CN101051080B - 一种高灵敏度的gps信号载波跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种新型的高灵敏度的全球卫星定位系统GPS卫星信号载波跟踪方法。本发明通过对载波跟踪环路中锁频环鉴频算法和锁相环鉴相算法的选择，使得载波跟踪环路在快速收敛的同时能够消除由数据调制造成的相位估计误差。在载波跟踪的各阶段利用软件对相关器的输出值进行FIFO缓冲处理，使得接收机灵敏度得到提高并降低频率跟踪误差的标准差。载波跟踪过程中进行两次改进的比特同步，从而提高了低信噪比下GPS信号的比特同步成功率。
Description
技术领域
本发明涉及全球定位技术领域，尤其是一种高灵敏度接收机中卫星信号的载波跟踪方法。
背景技术
常用的GPS(全球卫星定位系统)接收机在完成对GPS信号的捕获后，多采用多路相关器实现对卫星信号的跟踪和对导航数据的解调。每颗卫星传送的GPS信号都是直接序列扩展频谱信号，L1载波频率为1.57542GHz，具有1.023M的粗码(C/A)码速率。C/A码序列长度为1023个码片，对应于1毫秒的时间周期。每颗卫星发射不同的C/A码，接收机接收到的各卫星信号间几乎没有干扰。导航电文以50bps的速率按BPSK方式调制在各卫星信号上，其位边界与C/A码周期的开头对齐；每数据位周期内有20个C/A码周期。由于卫星与用户之间的相对运动等，造成接收机接收到的GPS信号的载波频率存在多普勒频移，为了精确的解算用户接收机的位置和用户的速度，需要去除多普勒频移的影响，该过程称之为载波同步。另外，在解算用户位置和速度前还必须获得C/A码的相位以实现C/A码同步，找到每比特数据的其实码周期以实现比特同步。
在接收到的GPS信号信噪比较低的情况下，载波同步和比特同步都很困能。因此，需要一种简单有效的方法实现低信噪比下完成GPS信号的载波同步与比特同步。
发明内容
本发明给出了一种以相对简单的方法在GPS接收机的基带提高GPS接收机接收灵敏度的方法。在本发明的方法中，对相关器输出值的缓冲处理与传统GPS接收机的预检测积分处理有所不同。相关器是本技术领域为人所熟知的一种技术，可从与本技术领域相关的网站或其他资料中查到详细介绍。本发明中的相关器输出值缓冲器是一种类FIFO缓冲器，载波跟踪环路每次更新时利用该缓冲器中存储数据的累加值作为鉴频器和鉴相器的输入参数，而环路的更新时间仍然是一个C/A码周期。鉴频算法采用四象限反正切、鉴相算法为二象限反正切，通过这种特殊的选择使得整个载波跟踪环路具有较高的收敛速度，且对由数据调制造成的载波相位反转不敏感，从而降低了载波相位估计误差。
一种在接收到的GPS信号信噪比较低的情况下进行载波跟踪的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在进行载波频率和码相位的捕获之后，将相关器的输出值进行缓冲并经过处理后利用处理结果进行载波频率的跟踪，先利用由锁频环辅助的锁相环进行一定时间的载波跟踪，使残余的频率误差降到一定的范围之内，之后在按该方法进行载波跟踪的同时在一定时间内进行第一次比特同步，第一次比特同步完成后根据比特同步结果对系统进行必要的修正，然后进行第二次比特同步，如果第二次比特同步的结果满足算法的要求则继续进行跟踪，并进行数据解调，否则将重新进行GPS信号的捕获。
所述的相关器输出值缓冲及处理是通过对当前输出值及距当前输出时刻最近的多个输出值的缓冲存储并累加实现的.
所述的锁频环鉴频器的鉴频算法采用四象限反正切，同时所述的锁相环鉴相器的鉴相算法采用二象限反正切。
所述的连续两次进行比特同步的方法，且所述的比特同步中采用的直方图算法是仅通过取最大值而获得比特同步并通过综合比较两次比特同步的结果判断是否比特同步成功。
在用本发明中的方法进行GPS信号载波跟踪时，可按以下4个步骤实施：
1)使用一个由锁频环辅助的锁相环实现对GPS信号载波的初始跟踪，在环路工作了一段预先设定的时间后转入第二步；
2)继续使用上述环路进行跟踪，并利用当前时刻和前一时刻相关器的输出值通过计算相邻两个码周期内载波的相位差进行直方图法的比特同步，经过一段时间后，取出直方图中最大值的位置作为一个比特周期的起始位置，并利用比特同步的结果对毫秒计数器进行修改；
3)继续上述跟踪过程，并用相同的方法再次进行比特同步，经过一段时间后，取出直方图中最大值的位置作为一个比特周期的起始位置，如果最大值出现在直方图的第一个位置则认为比特同步成功，否则重新回到第二步，如果比特同步成功且锁定指示器显示载波已锁定则可利用常规的解调方法进行数据解调；
4)如果经过多次(次数可设定)比特同步后仍不能成功的获得比特同步，则可利用常规方法对GPS信号重新捕获。
从下面的详细描述和附图可以清楚地了解本发明的特性。
附图说明
下面通过举例和并非作为限制的附图来描述本发明，图中，相同的标号所表示的意义相同。
图1本发明中载波跟踪环路的方框图。
图2本发明给出的载波跟踪方法进行GPS信号载波跟踪时的方法流程图。
具体实施方式
图1为本发明中载波跟踪环路的方框图，图中各信号含义如下。101为传统GPS接收机中Prompt路相关器输出，该信号可利用中断或软件查询的方式从硬件寄存器获得。每次获得相关器的新输出值101后，送入一个由软件实现的类FIFO缓冲器，该缓冲器的大小可由软件设定。102为该缓冲器中存储值累加后的结果，102被分别送入一个四象限反正切鉴频器和一个二象限反正切鉴相器，可分别得到频率误差估计信号103和相位误差估计信号104。103和104经过环路滤波器后得到数字控制振荡器的控制信号105，该信号控制着数字控制振荡器产生的本地复现载波的频率，106为数字控制振荡器的输出信号。
图2为利用本发明给出的方法进行GPS信号载波跟踪时的方法示意图。
在实现了对GPS信号的正确捕获后，进行数据解调之前，本发明中的方法进行GPS信号载波跟踪时，可按以下4个步骤实施：
1)使用一个由锁频环辅助的锁相环实现对GPS信号载波的初始跟踪，在环路工作了一段预先设定的时间后转入第二步；
2)继续使用上述环路进行跟踪，并利用当前时刻和前一时刻相关器的输出值通过计算相邻两个码周期内载波的相位差进行直方图法的比特同步，经过一段时间后，取出直方图中最大值的位置作为一个比特周期的起始位置，并利用比特同步的结果对毫秒计数器进行修改；
3)继续上述跟踪过程，并用相同的方法再次进行比特同步，经过一段时间后，取出直方图中最大值的位置作为一个比特周期的起始位置，如果最大值出现在直方图的第一个位置则认为比特同步成功，否则重新回到第二步，如果比特同步成功且锁定指示器显示载波已锁定则可利用常规的解调方法进行数据解调；
4)如果经过多次(次数可设定)比特同步后仍不能成功的获得比特同步，则可利用常规方法对GPS信号重新捕获。其中前3个步骤决定了环路的三种工作状态。每一种状态的入口都是检测相关器Prompt路是否有新数据输出，如果有则将新数据存入长度为N(N可自由设定，例如设为5)的类FIFO缓冲器，并对类FIFO缓冲器的存储数据进行求和运算，然后判断环路状态并转到相应的状态处理模块。每种状态的持续时间通过预先设定的三个时间门限确定，例如三种状态的工作时间都可设定为2秒。环路状态三的结束标志着步骤三的完成，则按步骤四判断环路是否锁定。具体实现过程如下：
(1)对类FIFO缓冲器的存储数据进行求和运算，然后判断环路状态。如果环路处于状态一，则通过FLL辅助的PLL完成频偏校正。本状态不进行比特同步。在所需操作结束后，判断是否达到规定工作时间。如果达到规定工作时间就在新数据产生时转入状态二，否则继续工作在状态二并等待新数据的产生。
(2)对类FIFO缓冲器的存储数据进行求和运算，然后判断环路状态。如果环路处于状态二，则继续通过FLL辅助的PLL完成频偏校正。然后用直方图法进行比特同步，并判断是否并达到规定工作时间。如果达到规定工作时间就获取直方图中最大值的位置，然后根据最大值的位置对毫秒计数进行校正，结束状态二并在新数据产生后转入状态三。如果未达到规定时间，则继续工作在状态二并等待新数据的产生。
(3)对类FIFO缓冲器的存储数据进行求和运算，然后判断环路状态。当环路工作在状态三时，进行第二次比特同步，状态结束时取出直方图中最大值的位置，若最大值位置为1则认为比特同步成功，可转入数据解调过程，否则认为比特同步失败。如果比特同步失败则判断总的比特同步次数是否超过预先设定的门限值，如果没有则重新返回状态二，否则结束跟踪程序，重新对GPS信号进行捕获。
(4)如果在状态三结束时判定没有正确捕获GPS信号，则重新用常规方法进行捕获。
Claims (5)
1.一种在接收到的GPS信号信噪比较低的情况下进行载波跟踪的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在实现对载波频率和码相位的捕获之后，将相关器的输出值进行缓冲并对存储的数据进行求和运算后利用求和结果进行载波频率的跟踪，先利用由锁频环辅助的锁相环进行一定时间的载波跟踪，使残余的频率误差降到一定的范围之内，之后在按该方法进行载波跟踪的同时在一定时间内进行第一次比特同步，第一次比特同步完成后根据比特同步结果对系统进行必要的修正，然后进行第二次比特同步，如果第二次比特同步的结果满足算法的要求则继续进行跟踪，并进行数据解调，否则将重新进行GPS信号的捕获；
其中，在进行第一次比特同步和第二次比特同步时，采用的均是利用当前时刻和前一时刻相关器的输出值通过计算相邻两个码周期内载波的相位差进行直方图法进行的。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的相关器输出值缓冲及对存储的数据进行求和运算，是通过对当前输出值及距当前输出时刻最近的多个输出值的缓冲存储并累加实现的。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述锁频环的鉴频器的鉴频算法采用四象限反正切，同时所述锁相环的鉴相器的鉴相算法采用二象限反正切。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的连续两次进行比特同步的方法，且所述的比特同步中采用的直方图算法是仅通过取最大值而获得比特同步并通过综合比较两次比特同步的结果判断是否比特同步成功。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，其具体步骤如下：
1)使用一个由锁频环辅助的锁相环实现对GPS信号载波的初始跟踪，在环路工作了一段预先设定的时间后转入第二步；
2)继续使用上述环路进行跟踪，并利用当前时刻和前一时刻相关器的输出值通过计算相邻两个码周期内载波的相位差进行直方图法的比特同步，经过一段时间后，取出直方图中最大值的位置作为一个比特周期的起始位置，并利用比特同步的结果对毫秒计数器进行修改；
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