CN101982940A - 一种gps接收机帧同步方法 - Google Patents

Abstract

一种GPS接收机帧同步方法，步骤为：(1)GPS接收机开机并首次定位后，周期性地调节本地时钟，使得本地时钟和GPS时钟的时刻及变化周期一致，记录此时GPS接收机的位置；(2)当GPS接收机通道失锁重捕后，读取本地时及星历，根据星历及卫星信号发射概略时刻推算卫星的概略位置；(3)利用记录的GPS接收机初始位置以及得到的卫星概略位置，计算得到未经修正的GPS接收机与卫星之间的概略距离，并在此基础上得到伪距；(4)根据执行步骤(2)和步骤(3)所需要的时间修正本地时，并得到当前电文的卫星发射时刻；(5)根据步骤(4)的结果计算当前电文的帧计数、位计数、毫秒计数，由此进行帧同步并完成电文提取。

Description

一种GPS接收机帧同步方法

技术领域

本发明涉及一种数据帧同步方法。

背景技术

GPS接收机通道捕获到卫星信号后，必须完成卫星信号的位同步和帧同步，才能进行导航电文译码及定位解算。从捕获到卫星信号到提供导航服务所经历的各环节中，帧同步耗时较多。缩短帧同步时间对提高接收机启动速度至关重要。

现有的帧同步方法主要是搜索遥测字的8比特同步码以确定子帧边沿，并通过奇偶检验、交接字特征校验等手段确认搜索结果的正确性。因为GPS子帧周期为6秒，且同步码唯一存在于遥测字的前8比特，因此最长需要搜索一个子帧周期才能找到子帧边沿，完成帧同步。因为接收机各通道需要单独做帧同步，多通道接收机需要更长的时间才能完成所有通道的帧同步，这在卫星信号易受遮挡的应用中，会导致定位服务中断现象严重。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种快速可靠的GPS接收机帧同步方法。

本发明的技术解决方案是：一种GPS接收机帧同步方法，步骤如下：

(1)GPS接收机开机并首次定位后，周期性地调节本地时钟，使得本地时钟和GPS时钟的时刻及变化周期一致，记录此时GPS接收机的位置(X_User，Y_User，Z_User)；

(2)当GPS接收机通道失锁重捕后，读取本地时T_Local及星历，根据星历及T’_Sat推算卫星的概略位置(X’_Sat，Y’_Sat，Z’_Sat)，其中T’_Sat为根据卫星信号传播时间反推的卫星信号发射概略时刻；

(3)利用步骤(1)中记录的GPS接收机的初始位置(X_User，Y_User，Z_User)以及步骤(2)中得到的卫星概略位置(X’_Sat，Y’_Sat，Z’_Sat)，计算得到未经修正的GPS接收机与卫星之间的概略距离L’_SatUser，在L’_SatUser基础上修正地球自转及卫星钟漂钟差影响后得到伪距L_SatUser；

(4)根据执行步骤(2)和步骤(3)所需要的时间T_Cal修正本地时，并得到当前电文的卫星发射时刻T_Sat，T_Sat＝T_Local-T_Cal-L_SatUser/C，C为光速；

(5)根据步骤(4)的结果计算当前电文的帧计数Frame、位计数Bit、毫秒计数MsEpoch，

帧计数Frame＝T_Sat/子帧周期，

位计数Bit＝(T_Sat％子帧周期)/位周期，

毫秒计数MsEpoch＝(T_Sat％子帧周期)％位周期，符号％表示求余运算；

(6)根据步骤(5)得到的当前电文的帧计数Frame、位计数Bit、毫秒计数MsEpoch进行帧同步并完成电文提取。

所述步骤(1)中的本地时钟由直接数字频率合成器产生。通过对直接数字频率合成器的频率控制字进行控制完成对本地时钟的周期性调节，当本地时钟的钟漂低于预先设定的钟漂阈值V_th达到一定次数时，锁定直接数字频率合成器的频率控制字。

所述步骤(3)中伪距L_SatUser的计算方法为：

L_SatUser＝L”_SatUser-ΔL_ClockBias+ΔL_dClockoff

${L^{,,}}_{\mathrm{SatUser}}=\sqrt{{(X_{\mathrm{user}}-X_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Y_{\mathrm{user}}-Y_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Z_{\mathrm{user}}-Z_{\mathrm{Sat}})}^2}$

X_Sat＝X’_Sat＊cos(alpha)+Y’_Sat＊sin(alpha)

Y_Sat＝-X’_Sat＊sin(alpha)+Y’_Sat＊cos(alpha)

Z_Sat＝Z’_Sat

${L^{,}}_{\mathrm{SatUser}}=\sqrt{{(X_{\mathrm{user}}-{X^{\′}}_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Y_{\mathrm{user}}-{Y^{\′}}_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Z_{\mathrm{user}}-{Z^{\′}}_{\mathrm{Sat}})}^2}$

alpha＝WE＊L’_SatUser/C，WE为WGS84坐标系下地球旋转速率，ΔL_ClockBias为卫星钟漂，ΔL_dClockoff为卫星钟差。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)采用本发明的方法，可在固定的较短的时间内完成帧同步。一般可使单通道帧同步时间缩短至50ms以内，提高了同步速度，克服了现有帧同步方法耗时长(最长需要一个子帧周期6秒)且耗时不确定的缺点；

(2)按照权利要求1的步骤，可在流程结束的同时实现帧计数、位计数、毫秒计数，较现有分别求这三个计数值的方法，节省了计算时间；

(3)本发明方法采用DDS产生本地时钟，可以保证本地时与GPS时的钟差在一个DDS频率控制字周期以内，且钟漂可控，提高了本地时的计时精度。

附图说明

图1为本发明方法的流程框图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明GPS接收机快速帧同步方法的流程图，以下对各步骤分别进行详细说明。

(1)GPS接收机开机并首次定位后，周期性地调节本地时钟，使得本地时钟和GPS时钟的时刻及变化周期一致。

通常调节GPS本地时钟使用的是时差补偿法，即周期性地依据GPS时和本地时的时差补偿本地时，该方法无法补偿本地时钟漂。本发明方法中采用直接数字频率合成器(DDS)调节本地时钟，周期性地将GPS时和本地时的时差变换为本地时DDS频率控制字，直接调整本地时的计时频率。在调整DDS的同时计算出钟漂。

(2)确定本地时的钟漂阈值V_th，待本地时的钟漂低于阈值V_th时，锁定本地时DDS频率控制字，同时锁定接收机位置(X_User，Y_User，Z_User)，存储可用星历。

在进行GPS接收机热启动或单个通道失锁重捕过程中，GPS星历可用。GPS星历包含了单颗卫星的准确轨道参数，可用于推算卫星位置，一般在选星和解算时使用。星历可在较短的时间接收完毕，有效期最长可达4小时。

本发明中首先按照星历的有效期、反推卫星时的精度要求等估算阈值V_th的范围，在钟漂连续n次低于V_th时锁定DDS频率控制字。例如V_th＝200，并要求钟漂连续5次低于阈值为满足锁定条件。

(3)如果此时GPS接收机的通道失锁，读取本地时T_Local及可用星历，根据星历及T’_Sat推算卫星的概略位置(X’_Sat，Y’_Sat，Z’_Sat)，其中T’_Sat为根据卫星信号传播时间反推的卫星信号发射概略时刻；

(4)利用记录的GPS接收机的初始位置(X_User，Y_User，Z_User)以及得到的卫星概略位置(X’_Sat，Y’_Sat，Z’_Sat)，计算得到未经修正的GPS接收机与卫星之间的概略距离L’_SatUser，在L’_SatUser基础上修正地球自转及卫星钟漂钟差影响后得到伪距L_SatUser；

T’_Sat＝T_Local-H_Sat/C；(H_Sat为卫星轨道概略高度)

由T’_Sat和星历计算卫星概略位置。

${L^{,}}_{\mathrm{SatUser}}=\sqrt{{(X_{\mathrm{user}}-{X^{\′}}_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Y_{\mathrm{user}}-{Y^{\′}}_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Z_{\mathrm{user}}-{Z^{\′}}_{\mathrm{Sat}})}^2}$

修正L’_SatUser得到L_SatUser，计算公式为：

alpha＝WE＊L’_SatUser/C，(WE为WGS84坐标系下地球旋转速率)

X_Sat＝X’_Sat＊cos(alpha)+Y’_Sat＊sin(alpha)；

Y_Sat＝-X’_Sat＊sin(alpha)+Y’_Sat＊cos(alpha)；

Z_Sat＝Z’_Sat；

${L^{,,}}_{\mathrm{SatUser}}=\sqrt{{(X_{\mathrm{user}}-X_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Y_{\mathrm{user}}-Y_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Z_{\mathrm{user}}-Z_{\mathrm{Sat}})}^2};$

L_SatUser＝L”_SatUser-ΔL_ClockBias+ΔL_dClockoff；

其中，ΔL_ClockBias为卫星钟漂，ΔL_dClockoff为卫星钟差。符号^＊表示乘法运算。

(5)根据执行步骤(3)和步骤(4)所需要的时间T_Cal修正本地时，并由此得到当前电文的卫星发射时刻T_Sat，T_Sat＝T_Local-T_Cal-L_SatUser/C，C为光速；

(6)计算当前电文的帧计数、位计数、毫秒计数；

帧计数Frame＝T_Sat/子帧周期，

位计数Bit＝(T_Sat％子帧周期)/位周期，

毫秒计数MsEpoch＝(T_Sat％子帧周期)％位周期，

其中符号％表示求余运算；

对GPS接收机，子帧周期＝6000毫秒，位周期为20毫秒。

利用当前电文的帧计数Frame、位计数Bit、毫秒计数MsEpoch完成帧同步，之后可利用这些计数值完成电文提取等。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (4)

1.一种GPS接收机帧同步方法，其特征在于步骤如下：

(1)GPS接收机开机并首次定位后，周期性地调节本地时钟，使得本地时钟和GPS时钟的时刻及变化周期一致，记录此时GPS接收机的位置(X_User，Y_User，Z_User)；

(2)当GPS接收机通道失锁重捕后，读取本地时T_Local及星历，根据星历及T’_Sat推算卫星的概略位置(X’_Sat，Y’_Sat，Z’_Sat)，其中T’_Sat为根据卫星信号传播时间反推的卫星信号发射概略时刻；

(3)利用步骤(1)中记录的GPS接收机的初始位置(X_User，Y_User，Z_User)以及步骤(2)中得到的卫星概略位置(X’_Sat，Y’_Sat，Z’_Sat)，计算得到未经修正的GPS接收机与卫星之间的概略距离L’_SatUser，在L’_SatUser基础上修正地球自转及卫星钟漂钟差影响后得到伪距L_SatUser；

(4)根据执行步骤(2)和步骤(3)所需要的时间T_Cal修正本地时，并得到当前电文的卫星发射时刻T_Sat，T_Sat＝T_Local-T_Cal-L_SatUser/C，C为光速；

(5)根据步骤(4)的结果计算当前电文的帧计数Frame、位计数Bit、毫秒计数MsEpoch，

帧计数Frame＝T_Sat/子帧周期，

位计数Bit＝(T_Sat％子帧周期)/位周期，

毫秒计数MsEpoch＝(T_Sat％子帧周期)％位周期，符号％表示求余运算；

(6)根据步骤(5)得到的当前电文的帧计数Frame、位计数Bit、毫秒计数MsEpoch进行帧同步并完成电文提取。

2.根据权利要求1所述的一种GPS接收机帧同步方法，其特征在于：所述步骤(1)中的本地时钟由直接数字频率合成器产生。

3.根据权利要求2所述的一种GPS接收机帧同步方法，其特征在于：所述步骤(1)中通过对直接数字频率合成器的频率控制字进行控制完成对本地时钟的周期性调节，当本地时钟的钟漂低于预先设定的钟漂阈值V_th达到一定次数时，锁定直接数字频率合成器的频率控制字。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种GPS接收机帧同步方法，其特征在于：所述步骤(3)中伪距L_SatUser的计算方法为：

L_SatUser＝L”_SatUser-ΔL_ClockBias+ΔL_dClockoff

${L^{,,}}_{\mathrm{SatUser}}=\sqrt{{(X_{\mathrm{user}}-X_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Y_{\mathrm{user}}-Y_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Z_{\mathrm{user}}-Z_{\mathrm{Sat}})}^2}$

X_Sat＝X’_Sat＊cos(alpha)+Y’_Sat＊sin(alpha)

Y_Sat＝-X’_Sat＊sin(alpha)+Y’_Sat＊cos(alpha)

Z_Sat＝Z’_Sat

${L^{,}}_{\mathrm{SatUser}}=\sqrt{{(X_{\mathrm{user}}-{X^{\′}}_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Y_{\mathrm{user}}-{Y^{\′}}_{\mathrm{Sat}})}^2+{(Z_{\mathrm{user}}-{Z^{\′}}_{\mathrm{Sat}})}^2}$

alpha＝WE＊L’_SatUser/C，WE为WGS84坐标系下地球旋转速率，ΔL_ClockBias为卫星钟漂，ΔL_dClockoff为卫星钟差。

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