CN101051081A - 一种可变增益的高灵敏度gps接收机基带频率跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
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。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改变载波跟踪环路中鉴频器增益、鉴相器增益和数字控制振荡器的增益，使得接收机灵敏度得到显著提高并降低了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全球卫星定位系统(GPS)卫星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。导航卫星传送的GPS信号都是直接序列扩展频谱信号，载波频率为1.57542GHz，粗码(C/A)码的码速率为1.023Mchip/s。C/A码序列的码长为1023，对应的时间周期为1毫秒。每颗卫星发射不同的C/A码，在接收机端实现码分多址，因此接收机接收到的各卫星信号间几乎没有干扰。导航电文按50bps的速率以BPSK方式调制在各卫星信号上，各导航数据的位边界与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，同时因为接收机与卫星之间无法理想同步，所以接收机中本地复现码一般与接收到的GPS信号C/A码不同步。为了精确的解算用户接收机的位置和用户的速度，必须实现载波同步和码同步。另外，还必须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
本发明给出了一种在GPS接收机基带提高GPS接收机接收灵敏度的方法，该方法简单有效易于实现。在本发明的方法中，相关器输出值直接送入鉴频器和鉴相器进行频率误差和相位误差的估计，无需进行任何形式的累加，因此环路的更新时间仍然是一个C/A码周期。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。鉴频算法和鉴相算法都采用四象限反正切，整个载波跟踪环路具有很高的收敛速度。本发明仅通过对鉴频器增益和数字控制振荡器增益的调整，其他环路参数均无需改变，即可实现高灵敏度的GPS信号跟踪。
一种在信噪比较低的情况下对GPS信号进行载波跟踪的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在实现对GPS信号的捕获之后，先利用具有高增益鉴频器和低增益数字控制振荡器的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，之后在按该方法分别降低鉴频器和数字控制振荡器的增益继续进行载波跟踪，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，进一步降低上述增益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。
所述的鉴频器增益和数字控制振荡器的增益的渐变方式。
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，可按以下三个步骤实施：
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，鉴频器增益选取较高值但不宜过大(一般不超过5)，数字控制振荡器增益稍小于1，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，用直方图法进行比特同步，本阶段鉴频器增益、数字控制振荡器增益的选取相对前一阶段有所降低；
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，否则认为比特同步失败，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，否则重新进行GPS信号的捕获。本阶段鉴频器增益、数字控制振荡器增益都小于1，但仍为10-1数量级。
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案进行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。每次获得的相关器新输出值101被分别送入一个四象限反正切鉴频器和一个四象限反正切鉴相器，可分别得到频率误差估计信号102和相位误差估计信号103。102和103经过环路滤波器后处理后得到数字控制振荡器的控制信号104，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，105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案进行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，进行GPS信号载波跟踪时，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，鉴频器增益选取较高值但不宜过大，数字控制振荡器增益稍小于1，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，用直方图法进行比特同步，本阶段鉴频器增益、数字控制振荡器增益的选取相对前一阶段有所降低；
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，否则认为比特同步失败，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，否则重新进行GPS信号的捕获。本阶段鉴频器增益、数字控制振荡器增益都小于1，但仍为10-1数量级。
4)判断环路是否锁定，成功锁定则转入数据解调，否则可利用常规方法对GPS信号重新捕获。
前3个步骤决定了环路的一种工作状态，共三种状态。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，如果有则判断环路工作状态并转到相应的处理模块。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)。在每个状态中，环路都是通过FLL辅助的PLL完成频偏校正。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)判断是否有新数据产生，如果有则判断环路状态。环路处于状态一时，通过FLL辅助的PLL完成频偏校正。此时鉴频器增益和数字控制振荡器的增益相对与其他两个工作状态较高，例如鉴频器增益和数字控制振荡器增益可设为1以上。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。当状态一结束时系统的残余频偏可以降低到正负10赫兹以内。
(2)判断是否有新数据产生，如果有则判断环路状态。环路处于状态二时，需降低鉴频器增益和数字控制振荡器的增益(例如可降为0.5左右)，并继续通过FLL辅助的PLL完成频偏校正。利用直方图法进行比特同步。判断是否并达到规定工作时间。如果达到规定工作时间则获取直方图中最大值的位置，根据最大值的位置对毫秒计数进行校正，最后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)判断是否有新数据产生，如果有则判断环路状态。环路工作在状态三时，需再次降低鉴频器增益和数字控制振荡器的增益，此时两个增益都为10-2数量级。通过FLL辅助的PLL完成频偏校正。进行第二次比特同步，并在达到规定工作时间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，否则认为比特同步失败。若比特同步成功而且载波锁定指示器显示载波已经锁定则可转入数据解调过程。如果比特同步失败或载波锁定指示器显示载波未锁定，则重新对GPS信号进行捕获。如果未达到规定工作时间，则继续工作在状态三并等待新数据的产生。
(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 (4)
1、一种在信噪比较低的情况下对GPS信号进行载波跟踪的方法，其特征在于，包括以下步骤：
在实现对GPS信号的捕获之后，先利用具有高增益鉴频器和低增益数字控制振荡器的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，之后在按该方法分别降低鉴频器和数字控制振荡器的增益继续进行载波跟踪，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，进一步降低上述增益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。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的鉴频器增益和数字控制振荡器的增益的渐变方式。
3、如权利要求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。
4、如权利要求1所述的方法，其特征在于，进行GPS信号载波跟踪时，具体步骤：
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，鉴频器增益选取较高值但不宜过大，数字控制振荡器增益稍小于1，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，用直方图法进行比特同步，本阶段鉴频器增益、数字控制振荡器增益的选取相对前一阶段有所降低；
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，否则认为比特同步失败，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，否则重新进行GPS信号的捕获，本阶段鉴频器增益、数字控制振荡器增益都小于1，但仍为10-1数量级；
4)判断环路是否锁定，成功锁定则转入数据解调，否则可利用常规方法对GPS信号重新捕获。
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