本地載波頻率，然后轉(zhuǎn)入步驟h ；
步驟g、如果沒有r(m)大于指定閾值，則以500Hz的步長調(diào)整本地載波頻率，返回步驟
b ；
步驟h、捕獲以后，偽碼跟蹤環(huán)路對(duì)偽碼進(jìn)行跟蹤。作為優(yōu)選，每隔50ms-200ms建模校正積分電路的時(shí)鐘頻率，以便降低接收機(jī)時(shí)鐘振蕩器相位噪聲對(duì)積分累加的影響。接收機(jī)時(shí)鐘振蕩器的相位噪聲會(huì)帶來時(shí)鐘頻率的漂移，而時(shí)鐘頻率的漂移限制了積分累加時(shí)間的長度，通過校正可以減小漂移，延長步驟c中的積分時(shí)間，減輕或去除積分累加時(shí)間上的限制，提高信號(hào)處理增益和捕獲靈敏度。作為優(yōu)選，跟蹤GPS信號(hào)包括以下步驟
步驟i、采用一階AFC (自動(dòng)頻率控制)及二階costas (科斯塔斯)環(huán)進(jìn)行頻率和相位的粗跟蹤，
步驟j、利用二階AFC及三階costas環(huán)進(jìn)行精跟蹤，
步驟k、基于FFT以及相關(guān)技術(shù)檢測(cè)解擴(kuò)后接收信號(hào)與本地載波的頻率之差，當(dāng)失鎖后控制載波NC0，快速進(jìn)行重新跟蹤；
作為優(yōu)選，步驟j中，對(duì)于costas環(huán)，在微弱信號(hào)的條件下采用四象限反正切鑒相器作為環(huán)路鑒別器；而在高信噪比的條件下，采用點(diǎn)積型鑒相器作為環(huán)路鑒別器；鎖頻環(huán)采用叉積型鑒頻器。作為優(yōu)選，依據(jù)估計(jì)得到的載體速度和跟蹤頻率誤差，設(shè)計(jì)模糊邏輯算法輔助粗跟蹤和精跟蹤間的轉(zhuǎn)換，并控制載波NC0，以便在降低噪聲帶寬的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。作為優(yōu)選，使用模糊邏輯算法控制鎖頻環(huán)路(FLL)濾波器參數(shù)，使其能夠根據(jù)環(huán)境的變化自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整環(huán)路帶寬，當(dāng)鑒頻器輸出頻差比較大時(shí)，增大環(huán)路濾波器的帶寬，；當(dāng)鑒頻器輸出頻差減小時(shí)，減小環(huán)路濾波器的帶寬。作為優(yōu)選，模糊邏輯算法的輸入為濾波新息平均值絕對(duì)值和均方差，輸出為調(diào)整濾波器噪聲方差參數(shù)Q、R的系數(shù)。本發(fā)明帶來的實(shí)質(zhì)性效果是，可在GPS信號(hào)受到遮擋、環(huán)境噪聲較大時(shí)穩(wěn)定的給出定位結(jié)果。


圖1是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意圖2是本發(fā)明的一種捕獲和跟蹤模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1、捕獲和跟蹤模塊，2、同步與導(dǎo)航電文提取模塊，3、選星計(jì)算模塊，4、觀測(cè)量計(jì)算模塊，5、誤差校正模塊，6、導(dǎo)航定位解算模塊，7、射頻前端電路，101、第一乘法器，102、第二乘法器，103、第一積分電路，104、第二積分電路，105、第一傅里葉變換電路，106、第三乘法器，107、傅里葉逆變換電路，108、鑒別器，109、濾波器，110、本地碼生成電路，111、第二傅里葉變換電路，112、模糊邏輯算法電路，113、本地濾波生成電路，114、環(huán)路階數(shù)控制電路， 115、輔助信息電路。
具體實(shí)施例方式下面通過實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說明。實(shí)施例本實(shí)施例的一種GPS接收機(jī)基帶模塊，如圖1所示，包括依次連接的捕獲和跟蹤模塊1、同步與導(dǎo)航電文提取模塊2、選星計(jì)算模塊3、觀測(cè)量計(jì)算模塊4、誤差校正模塊5和導(dǎo)航定位解算模塊6，捕獲和跟蹤模塊1與射頻前端電路7連接。如圖2所示，捕獲和跟蹤模塊1包括第一乘法器101和第二乘法器102，第一乘法器101輸出端通過第一積分電路103連接第一傅里葉變換電路105，第二乘法器102的輸出端通過第二積分電路104連接第一傅里葉變換電路105，第一傅里葉變換電路105連接第三乘法器106的一個(gè)輸入端，第二傅里葉變換電路111的輸入端連接本地碼生成電路110，第二傅里葉變換電路111輸出傅里葉變換結(jié)果的共軛到第三乘法器106的另一輸入端，第三乘法器106的輸出端通過傅里葉逆變換電路107連接鑒別器108的輸入端，鑒別器108的輸出端連接濾波器109的輸入端，濾波器109的一個(gè)輸出端連接本地碼生成電路110，濾波器109的另一個(gè)輸出端連接本地載波生成電路113和模糊邏輯算法電路112，模糊邏輯算法電路112輸入端連接輔助信息電路115，模糊邏輯算法電路112的輸出端連接本地載波生成電路113和環(huán)路階數(shù)控制電路114，第一乘法器101的兩個(gè)輸入端分別連接射頻前端電路7 和本地載波生成電路113的同相載波輸出端，第二乘法器102的兩個(gè)輸入端分別連接射頻前端電路7和本地載波生成電路113的正交載波輸出端。鑒別器108包括四象限反正切鑒別器和點(diǎn)積型鑒相器，鎖頻環(huán)為叉積型鑒頻器。 濾波器為自適應(yīng)卡爾曼濾波器。輔助信息電路115包括星歷數(shù)據(jù)模塊和多普勒頻率估計(jì)模塊，星歷數(shù)據(jù)模塊連接多普勒頻率估計(jì)模塊。讓處于微弱信號(hào)環(huán)境下的GPS接收機(jī)正常工作，需降低接收機(jī)對(duì)輸入信噪比的要求，意味著捕獲需要較長時(shí)間的數(shù)據(jù)，采用積分累加以便獲得足夠高的處理增益。為此采用以下改進(jìn)方法
1)高靈敏度的快速捕獲算法
本實(shí)施例采用擬合法等建模校正技術(shù)每隔100毫秒降低振蕩器相位噪聲對(duì)積分累加的影響，減輕或去除積分累加時(shí)間上的限制，提高對(duì)弱信號(hào)的捕獲能力。2)高靈敏度的載波跟蹤技術(shù)
GNSS (全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))接收機(jī)捕獲GNSS信號(hào)后需要采用碼跟蹤環(huán)路和載波跟蹤環(huán)路分別對(duì)偽碼相位和載波頻率進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)，并精確跟蹤他們的變化。為增強(qiáng)對(duì)弱信號(hào)的跟蹤能力，并降低載體機(jī)動(dòng)對(duì)跟蹤的影響，本專利研究并設(shè)計(jì)一種鎖頻和鎖相相結(jié)合、粗跟蹤環(huán)路和精跟蹤環(huán)路相結(jié)合的載波跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)，提出依據(jù)動(dòng)態(tài)環(huán)境和信噪比來實(shí)時(shí)調(diào)整跟蹤環(huán)路參數(shù)(帶寬和環(huán)路階數(shù))的跟蹤環(huán)路優(yōu)化策略，分別設(shè)計(jì)模糊邏輯算法實(shí)時(shí)調(diào)整跟蹤環(huán)路階數(shù)和帶寬，使環(huán)路性能達(dá)到最佳。為了提高復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境中定位的連續(xù)性，降低衛(wèi)星信號(hào)失鎖時(shí)間和失鎖概率，在上述所提載波跟蹤環(huán)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究采用FFT (快速傅里葉變換)等技術(shù)設(shè)計(jì)算法，檢測(cè)解擴(kuò)后接收信號(hào)與本地載波的頻率之差，并牽引失鎖后的跟蹤頻差，以便控制環(huán)路在動(dòng)態(tài)或其它故障消失后快速恢復(fù)跟蹤。具體方案如下
a)采用星歷或歷書數(shù)據(jù)輔助載波捕獲和跟蹤，且跟蹤環(huán)路濾波器采用卡爾曼濾波器， 環(huán)路總體結(jié)構(gòu)示意圖參見圖1所示。b)采用一階AFC (自動(dòng)頻率控制)及二階costas環(huán)進(jìn)行頻率和相位的粗跟蹤，然后利用二階AFC及三階costas環(huán)進(jìn)行精跟蹤。對(duì)于costas環(huán)，為了避免歸一化對(duì)微弱信號(hào)的跟蹤影響，在微弱信號(hào)的條件下采用四象限反正切鑒相器作為環(huán)路鑒別器；而在高信噪比的條件下，采用點(diǎn)積型鑒相器作為環(huán)路鑒別器；鎖頻環(huán)采用叉積型鑒頻器。c)依據(jù)估計(jì)得到的載體速度和跟蹤頻率誤差，設(shè)計(jì)模糊邏輯算法輔助粗跟蹤和精跟蹤間的轉(zhuǎn)換，并控制載波NCO (數(shù)字控制振蕩器)，以便在降低噪聲帶寬的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速跟
S示οd)基于FFT以及相關(guān)技術(shù)檢測(cè)解擴(kuò)后接收信號(hào)與本地載波的頻率之差，用于失鎖后控制載波NC0，以便快速的重新跟蹤。e)設(shè)計(jì)模糊邏輯算法控制鎖頻環(huán)路(FLL)濾波器參數(shù)，使其能夠根據(jù)環(huán)境的變化自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整環(huán)路帶寬，緩解動(dòng)態(tài)應(yīng)力和抗噪聲性能之間的矛盾，提高環(huán)路動(dòng)態(tài)性能和跟蹤精度。模糊邏輯算法能夠依據(jù)輸入的頻率誤差經(jīng)模糊邏輯推理運(yùn)算得到輸出調(diào)整量，調(diào)整FLL環(huán)路跟蹤帶寬，兼顧動(dòng)態(tài)范圍及精度當(dāng)鑒頻器輸出頻差比較大時(shí)，通過模糊邏輯算法調(diào)整增大環(huán)路濾波器的帶寬，保證一定的跟蹤動(dòng)態(tài)范圍；當(dāng)鑒頻器輸出頻差減小時(shí)，通過模糊邏輯算法調(diào)整減小環(huán)路濾波器的帶寬，提高環(huán)路的跟蹤精度。3)自適應(yīng)技術(shù)
低信噪比、高動(dòng)態(tài)等不同應(yīng)用環(huán)境對(duì)GNSS信號(hào)跟蹤性能有截然不同的要求，要想在各種應(yīng)用環(huán)境下都具有較高精度，要求GNSS接收機(jī)能夠根據(jù)環(huán)境的變化自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整環(huán)路帶寬等參數(shù)，緩解甚至消除動(dòng)態(tài)應(yīng)力和抗噪聲性能之間的矛盾，統(tǒng)籌考慮并兼顧跟蹤環(huán)路動(dòng)態(tài)性能和跟蹤精度。為了提高對(duì)應(yīng)用和環(huán)境的適應(yīng)能力，本專利設(shè)計(jì)自適應(yīng)Kalman (卡爾曼)濾波器改進(jìn)跟蹤環(huán)路濾波器，使環(huán)路濾波器參數(shù)能夠依據(jù)動(dòng)態(tài)和環(huán)境噪聲的變化而自動(dòng)調(diào)整。本專利采用自適應(yīng)Kalman濾波技術(shù)來估計(jì)跟蹤誤差、實(shí)現(xiàn)GNSS信號(hào)跟蹤的方法。自適應(yīng)卡爾曼濾波器部分?jǐn)M采用如下濾波器模型為基礎(chǔ)展開研究
狀態(tài)方程
權(quán)利要求
1.一種GPS接收機(jī)基帶模塊，包括依次連接的捕獲和跟蹤模塊、同步與導(dǎo)航電文提取模塊、選星計(jì)算模塊、觀測(cè)量計(jì)算模塊、誤差校正模塊和導(dǎo)航定位解算模塊，其特征在于，所述捕獲和跟蹤模塊包括第一乘法器和第二乘法器，所述第一乘法器輸出端通過第一積分電路連接第一傅里葉變換電路，所述第二乘法器的輸出端通過第二積分電路連接第一傅里葉變換電路，所述第一傅里葉變換電路連接第三乘法器的一個(gè)輸入端，第二傅里葉變換電路的輸入端連接本地碼生成電路，所述第二傅里葉變換電路輸出傅里葉變換結(jié)果的共軛到第三乘法器的另一輸入端，所述第三乘法器的輸出端通過傅里葉逆變換電路連接鑒別器的輸入端，所述鑒別器的輸出端連接濾波器的輸入端，所述濾波器的一個(gè)輸出端連接本地碼生成電路，所述濾波器的另一個(gè)輸出端連接本地載波生成電路和模糊邏輯算法電路，所述模糊邏輯算法電路輸入端連接輔助信息電路，所述模糊邏輯算法電路的輸出端連接本地載波生成電路和環(huán)路階數(shù)控制電路，所述第一乘法器的兩個(gè)輸入端分別連接射頻前端電路和本地載波生成電路的同相載波輸出端，所述第二乘法器的兩個(gè)輸入端分別連接射頻前端電路和本地載波生成電路的正交載波輸出端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GPS接收機(jī)基帶模塊，其特征在于，所述鑒別器包括四象限反正切鑒別器和點(diǎn)積型鑒相器，所述鎖頻環(huán)為叉積型鑒頻器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的GPS接收機(jī)基帶模塊，其特征在于，所述濾波器為自適應(yīng)卡爾曼濾波器。
4.一種GPS信號(hào)捕獲及跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟步驟a、利用以前存儲(chǔ)在接收機(jī)內(nèi)的星歷數(shù)據(jù)，采用極大似然法估計(jì)多普勒頻移，確定本地載波搜索的初始頻率、本地偽碼搜索的初始相位；步驟b、中頻采樣信號(hào)y (η)分別與本地載波量化信號(hào)和90度相移的本地載波相乘，產(chǎn)生同相I和正交Q兩路信號(hào)；步驟C、對(duì)同相I信號(hào)和正交Q信號(hào)分別通過積分電路進(jìn)行積分，然后對(duì)χ (n) =I+jQ進(jìn)行快速傅里葉變換；步驟d、將步驟c得到的結(jié)果與本地C碼量化序列的快速傅里葉變換結(jié)果的共軛相乘； 步驟e、對(duì)步驟d的結(jié)果進(jìn)行快速傅里葉逆變換，得到相關(guān)值r (m)，如果有r (m)大于指定閾值，則轉(zhuǎn)入步驟f，否則轉(zhuǎn)入步驟g ；步驟f、選出最大者r(m)所對(duì)應(yīng)的m，則碼相位τ =碼長*m/M，M為一個(gè)偽碼周期內(nèi)總的采樣點(diǎn)數(shù)，載波頻率為當(dāng)前本地載波頻率，然后轉(zhuǎn)入步驟h ；步驟g、如果沒有r(m)大于指定閾值，則以500Hz的步長調(diào)整本地載波頻率，返回步驟b ；步驟h、捕獲以后，偽碼跟蹤環(huán)路對(duì)偽碼進(jìn)行跟蹤。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GPS信號(hào)捕獲及跟蹤方法，其特征在于，每隔50ms-200ms建模校正積分電路的時(shí)鐘頻率。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GPS信號(hào)捕獲及跟蹤方法，其特征在于，跟蹤GPS信號(hào)包括以下步驟步驟i、采用一階AFC及二階costas環(huán)進(jìn)行頻率和相位的粗跟蹤， 步驟j、利用二階AFC及三階costas環(huán)進(jìn)行精跟蹤，步驟k、基于FFT以及相關(guān)技術(shù)檢測(cè)解擴(kuò)后接收信號(hào)與本地載波的頻率之差，當(dāng)失鎖后控制載波NC0，快速進(jìn)行重新跟蹤。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的GPS信號(hào)捕獲及跟蹤方法，其特征在于，步驟j中，對(duì)于 costas環(huán)，在微弱信號(hào)的條件下采用四象限反正切鑒相器作為環(huán)路鑒別器；而在高信噪比的條件下，采用點(diǎn)積型鑒相器作為環(huán)路鑒別器；鎖頻環(huán)采用叉積型鑒頻器。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的GPS信號(hào)捕獲及跟蹤方法，其特征在于，依據(jù)估計(jì)得到的載體速度和跟蹤頻率誤差，設(shè)計(jì)模糊邏輯算法輔助粗跟蹤和精跟蹤間的轉(zhuǎn)換，并控制載波NC0， 以便在降低噪聲帶寬的同時(shí)實(shí)現(xiàn)快速跟蹤。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的GPS信號(hào)捕獲及跟蹤方法，其特征在于，使用模糊邏輯算法控制鎖頻環(huán)路濾波器參數(shù)，使其能夠根據(jù)環(huán)境的變化自適應(yīng)的動(dòng)態(tài)調(diào)整環(huán)路帶寬，當(dāng)鑒頻器輸出頻差比較大時(shí)，增大環(huán)路濾波器的帶寬，；當(dāng)鑒頻器輸出頻差減小時(shí)，減小環(huán)路濾波器的帶寬。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的GPS信號(hào)捕獲和跟蹤方法，其特征在于，模糊邏輯算法的輸入為濾波新息平均值絕對(duì)值和均方差，輸出為調(diào)整濾波器噪聲方差參數(shù)Q、R的系數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種GPS接收機(jī)基帶模塊和GPS信號(hào)捕獲及跟蹤方法。它包括依次連接的捕獲和跟蹤模塊、同步與導(dǎo)航電文提取模塊、選星計(jì)算模塊、觀測(cè)量計(jì)算模塊、誤差校正模塊和導(dǎo)航定位解算模塊，捕獲和跟蹤模塊與射頻前端電路連接。通過快速捕獲算法和高靈敏度載波跟蹤技術(shù)實(shí)現(xiàn)弱信號(hào)、高噪聲環(huán)境下的GPS定位。本發(fā)明適用于所有的GPS定位設(shè)備。
文檔編號(hào)G01S19/29GK102435999SQ20111032842
公開日2012年5月2日 申請(qǐng)日期2011年10月26日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月26日
發(fā)明者高法欽 申請(qǐng)人:浙江理工大學(xué)