CN101441260A - 一种全球定位接收机跟踪系统及其跟踪方法 - Google Patents

Abstract

一种全球定位接收机跟踪系统及其方法，其中该方法包括：对目标卫星的多普勒频偏进行估计，以估计的多普勒频偏为中心偏移数个频率更新步长获得多个本地载波多普勒，同时更新多个相同的跟踪子通道，进而让各跟踪子通道独立跟踪，并检测每个通道的信号强度并以信号强度最大的跟踪通道的跟踪多普勒作为目标卫星的多普勒频偏估计，并以此为依据重新更新各个跟踪子通道实现持续跟踪。这种多通道组合跟踪方法在获取一个较精确的频率起始估计的前提下，不需要其他信息辅助，并能够大幅度提高跟踪灵敏度和跟踪的鲁棒性。还可以和已有设计的各种载波跟踪环组合使用，获得更好的性能。且结构简单，易于实现和移植。

Description

一种全球定位接收机跟踪系统及其跟踪方法

技术领域

本发明涉及全球卫星定位与导航领域，特别是一种用于全球定位系统接收机的跟踪技术。

背景技术

全球卫星定位与导航系统，例如全球定位系统(GPS)，包括一组发送GPS信号的一个卫星星座(又被称为Navstar卫星)，该GPS信号能被接收机用来确定该接收机的位置。卫星轨道被安排在多个平面内，以便在地球上任何位置都能从至少四颗卫星接收该种信号。更典型的情况是，在地球上绝大多数地方都能从六颗以上卫星接收该种信号。

每一颗GPS卫星所发送的GPS信号都是直接序列扩频信号。商业上使用的信号与标准定位服务(SPS)有关，而且被称之为粗码(C/A码)的直接序列二相扩频信号，在1575.42MHz的载波下，具有每秒1.023兆码片的速率。伪随机噪声(PN)序列长度是1023个码片，对应于1毫秒的时间周期。每一颗卫星发射不同的PN码(Gold码)，使得信号能够从几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。术语“卫星星号”和这个PN码相关，可以用以标示不同的GPS卫星。

GPS的调制信号是导航电文(又被称为D码)和PN码的组合码。导航电文的速率为每秒50比特。D码的基本单位是一个1500比特的主帧，主帧又分为5个300比特的子帧。其中子帧一包含了标识码，星种数据龄期，卫星时钟修正参数信息。子帧二和子帧三包含了实时的GPS卫星星历(ephemeris)，星历是当前导航定位信息的最主要内容。利用子帧一至子帧三的信息即可以实现定位，完成定位的基本任务。子帧四和子帧五包含了1-32颗卫星的健康状况，UTC校准信息和电离层修正参数及1-32颗卫星的历书(almanac)。历书是卫星星历参数的简化子集，用于预测相对于接收机的可见卫星及其多普勒频偏。历书每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至2个月。

对某颗卫星的信号实现跟踪是全球定位系统接收机进行伪距测量进而实现定位解算的前提。跟踪灵敏度是度量全球定位系统接收机跟踪能力乃至全球定位系统接收机整体性能的重要指标。GPS系统设计保证了在空旷天空的情况下，GPS接收机接收到的卫星信号大于-130dBm。但是城市峡谷、密林、高架乃至室内等卫星信号遮挡严重情况下，卫星信号的强度往往低于-155dBm甚至-160dBm。然而跟踪灵敏度的高低直接决定了全球定位系统接收机在上述情况下定位的性能甚至是否可用。早期的商用GPS接收机的跟踪灵敏度大概在-150dBm左右。而现代接收机的最高水平在-157dBm～-161dBm，且达到这样的指标往往是以百万计的相关器的硬件规模为代价的。如何提高跟踪灵敏度同时保证硬件规模在可以接收的范围内是全球定位系统接收机的一个核心技术。另外在极低信噪比下，传统跟踪通道的鲁棒性常常很低，表现为在极低信噪比时稍受扰动，跟踪通道即有可能失锁。

GPS基带芯片是GPS接收机中处理基带信号的芯片，是整个GPS接收机的核心。本发明的各种方法均在GPS基带芯片中实现。为方便起见，本发明中“接收机”均指“GPS基带芯片”。

图1描述了一个典型的全球定位系统接收机实现定位解算的方法。已知四颗卫星的位置101以及这四颗卫星和接收机之间的伪距102，即可以通过所谓“伪距观测方程”计算出接收机的位置103和接收机时间相对卫星时间的误差值，完成了定位解算的工作。

图2描述了一个典型的GPS接收机定位流程。图2所示过程是从接收机上电初始化201开始，直至解算出接收机位置206结束。通常接收机上电后进入捕获状态202，搜索视线内的卫星、该卫星的载波频率和PN码的码相位。这个状态下对载波频率的搜索是粗糙的，通常在数百赫兹的量级。之后进入频率牵引状态203，把本地频率牵引到和卫星载波频率相差几个赫兹的量级。完成频率牵引后，接收机进入跟踪状态204，完成帧同步，进而进入解调电文状态205。本发明专注的多通道组合跟踪方法适用于跟踪204过程。进一步地，将载波上调制的电文解调出来用于在随后的解算状态206下计算接收机位置。

图3描述了一个经典的DLL载波环和码环的结构。这种结构可以比较清楚的分成载波环和码环两个部分。从GPS射频前端获取的中频信号进入GPS基带模块后被分成两路，经过乘法器301、302和由载波NCO 305复现的本地载波通过Sin映射单元303和Cos映射单元304映射生成的两路互相正交的载波信号分量分别相乘，进行下变频。其结果输入到相关器组306中，并由码发生器311生成的本地C/A码(伪随机码)进行相关。相关的具体过程本领域内熟知人员都应了解，在此不再赘述。进一步地，相关器组306的相关值输出给码鉴相器307进行鉴相。鉴相值经过码滤波器308滤波后，和载波环的输出乘以比例因子312相加后输出给码NCO 310，以控制本地C/A码的频率，即控制码发生器311的生成本地C/A的速率。可见相关器组306、码鉴相器307、码滤波器308、码NCO 310和码发生器311共同组成了码环。比例因子312为1/1540，这是由载波频率和C/A频率之间的比例关系决定的。

另一方面，相关器组306的相关值同时输出给载波鉴相器314进行鉴相。其鉴相结果(如相位误差)通过载波滤波器313进行滤波，进而输出给载波NCO(载波数控振荡器)305以控制本地复现载波的频率。而本地复现载波的频率改变通过Sin/Cos映射单元303/304生成的正交载波分量和接收中频信号进行相乘，从而完成对环路的调整。可以看出载波环的反馈在相关器组的输入信号上，即载波剥离部分，载波剥离后的结果输入给相关器组306，而码环的反馈是在本地复现码上，直接输入给相关器组306，可见相关器组306、载波鉴相器314、载波滤波器313、载波NCO 305、Sin/Cos映射单元303/304和乘法器301/302共同组成了载波环。

这种结构简单实用，因而被很多经典接收机所采用。虽然有很多改型，但基本都是对码滤波器308和载波滤波器313的阶数和系数针对不同的应用进行微调，基本的结构都是类似的。但是由于图3结构的锁相环本身的性能限制，导致其在极低信噪比时的跟踪能力有限。通常使用这种结构的接收机的跟踪灵敏度很难超过-152dBm。

图4描述了实现载波跟踪的已有设计结构的一般结构示意图。可以看到该结构和图3所示的结构很类似，事实上图3所示结构就是图4所示结构的一种特例。特别是由相关器组406、码鉴相器407、码滤波器408、码NCO 410和码发生器411共同组成的码环和图3所示的码环是完全相同的。对于载波环而言，其核心任务就是使用频率估计413获得对载波多普勒频偏的估计值，进而以该估计值更新载波NCO 405的频率，同时通过比例因子412获得对码环的载波辅助量。而相对于图4所示结构，图3所示结构是使用载波鉴相器314辅以载波滤波器313的形式来实现对载波多普勒频偏的估计。而目前其他已有设计中还有使用诸如快速傅立叶变换方式(FFT)和扩展卡尔曼(EKF)滤波等方法实现对载波多普勒频偏的估计。对多普勒频偏估计的具体细节可能不同，但其一般结构是类似的。多普勒频偏估计的精度直接影响着环路的跟踪能力。

通常使用诸如FFT和扩展卡尔曼滤波等大运算量的复杂方法实现对载波多普勒频偏的估计跟踪灵敏度能够达到甚至超过-157dBm。但是这种环路结构复杂，运算需要大量的硬件资源，功耗也相当可观。而且跟踪的精度和鲁棒性都不高。因此，如何提高接收机跟踪通道在极低信噪比下的鲁棒性也是研究全球定位系统接收机领域的一个重要课题。

发明内容

本发明的主要目的在于，提供一种全球定位接收机跟踪系统，利用多跟踪通道跟踪系统，以提高接收机的跟踪灵敏度，提高跟踪的鲁棒性。

本发明的又一目的在于，提供一种全球定位系统接收机跟踪方法，利用多跟踪通道方式进行跟踪卫星信号，以提高接收机的跟踪灵敏度，提高跟踪的鲁棒性。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种全球定位接收机跟踪系统，具有多个跟踪通道，该跟踪通道包括：多个跟踪子通道，用于跟踪同一目标卫星获取载波多普勒频偏估计值；一整体频率估计单元，依据多个跟踪子通道的载噪比和载波数控振荡器频率对跟踪子通道的跟踪状态进行整体估计，并获取多个跟踪子通道中跟踪状态最好的跟踪子通道的载波多普勒频偏估计值；一调度单元，根据一更新频率步长和所述载波多普勒频偏估计值更新多个跟踪子通道的载波数控振荡器频率。

其中所述跟踪通道包含的多个跟踪子通道的数量是通过将接收机总的跟踪子通道数量平均分配给可见目标卫星数量来获得的。

其中根据可见目标卫星数量和该可见目标卫星的多普勒频偏变化率将接收机总的跟踪子通道数量分配给所述跟踪通道。

其中所述跟踪子通道包括：一码环，用于跟踪目标卫星发射的伪随机码；一载波环，利用频率估计单元获得该跟踪子通道的载波多普勒频偏估计值，所述码环经由相关器组与所述载波环相关；一跟踪状态评估单元，依据该跟踪子通道的载噪比及载波数控振荡器频率，评估所述载波多普勒频偏估计值；一环路配置单元，根据调度单元的控制信息及所述载波多普勒频偏估计值设置该跟踪子通道。

其中所述更新频率步长在卫星信号多普勒频偏变化率未知时设置为固定经验值。

其中所述更新频率步长设置的固定经验值为1Hz～5Hz。

其中所述更新频率步长和卫星信号多普勒频偏变化率成正比。

其中所述跟踪子通道的载波环的频率估计单元用载波鉴相器和载波滤波器对载波多普勒频偏进行估计。

其中所述跟踪子通道的载波环的频率估计单元用快速傅立叶变换方式或是扩展卡尔曼方式对载波多普勒频偏估计值进行估计。

其中所述环路配置单元设置跟踪子通道，进一步包括初始化所述跟踪子通道，以及对所述跟踪子通道之间进行复制。

其中所述跟踪子通道复制是将一个跟踪子通道的码相位、码频率、载波相位、载波频率、各检测和控制寄存器的值复制到另外一个跟踪子通道的相应寄存器中，使两个跟踪子通道的跟踪状态完全相同。

其中所述跟踪子通道复制在相关器组预检测积分完成时完成。

其中所述调度单元还检测各跟踪子通道是否失锁，若失锁则将跟踪状态最好的跟踪子通道复制到失锁跟踪子通道，重新实现跟踪。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。一种全球定位接收机跟踪方法，包括：初始化多个跟踪通道，设定判决时刻；开启多个跟踪通道的多个跟踪子通道进行独立跟踪目标卫星载波多普勒频偏估计值；依据各个跟踪子通道的载噪比及载波数控振荡器频率，评估各个跟踪子通道的当前跟踪状态；检测判决时刻是否到达，如果判决时刻到达时则整体频率估计单元依据所述多个跟踪子通道的载噪比和载波数控振荡器频率对各个跟踪子通道的当前跟踪状态进行整体的估计，获得跟踪状态最好的跟踪子通道的载波多普勒频偏估计值；依据卫星信号多普勒频偏变化率计算更新频率步长；将所述跟踪状态最好的跟踪子通道复制给其他的跟踪子通道；依据所述更新频率步长和跟踪状态最好的跟踪子通道的载波多普勒频偏估计值，计算各个跟踪子通道新的载波多普勒频偏估计值，进一步更新各跟踪子通道的载波数控振荡器频率。

其中所述初始化还包括以下步骤：获取目标卫星初始多普勒频偏；为跟踪通道分配跟踪子通道数量；计算更新频率步长，并利用更新频率步长和所述初始多普勒频偏，计算各个跟踪子通道的预设本地载波多普勒频偏；以预设本地载波多普勒为依据设置各个跟踪子通道的载波数控振荡器频率。

其中所述初始多普勒频偏是由捕获引擎捕获后通过频率牵引收敛获得的，或是使用载波环测量获得的。

其中所述分配跟踪子通道的数量是通过将接收机总的跟踪子通道数量平均分配给可见目标卫星数量来获得的。

其中所述分配跟踪子通道的数量根据接收机总的跟踪子通道数量、可见目标卫星数量以及各个可见目标卫星的多普勒频偏变化率成正比自适应分配。

其中所述更新频率步长和卫星信号多普勒频偏变化率成正比。

其中所述更新频率步长在卫星信号多普勒频偏变化率未知时设置为固定经验值。

其中所述更新频率步长设置的固定经验值为1Hz～5Hz。

其中所述开启跟踪子通道进行独立跟踪可使用载波鉴相器辅以载波滤波器估计频偏。

其中所述开启跟踪子通道进行独立跟踪可使用快速傅立叶变换方式或是扩展卡尔曼方式估计频偏。

其中所述判决时刻到达由整体频率估计单元进行的载波多普勒频偏估计是以判决时刻时跟踪状态最好的跟踪子通道的跟踪载波多普勒频偏为目标卫星的载波多普勒频偏。

其中所述判决时刻间隔的大小和目标卫星的多普勒频偏变化率成反比。

其中所述计算各个跟踪子通道新的载波多普勒频偏估计值是以整体频率估计单元获得的多普勒频偏的估计值为中心，左右两个方向偏移数个更新频率步长获得的，或以该多普勒频偏的估计值为起始向右方向偏移数个更新频率步长获得，或以该多普勒频偏的估计值为起始向左方向偏移数个更新频率步长获得。

借由上述技术方案，本发明多跟踪通道跟踪方法至少具有下列优点：

本发明由于使用多跟踪通道组合跟踪技术，利用整体频率估计单元对多个跟踪子通道的跟踪进行分析和评估，所以跟踪灵敏度得以大大提高。实验证明对于动态不高的信号可以实现超过-160dBm的跟踪灵敏度。

本发明由于使用多跟踪通道同时跟踪同一颗卫星，并调度单元对各个跟踪子通道进行调度和控制，所以极低信噪比下的跟踪鲁棒性得以大大提高。

本发明由于该方法对跟踪子通道频率估计的方法和结构没有特殊要求，所以适应性强，方便移植到已有设计中。

本发明提出一种全球定位系统接收机的多跟踪通道组合跟踪方法，由于该方法所有所需信息都可以由接收机自身获得，即使某些量在初始状态无法获知，但可以设置为经验量，进入跟踪状态之后即可获知，所以不需要额外的传感器，结构简单，成本低。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1是典型的全球定位系统接收机实现解算定位的示意图；

图2是典型的GPS接收机定位流程；

图3是经典的DLL载波环和码环的结构示意图；

图4是实现载波跟踪的已有设计结构的结构示意图；

图5是本发明多通道组合跟踪的整体结构示意图；

图6是本发明的跟踪子通道的结构示意图；

图7是本发明跟踪的流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的无线定位方法的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。

图5描述了本发明提出的多跟踪通道组合跟踪的结构示意图。和图4所示的跟踪环路不同，本发明提出的跟踪通道的结构中使用多个相同的跟踪子通道501～503跟踪同一信号(同一卫星)504。不仅每个跟踪子通道内有单独的频率估计单元509，而且整个跟踪通道内的所有跟踪子通道501～503还共用一个整体频率估计单元511。每个跟踪通道的跟踪子通道个数可变的可以有任意N个跟踪子通道。跟踪子通道的个数和跟踪的灵敏度、精度和鲁棒性成正比，同时也和硬件规模以及功耗成正比。本发明的一个较优实施例使用三个跟踪子通道为一组组成一个跟踪通道。而本发明另一个较优实施例可以根据一定的算法自适应灵活配置跟踪通道。如对某些卫星可以使用较多的跟踪子通道，例如五个跟踪子通道，对于某些卫星可以使用较少的子跟踪通道，例如一个跟踪子通道。上述自适应配置的方法将在图7中详细介绍。跟踪通道内包含一个总的调度单元512实现对于所有跟踪子通道的控制和调度。每个跟踪子通道内包含下变频器(乘法器)505、相关器组506、码环507、跟踪状态评估单元508、频率估计单元509和载波数控振荡器(以下均称载波NCO)510。跟踪子通道结构的具体细节将在图6中详细描述。可以发现，跟踪子通道的结构和图3、图4结构类似，只是增加了跟踪状态评估单元508。事实上图3、图4所示结构都可以作为本发明提出结构中的跟踪子通道的基础。不同的实施例可以根据实际的设计指标采用不同的结构作为跟踪子通道。跟踪子通道的具体设计考虑将在图6中详细解释。跟踪状态评估单元508用于估计该跟踪子通道跟踪状态，通过考察所跟踪信号的强度和载波NCO 510的频率抖动评估该跟踪子通道内频率估计的正确性和鲁棒性。所述跟踪子通道内频率估计的正确性和鲁棒性的评估结果作为整体频率估计单元511的评估依据。其具体评估细节将在图6中详细描述。

跟踪通道进行跟踪时，调度单元512首先获得较为精确的目标卫星多普勒频偏的估计值。该初始多普勒频偏可以是由捕获引擎捕获卫星载波频率后通过精细捕获(频率牵引)收敛获得的，也可以是先前使用普通跟踪环路测量获得的。事实上本发明的一个较优实施例在卫星信号强度较强时使用类似图3所示结构进行跟踪以节省功耗，当跟踪卫星信号强度低于门限后再启动多通道组合跟踪的方法实现跟踪，以获取更高灵敏度和更高鲁棒性。这种模式下即可以利用先前普通跟踪环路获得的较精确的多普勒频偏作为初始化通道的初始多普勒频偏。

进一步地，调度单元512根据接收机当前的移动速度以及该通道内的跟踪子通道数计算更新频率步长，获得更新频率步长的具体方法将在图7中描述。进而按照一定的规则更新每个跟踪子通道的载波NCO 510。例如对于某颗卫星，接收机分配了5个跟踪子通道组成一个跟踪通道。初始预测多普勒频偏为500Hz，调度单元计算出的频率间隔为3Hz，则调度单元将多普勒频偏494Hz、497Hz、500Hz、503Hz、506Hz分别更新1～5号跟踪子通道的载波NCO的频率，使每个跟踪子通道分别进行跟踪卫星信号。在判决时间间隔内，使用跟踪子通道内的频率估计单元509计算载波NCO 510频率的更新值。而整体频率估计单元511每隔一段时间(即判决时间)，对所有跟踪子通道的跟踪情况进行评估，以跟踪状态最好的跟踪子通道的载波多普勒为新的载波多普勒的估计值。本发明的另一个较佳实施例使用所有跟踪子通道的载波多普勒的加权平均值作为新的载波多普勒估计值。其中每个跟踪子通道的权重和其跟踪状态成正比，即和其载噪比成正比，和其载波环振动成反比。由调度单元512根据新的载波多普勒的估计值重新配置所有跟踪子通道。如果发现2号跟踪子通道的信号强度最大，且调整时刻来临时2号跟踪子通道的跟踪多普勒频偏估计值为498Hz，则调度单元511首先将2号跟踪子通道复制到所有跟踪子通道，进而分别将多普勒频偏492Hz、495Hz、498Hz、501Hz、504Hz分别更新1～5号跟踪子通道的载波NCO 510的频率进行新一轮的更新，可以看出这里计算各个跟踪子通道新的载波多普勒频偏估计值是以整体频率估计单元获得的多普勒频偏的估计值为中心，左右两个方向偏移数个更新频率步长获得的，但此处并不局限于此，还可以该多普勒频偏的估计值为起始向右方向偏移数个更新频率步长获得，或者以该多普勒频偏的估计值为起始向左方向偏移数个更新频率步长获得。更新的细节将在图6和图7中详细描述。另外调度单元512还负责重新配置跟踪失锁的跟踪子通道。调度单元一旦发现有跟踪子通道跟踪失锁，则将当前跟踪状态最好的跟踪子通道复制到该通道，前述的复制即将该跟踪状态最好的跟踪子通道的码相位、码频率、载波相位、载波频率、各检测和控制寄存器值复制到另外一个跟踪子通道的相应寄存器中，使这两个跟踪子通道的跟踪状态完全相同。

图6描述了本发明提出的多跟踪通道组合的跟踪子通道的结构。可见该跟踪子通道的结构和图3、图4所示的结构很类似，相关器组606、码鉴相器607、码滤波器608、码NCO 610和码发生器611共同组成了码环。相关器组606、频率估计612，载波NCO 605、比例因子613、Sin/Cos 603/604映射单元和乘法器601 602共同组成了载波环。这部分结构和功能和图3、图4是完全相同的。该结构中可以使用任意一种频率估计方法对载波多普勒频偏进行估计。不同实施例可以根据各自设计指标进行灵活配置。本发明的一个较优实施例使用鉴相器辅以滤波器的结构即可以获得很好的跟踪灵敏度和鲁棒性，简化了设计，降低了成本和功耗；而本发明的另一个较优实施例使用扩展卡尔曼方法以功耗和复杂度的增加为代价，获得了极高的跟踪灵敏度。

不同于图3、图4所示的结构，该跟踪子通道还增加了跟踪状态评估单元615和环路配置单元614。跟踪状态评估单元615用于评估跟踪子通道的跟踪状态。评估的依据为跟踪卫星的载噪比和载波NCO 605的频率振动。术语“载噪比”被定义为载波与噪声谱密度之比(“carrier-to-noise densityratio”，即载波功率与噪声功率谱密度的比)C/N₀

C/N₀＝(SNR)(B)[Ratio-Hz]

由于扩频信号的信噪比SNR在解扩前后差别很大，因而，将信噪比SNR归一化到1Hz带宽内，从而得到一个与带宽无关联的信噪比作为衡量信号强度的标准。适用于GPS接收机的载噪比估计有很多方法，在本发明的一个较优实施例中是通过如下的公式进行估计，但并不限定必须采用下述方法：

${\mathrm{WBP}}_k={\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}(I_i^2+Q_i^2)\right)}_k$

${\mathrm{NBP}}_k={\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{I}_i\right)}_k^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{Q}_i\right)}_k^2$

${\mathrm{NP}}_k=\frac{{\mathrm{NBP}}_k}{{\mathrm{WBP}}_k}$

其中I为某通道同向采样信号，Q为某通道正交项采样信号，K＝50，M＝20。

另一方面，载波NCO 605的频率振动用载波NCO 605输出的阿伦方差来衡量，其计算方法为：

dDoppler_k＝(fn_k-fn_k-1)²

$\mathrm{AllonVar}=\frac{1}{K}\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{dDoople}{r}_k$

其中fn_k为k时刻的载波NCO 605的输出，K＝20。某个跟踪子通道跟踪的载噪比最高，载波NCO 605的频率振动越小则认为该通道的跟踪状态越好。

适用于GPS接收机的载噪比估计有很多方法，但并不限定必须采用上述方法，还可以采用如已知的相位锁定指示器来进行载噪比估计。

环路配置单元614根据来自调度单元(未示出)的控制信息616配置和控制通道，特别地，实现通道复制功能。所谓通道复制是指将一个跟踪子通道的码相位、码频率、载波相位、载波频率、各检测和控制寄存器值复制到另外一个跟踪子通道的相应寄存器中，使这两个通道的跟踪状态完全相同。通道赋值在每个预检测积分时间间隔的开始或者结尾进行，即在各跟踪子通道的相关值累加(包括相干累加和非相干累加)寄存器清零时进行。而将何跟踪子通道复制到何跟踪子通道是由调度单元控制的。另外，环路配置单元在开启通道时还负责对通道各个寄存器的初始化，其初始化信息是从调度单元获得的。初始化内容包括将相关器组的各个累加寄存器清零，初始化各个检测和控制寄存器，将码相位、码频率、载波相位、载波频率寄存器设置成和调度单元输入的初始化信息对应的数值。

图7描述了本发明提出的多跟踪通道组合跟踪结构实现跟踪的流程。

调度单元512在整体通道开启时负责给每个跟踪跟踪子通道(即每个跟踪子通道的环路配置单元)提供初始化信息(即相位、码频率、载波相位、载波频率信息)，实现对整体通道的初始化。首先，调度单元512对整个跟踪通道的进行初始化701。整个初始化过程分为如下四个步骤：首先获取初始多普勒频偏。该初始多普勒频偏可以是由捕获引擎捕获后通过精细捕获(频率牵引)收敛获得的，也可以是先前使用普通跟踪环路测量获得的。事实上本发明的一个较优实施例在卫星信号强度较高时使用类似图3所示结构进行跟踪以节省功耗，当跟踪卫星信号强度低于门限后再启动多通道组合跟踪的方法实现跟踪，以获取更高灵敏度和更高鲁棒性。这种模式下即可以利用先前普通跟踪环路获得的较精确的多普勒频偏作为初始化通道的初始多普勒频偏。

进而为跟踪通道分配跟踪子通道。为每个跟踪通道分配的跟踪子通道数目和接收机总的跟踪子通道数、目标卫星数目以及目标卫星多普勒频偏变化率相关。接收机总跟踪子通道数和跟踪性能成正比，和接收机的规模功耗也成正比。本发明的一个较优实施例包含了36个跟踪子通道，本发明的另一个较优实施例包含了48个跟踪子通道。在接收机总跟踪子通道数目一定的前提下，目标卫星(可见卫星)数目越多，平均用于跟踪每颗卫星的跟踪子通道数量就越少，也就是跟踪子通道数量是通过将接收机总的跟踪子通道数量平均分配给可见目标卫星数量来获得的。对于多普勒频偏变化率较高的卫星可以分配较多的跟踪子通道，而多普勒频偏变化率较低可以分配较少的跟踪子通道，例如对于36个子通道的接收机而言，假设当前有6颗目标卫星，其中3颗目标卫星的载波多普勒变化率为2Hz每秒，另外三颗目标卫星的载波多普勒变化率为1Hz每秒，则可以给3颗多普勒变化率高的卫星每颗卫星分配8个通道，而给3颗多普勒变化率低的卫星每颗卫星分配4个通道。多普勒频偏变化率可以通过先前跟踪通道测量获得，若无测量信息则可以通过卫星和用户之间的相对速度推知。卫星的速度可以通过卫星的导航电文计算获得，用户速度可以由接收机测量获得或者利用先前测量值外推获得。如果所有先验信息均不可知，则可以给所有的目标卫星分配相同的跟踪子通道数，相应的跟踪效率会有所降低，而整体功耗会有所增加，但本发明提出方法同样可以工作。

进一步地，计算更新频率步长并利用更新频率步长和初始多普勒频偏计算各个跟踪子通道的预设本地载波多普勒。更新频率步长和卫星信号多普勒频偏变化率成正比。卫星信号多普勒频偏变化率是根据卫星的速度和用户速度计算获得的，和用户卫星之间相对速度的导数成正比。当用户速度和卫星速度均不可知时，可以设定一个经验值，该经验值可以设定在1Hz～5Hz的范围，优选如3Hz。进而利用频率步长和初始多普勒频偏计算各个跟踪子通道的预设本地载波多普勒。例如对于某颗卫星，接收机分配了5个跟踪子通道组成一个跟踪通道实施跟踪。初始预测多普勒频偏为500Hz，调度单元计算出的频率间隔为3Hz，则调度单元计算的各跟踪子通道的预设本地载波多普勒频偏为494Hz、497Hz、500Hz、503Hz、506Hz，并依次以此为依据设置各个跟踪子通道的载波NCO频率。

进一步地，开启跟踪子通道进行独立跟踪702。在此状态下每个跟踪子通道独立工作，互不影响。每个跟踪子通道可以使用各种类型的频率估计方法，包括前文所述的鉴相器加滤波器、FFT或扩展卡尔曼方法。本发明的一个较优实施例使用鉴相器加滤波器的结构简化设计，降低复杂度以及功耗；本发明的另一个较优实施例使用扩展卡尔曼方法实现极高性能的跟踪。

进一步地，评估各个跟踪子通道的跟踪状态703，评估的具体方法已经在图6中进行了详细的描述。

进一步地，检测判决时刻是否到达705。如果判决时刻没有到达则继续维持各跟踪子通道的跟踪，如果判决时刻到达则评估所有跟踪子通道的跟踪状态，并以此为依据获得目标卫星的多普勒频偏估计706，即以判决时刻时跟踪状态最好的跟踪子通道的跟踪多普勒频偏为目标卫星的多普勒频偏。判决时刻间隔的大小和目标卫星的多普勒频偏变化率成反比。卫星的多普勒频偏变化率可以载波环测量获得。若目标卫星的多普勒频偏变化率不可知，则固定一个经验值如3秒为判决时刻间隔。本发明的一个较优实施例使用2秒为判决时刻间隔，本发明的另一个较优实施例使用5秒为判决时间间隔。

进一步地，计算更新频率的步长706。该步骤和初始化通道中的计算更新频率的步长的步骤是类似的，不同之处在于此时的卫星多普勒频偏是可以确知的。进而将跟踪状态最好的通道复制给其他所有的跟踪子通道707，同时利用更新频率的步长计算各个跟踪子通道的载波多普勒频偏，更新各跟踪子通道载波NCO 708的频率，开始新一轮的跟踪。

尽管本发明的方法和装置是参照GPS卫星来描述的，但应当理解，这些原理同样适用于采用假卫星(pseudolites)或卫星与假卫星的组合的定位系统。假卫星是一种基于地面的发射机，它传播调制在L频段载波信号上PN码(与GPS信号相似)，并且通常是与GPS时间同步的。每一发射机可以被赋予一个独特的PN码，从而允许由远端接收机进行识别。假卫星用在这样的情况下，即，来自轨道卫星的GPS信号缺失，如隧道、矿山、建筑物或者其他的封闭区及明显遮挡。这里所使用的术语“卫星”包括假卫星或假卫星的等效，而这里所使用的术语GPS信号包括来自假卫星或者假卫星等效的类似GPS的信号。

在前面的讨论中，本发明是参照美国全球定位系统(GPS)来描述的。然而，应当理解，这些方法同样适用于类似的卫星定位系统，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)系统，欧洲的伽利略(Galileo)系统和中国的北斗1及北斗2系统。所使用的术语“GPS”还包括这样一些卫星定位系统，如俄罗斯的格洛纳斯(Glonass)系统，欧洲的伽利略(Galileo)系统和中国的北斗1及北斗2系统。术语“GPS信号”包括来自另一些卫星定位系统的信号。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (26)

1、一种全球定位接收机跟踪系统，具有多个跟踪通道，该跟踪通道包括：

多个跟踪子通道，用于跟踪同一目标卫星获取载波多普勒频偏估计值；

一整体频率估计单元，依据多个跟踪子通道的载噪比和载波数控振荡器频率对跟踪子通道的跟踪状态进行整体估计，并获取多个跟踪子通道中跟踪状态最好的跟踪子通道的载波多普勒频偏估计值；

一调度单元，根据一更新频率步长和所述载波多普勒频偏估计值更新多个跟踪子通道的载波数控振荡器频率。

2、根据权利要求1所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述跟踪通道包含的多个跟踪子通道的数量是通过将接收机总的跟踪子通道数量平均分配给可见目标卫星数量来获得的。

3、根据权利要求1所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，根据可见目标卫星数量和该可见目标卫星的多普勒频偏变化率将接收机总的跟踪子通道数量分配给所述跟踪通道。

4、根据权利要求2或3所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述跟踪子通道包括：

一码环，用于跟踪目标卫星发射的伪随机码；

一载波环，利用频率估计单元获得该跟踪子通道的载波多普勒频偏估计值，所述码环经由相关器组与所述载波环相关；

一跟踪状态评估单元，依据该跟踪子通道的载噪比及载波数控振荡器频率，评估所述载波多普勒频偏估计值；

一环路配置单元，根据调度单元的控制信息及所述载波多普勒频偏估计值设置该跟踪子通道。

5、根据权利要求1所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述更新频率步长在卫星信号多普勒频偏变化率未知时设置为固定经验值。

6、根据权利要求1所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述更新频率步长设置的固定经验值为1Hz～5Hz。

7、根据权利要求1所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述更新频率步长和卫星信号多普勒频偏变化率成正比。

8、根据权利要求4所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述跟踪子通道的载波环的频率估计单元用载波鉴相器和载波滤波器对载波多普勒频偏进行估计。

9、根据权利要求4所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述跟踪子通道的载波环的频率估计单元用快速傅立叶变换方式或是扩展卡尔曼方式对载波多普勒频偏估计值进行估计。

10、根据权利要求4所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述环路配置单元设置跟踪子通道，进一步包括初始化所述跟踪子通道，以及对所述跟踪子通道之间进行复制。

11、根据权利要求10所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述跟踪子通道复制是将一个跟踪子通道的码相位、码频率、载波相位、载波频率、各检测和控制寄存器的值复制到另外一个跟踪子通道的相应寄存器中，使两个跟踪子通道的跟踪状态完全相同。

12、根据权利要求11所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述跟踪子通道复制在相关器组预检测积分完成时完成。

13、根据权利要求1所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述调度单元还检测各跟踪子通道是否失锁，若失锁则将跟踪状态最好的跟踪子通道复制到失锁跟踪子通道，重新实现跟踪。

14、一种全球定位接收机跟踪方法，包括：

初始化多个跟踪通道，设定判决时刻；

开启多个跟踪通道的多个跟踪子通道进行独立跟踪目标卫星载波多普勒频偏估计值；

依据各个跟踪子通道的载噪比及载波数控振荡器频率，评估各个跟踪子通道的当前跟踪状态；

检测判决时刻是否到达，如果判决时刻到达时则整体频率估计单元依据所述多个跟踪子通道的载噪比和载波数控振荡器频率对各个跟踪子通道的当前跟踪状态进行整体的估计，获得跟踪状态最好的跟踪子通道的载波多普勒频偏估计值；

依据卫星信号多普勒频偏变化率计算更新频率步长；

将所述跟踪状态最好的跟踪子通道复制给其他的跟踪子通道；

依据所述更新频率步长和跟踪状态最好的跟踪子通道的载波多普勒频偏估计值，计算各个跟踪子通道新的载波多普勒频偏估计值，进一步更新各跟踪子通道的载波数控振荡器频率。

15、根据权利要求14所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述初始化还包括以下步骤：

获取目标卫星初始多普勒频偏；

为跟踪通道分配跟踪子通道数量；

计算更新频率步长，并利用更新频率步长和所述初始多普勒频偏，计算各个跟踪子通道的预设本地载波多普勒频偏；

以预设本地载波多普勒为依据设置各个跟踪子通道的载波数控振荡器频率。

16、根据权利要求14所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述初始多普勒频偏是由捕获引擎捕获后通过频率牵引收敛获得的，或是使用载波环测量获得的。

17、根据权利要求14所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述分配跟踪子通道的数量是通过将接收机总的跟踪子通道数量平均分配给可见目标卫星数量来获得的。

18、根据权利要求14所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述分配跟踪子通道的数量根据接收机总的跟踪子通道数量、可见目标卫星数量以及各个可见目标卫星的多普勒频偏变化率成正比自适应分配。

19、根据权利要求14或15所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述更新频率步长和卫星信号多普勒频偏变化率成正比。

20、根据权利要求14所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述更新频率步长在卫星信号多普勒频偏变化率未知时设置为固定经验值。

21、根据权利要求20所述的全球定位接收机跟踪系统，其特征在于，所述更新频率步长设置的固定经验值为1Hz～5Hz。

22、根据权利要求14所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述开启跟踪子通道进行独立跟踪可使用载波鉴相器辅以载波滤波器估计频偏。

23、根据权利要求14所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述开启跟踪子通道进行独立跟踪可使用快速傅立叶变换方式或是扩展卡尔曼方式估计频偏。

24、根据权利要求14所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述判决时刻到达由整体频率估计单元进行的载波多普勒频偏估计是以判决时刻时跟踪状态最好的跟踪子通道的跟踪载波多普勒频偏为目标卫星的载波多普勒频偏。

25、根据权利要求24所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述判决时刻间隔的大小和目标卫星的多普勒频偏变化率成反比。

26、根据权利要求14所述的全球定位接收机跟踪方法，其特征在于，所述计算各个跟踪子通道新的载波多普勒频偏估计值是以整体频率估计单元获得的多普勒频偏的估计值为中心，左右两个方向偏移数个更新频率步长获得的，或以该多普勒频偏的估计值为起始向右方向偏移数个更新频率步长获得，或以该多普勒频偏的估计值为起始向左方向偏移数个更新频率步长获得。

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