CN102176034B - Gps接收机卫星失锁判决方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GPS接收机卫星失锁判决方法，属于卫星功率判断领域。该方法分别对载波跟踪环与码跟踪环的稳定性进行检测：载波跟踪环检测是将所取时间间隔

内的多普勒频率差值

与载波环判断阈值进行比较，从而判断该环路的稳定状态；码跟踪环检测是将得到的超前码、即时码与滞后码能量进行排序比较，并根据相应的状态标志

与既定阈值

的大小来判断该环路的稳定状态。本发明将载波跟踪环路与码跟踪环路的稳定判决条件进行结合，从而快速准确地对当前跟踪卫星是否失锁做出判断。

Description

GPS接收机卫星失锁判决方法

技术领域

本发明涉及GPS卫星通信技术，尤其涉及一种GPS接收机卫星失锁判决方法，属于卫星功率判断领域。

背景技术

GPS接收机系统主要完成GPS卫星信号的接收、捕获、跟踪以及定位解算等功能。GPS接收机的基本工作流程为：首先通过天线接收卫星信号，同时通过天线中的低噪声放大器达到减小噪声干扰的目的，然后通过一个射频模组将信号的载波频率由L1频段下变频到中频附近，并加以带通滤波器进一步减小带外噪声干扰。典型情况下，需要通过两级下变频电路变至中频。本地振荡器是根据接收机设计方案中的频率方案由基准振荡器经频率合成器导出的。混频过程之后，保留了载波多普勒和扩频码，只是载波频率降低了。通过后续的基带信号处理过程，进行扩频码和载波频率的二维捕获，之后跟踪上卫星信号，从中正确、连续地解调出导航电文用于定位解算。定位后，通过NMEA协议与上位机通讯，通过人机界面加载地图信息进行导航定位等功能。

在GPS的基带信号处理过程中，在捕获到GPS卫星信号后，得到输入信号的载波多普勒频移和码相位估计就转入跟踪状态，在跟踪GPS信号过程中需要两个相互依赖的跟踪环：一个用于跟踪载波频率，称为载波跟踪环，另一个用于跟踪C/A码相位，称为码跟踪环。

GPS接收机通道在稳定跟踪过程中，载波跟踪环与码跟踪环都应处于稳定工作状态。在实际应用中，由于自然或是人工建筑物的阻碍、反射信号的干扰、信号自身的干扰、信号阻塞、天线造成的衰减以及处理机对信号造成的衰减，当信号被完全遮蔽或者信号功率衰减到GPS接收机灵敏度以下之后，GPS接收机通道将不能正常地对卫星信号进行跟踪，在这种情况下GPS接收机通道将不再能维持载波跟踪环以及码跟踪环路的稳定，将失去对当前卫星的跟踪，即称为跟踪通道的失锁。在GPS接收机的工作中，需要尽快鉴别出已经失锁的卫星，从而可以加速对其他可使卫星的搜索跟踪，以保证GPS接收机稳定工作。因此，准确而快速的卫星失锁判断机制是GPS跟踪算法的重要组成部分。

传统的卫星信号失锁判断方法是通过对GPS卫星信号的功率进行直接计算，得到当前跟踪卫星的信号功率值，然后将该功率值与预设的阈值进行比较，若该功率值低于阈值，则认为该卫星失锁。这种方法以跟踪功率为基础，能较为准确地判断卫星失锁状态，但是反应速度较慢。

发明内容

本发明针对传统卫星失锁判断方法反应速度慢的问题，而提出一种快速准确的GPS接收机卫星失锁判决方法。

该方法是由如下各自独立进行的两部分组成：

(1)载波跟踪环路稳定性检测

根据接收机可能的运行速度和所选取的时间间隔Δt，计算出在时间间隔Δt内产生的最大多普勒频移f_max，该f_max即为载波环路稳定性的判断阈值；

当f_max设定完毕后，从GPS接收机载波环路中获取相应时间间隔Δt内的多普勒频率差值Δf，将Δf与先前的f_max进行比较：当Δf-f_max≤0时，载波跟踪环路处于稳定状态；当Δf-f_max＞0时，载波跟踪环路为失锁状态；

所述多普勒频率差值Δf的计算方法为：

设在t1时刻获得的载波多普勒频率为f_t1，在经过时间间隔Δt之后获得t1+Δt时刻的载波多普勒频率f_t1+Δt，则相应的多普勒频率差值Δf＝f_t1+Δt-f_t1。

(2)码跟踪环路稳定性检测

输入C/A码信号经过相关器后获得超前码的能量Envelop_Power_E、即时码的能量Envelop_Power_P以及滞后码的能量Envelop_Power_L；

在判决机制中引入一个状态标志Flag，对Envelop_Power_E、Envelop_Power_P、Envelop_Power_L按照能量大小关系进行排序比较，以Envelop_Power_P的能量值为基准，得到如下关系：

i)当Envelop_Power_P的能量值最大，码跟踪环路处于稳定跟踪状态，将Flag置为1；

ii)设

当Envelop_Power_P的能量值最小，在a与b满足比例关系q时，码跟踪环路处于稳定跟踪状态，否则为失锁状态，q由实际测试得到，此时的

其中x为预设的比例因子；

iii)当Envelop_Power_E＜Envelop_Power_P＜Envelop_Power_L时，此时的 $\mathrm{Flag}=\frac{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_P}{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_L};$

iv)当Envelop_Power_L＜Envelop_Power_P＜Envelop_Power_E时，此时的 $\mathrm{Flag}=\frac{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_P}{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_E};$

针对i～iv四种情况，当状态标志Flag≥T_k时，码跟踪环路处于稳定跟踪状态，否则为失锁状态，T_k为既定的阈值，其为一实测值。

本发明方法对载波跟踪环路和码跟踪环路分别进行稳定性检测，两部分检测组成了完整的GPS接收机通道失锁判断机制，当载波跟踪环路和码跟踪环路中任一出现不稳定时，即可判断该卫星的跟踪已经出现失锁，加速了失锁判断的过程。

附图说明

图1为GPS接收机载波跟踪环路的基本结构示意图。

图2为载波跟踪环路失锁判决机制流程图。

图3为GPS接收机码跟踪环路的基本结构示意图。

图4为码跟踪环路失锁判决机制流程图。

具体实施方式

通常GPS接收机跟踪通道由载波跟踪环路与码跟踪环路组成，从载波跟踪环路中可以获取载波多普勒频率，从码跟踪环路中可以获取超前码的能量Envelop_Power_E、即时码的能量Envelop_Power_P、滞后码的能量Envelop_Power_L。

本发明方法由以下两部分内容组成：

(一)载波跟踪环路稳定性检测

根据载波多普勒计算公式：

$f_{\mathrm{dr}}=\frac{f_r\·v_{\mathrm{dm}}}{c}$

式中：f_dr表示产生的多普勒频移，c为光速，f_r为C/A码调制频率，c和f_r均为固定值，f_r＝1575.42Mhz。

可知与载波多普勒相关的是多普勒速率

v_s为卫星运行速度，r_e为地球半径，r_s为卫星运行的平均轨道半径。

通常情况下GPS接收机运用于地面交通工具，其产生的多普勒频移较小，当其运动方向直接朝向卫星时引起最大的多普勒频移。

根据接收机可能的运行速度和所选取的时间间隔Δt，计算出在时间间隔Δt内产生的最大多普勒频移f_max，该f_max即为载波环路稳定性的判断阈值。

当f_max设定完毕后，从GPS接收机载波环路中获取相应时间间隔Δt内的多普勒频率差值Δf。该多普勒频率差值Δf的计算方法为：设在t1时刻获得的载波多普勒频率为f_t1，在经过时间间隔Δt之后获得t1+Δt时刻的载波多普勒频率f_t1+Δt，则相应的多普勒频率差值Δf＝f_t1+Δt-f_t1。图1为GPS接收机载波跟踪环路的基本结构，从其输出中可以获得当前GPS接收机跟踪环路的载波多普勒频率。

将Δf与f_max进行比较：当Δf-f_max≤0时，载波跟踪环路处于稳定状态；当Δf-f_max＞0时，载波跟踪环路判断为失锁状态。载波跟踪环路的基本判断流程如图2所示。

(二)码跟踪环路稳定性检测

图3为GPS接收机码跟踪环路的基本结构。

在输入C/A码信号经过相关器后获得超前码的能量Envelop_Power_E、即时码的能量Envelop_Power_P以及滞后码的能量Envelop_Power_L，其中：

$\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_P=I_P^2+Q_P^2$

$\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_E=I_E^2+Q_E^2$

$\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_L=I_L^2+Q_L^2$

式中：I_P为数字中频信号经过载波剥离后产生的同相即时码信号；Q_P为数字中频信号经过载波剥离后产生的正交相即时码信号；I_E为数字中频信号经过载波剥离后产生的同相超前码信号；Q_E为数字中频信号经过载波剥离后产生的正交相超前码信号；I_L为数字中频信号经过载波剥离后产生的同相滞后码信号；Q_L为数字中频信号经过载波剥离后产生的正交相滞后码信号。

需要说明的是Envelop_Power_E、Envelop_Power_P、Envelop_Power_L的计算是每隔固定时间间隔Δt′计算一次，再根据三者之间的差值关系来判断码跟踪环路的状态。在每一次判决完成之后需要对Envelop__Power_E、Envelop_Power_P、Envelop_Power_L进行清零，以便在再经过Δt′的时间后再次进行计算和判决。

由于在码跟踪环路中并非完全遵循Envelop_Power_P大于Envelop_Power_E和Envelop_Power_L，当三者的关系遵从一定比例关系的情况下，码跟踪环路都会处于稳定跟踪状态。因此在实际判决中需要引入一个状态标志Flag，用以表征即时码P、超前码E、滞后码L的能量是否满足码跟踪环路稳定状态的比例关系。

引入状态标志Flag，对Envelop_Power_E、Envelop_Power_P、Envelop_Power_L按照能量大小关系进行排序比较，以Envelop_Power_P的能量值为基准，得到如下关系：

i)当Envelop_Power_P的能量值最大，码跟踪环路处于稳定跟踪状态，将Flag置为1；

ii)设

当Envelop_Power_P的能量值最小，在a与b满足比例关系q时，码跟踪环路处于稳定跟踪状态，否则为失锁状态，q由实际测试得到，此时的

其中x为预设的比例因子；

iii)当Envelop_Power_E＜Envelop_Power_P＜Envelop_Power_L时，这种情况下的 $\mathrm{Flag}=\frac{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_P}{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_L};$

iv)当Envelop_Power_L＜Envelop_Power_P＜Envelop_Power_E时，这种情况下的 $\mathrm{Flag}=\frac{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_P}{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_E};$

针对i～iv四种情况，当状态标志Flag≥T_k时，码跟踪环路处于稳定跟踪状态，否则认为是失锁状态，T_k为既定的阈值，其可根据经验实测得到。码跟踪环路的基本判断流程如图4所示。

综合考虑载波跟踪环路和码跟踪环路的判决机制，当GPS接收机相应通道处于稳定跟踪状态的情况下，载波跟踪环路以及码跟踪环路应该同时处于稳定跟踪状态，即同时满足上述的判决条件，当有任一环路不满足条件时，即可认为GPS接收机相应通道的跟踪已经失锁。

Claims (1)

1.一种GPS接收机卫星失锁判决方法，其特征在于：

该方法是由如下各自独立进行的两部分组成：

（1）载波跟踪环路稳定性检测

根据接收机可能的运行速度和所选取的时间间隔Δt，计算出在时间间隔Δt内产生的最大多普勒频移f_max，该f_max即为载波环路稳定性的判断阈值；

当f_max设定完毕后，从GPS接收机载波环路中获取相应时间间隔Δt内的多普勒频率差值Δf，将Δf与先前的f_max进行比较：当Δf-f_max≤0时，载波跟踪环路处于稳定状态；当Δf-f_max>0时，载波跟踪环路为失锁状态；

所述时间间隔Δt内的多普勒频率差值Δf为起始时间点多普勒频率与终止时间点多普勒频率之间的差值；

（2）码跟踪环路稳定性检测

输入C/A码信号经过相关器后获得超前码的能量Envelop_Power_E、即时码的能量Envelop_Power_P以及滞后码的能量Envelop_Power_L；

在判决机制中引入一个状态标志Flag，对Envelop_Power_E、Envelop_Power_P、Envelop_Power_L按照能量大小关系进行排序比较，以Envelop_Power_P的能量值为基准，得到如下关系：

i）当Envelop_Power_P的能量值最大，码跟踪环路处于稳定跟踪状态，将Flag置为1；

ii）设 $a=\frac{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_P}{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_E},$ $b=\frac{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_P}{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_L},$ 当Envelop_Power_P的能量值最小，且在a与b满足比例关系q时，

码跟踪环路处于稳定跟踪状态，否则为失锁状态，q由实际测试得到，x为预设的比例因子；

iii）当Envelop_Power_E<Envelop_Power_P<Envelop_Power_L时，此时的

$\mathrm{Flag}=\frac{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_P}{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_L};$

iv）当Envelop_Power_L<Envelop_Power_P<Envelop_Power_E时，此时的

$\mathrm{Flag}=\frac{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_P}{\mathrm{Envelop}\_\mathrm{Power}\_E};$

针对i~iv四种情况，当状态标志Flag≥T_k时，码跟踪环路处于稳定跟踪状态，否则为失锁状态，T_k为既定的阈值；

当部分（1）和部分（2）中的任一环路处于失锁状态，则判定GPS接收机相应通道的卫星跟踪已经失锁。

Images