CN102435999B - Gps接收机基带模块和gps信号捕获及跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GPS接收机基带模块和GPS信号捕获及跟踪方法。它包括依次连接的捕获和跟踪模块、同步与导航电文提取模块、选星计算模块、观测量计算模块、误差校正模块和导航定位解算模块，捕获和跟踪模块与射频前端电路连接。通过快速捕获算法和高灵敏度载波跟踪技术实现弱信号、高噪声环境下的GPS定位。本发明适用于所有的GPS定位设备。
Description
技术领域
本发明涉及一种GPS接收机设备，尤其是涉及一种GPS接收机基带模块和GPS信号捕获及跟踪方法。
背景技术
卫星定位系统是一种以卫星为基础的无线电导航系统，能为陆、海、空的各类载体提供全天候、不间断、高精度、实时导航定位服务。目前，应用最广的卫星定位系统是美国的GPS，已经渗透到国民经济与日常生活的各个领域，如海上航行、城市交通管理、商业物流管理、船舶远洋导航、精密受时、大地测量、精细农业等。
GPS 信号（扩频信号）到达地面接收机时已相当微弱，大约为-130dBmW，比接收机内部热噪声低20～30dB。特别的，在室内、城市、森林等复杂环境（本文中统称为室内环境）中，GPS 接收信噪比更低，而室内环境恰是人类活动的主要环境之一。可见，导航接收机的灵敏度成为限制其应用的重要因素之一。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的GPS 接收机在室内环境存在信号遮挡和受干扰的环境下不能给出定位结果的不足，提供一种高灵敏度接收GPS 信号的无线电接收机基带处理模块方案。
本发明针对上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种GPS接收机基带模块，包括依次连接的捕获和跟踪模块、同步与导航电文提取模块、选星计算模块、观测量计算模块、误差校正模块和导航定位解算模块，捕获和跟踪模块包括第一乘法器和第二乘法器，第一乘法器输出端通过第一积分电路连接第一傅里叶变换电路，第二乘法器的输出端通过第二积分电路连接第一傅里叶变换电路，第一傅里叶变换电路连接第三乘法器的一个输入端，第二傅里叶变换电路的输入端连接本地码生成电路，第二傅里叶变换电路输出傅里叶变换结果的共轭到第三乘法器的另一输入端，第三乘法器的输出端通过傅里叶逆变换电路连接鉴别器的输入端，鉴别器的输出端连接滤波器的输入端，滤波器的一个输出端连接本地码生成电路，滤波器的另一个输出端连接本地载波生成电路和模糊逻辑算法电路，模糊逻辑算法电路输入端连接辅助信息电路，模糊逻辑算法电路的输出端连接本地载波生成电路和环路阶数控制电路，第一乘法器的两个输入端分别连接射频前端电路和本地载波生成电路的同相载波输出端，第二乘法器的两个输入端分别连接射频前端电路和本地载波生成电路的正交载波输出端。
作为优选，鉴别器包括四象限反正切鉴别器和点积型鉴相器，锁频环为叉积型鉴频器。
作为优选，滤波器为自适应卡尔曼滤波器。
一种GPS信号捕获及跟踪方法，包括以下步骤：
步骤a、利用以前存储在接收机内的星历数据，采用极大似然法估计多普勒频移，确定本地载波搜索的初始频率、本地伪码搜索的初始相位；
步骤b、中频采样信号y(n)分别与本地载波量化信号和90度相移的本地载波相乘，产生同相I和正交Q两路信号；
步骤c、对同相I信号和正交Q信号分别通过积分电路进行积分，然后对x(n)=I+jQ进行快速傅里叶变换；
步骤d、将步骤c得到的结果与本地C码量化序列的快速傅里叶变换结果的共轭相乘；
步骤e、对步骤d的结果进行快速傅里叶逆变换，得到相关值r(m)，如果有r(m)大于指定阈值，则转入步骤f，否则转入步骤g；
步骤f、选出最大者r(m)所对应的m，则码相位τ=码长*m/M，M为一个伪码周期内总的采样点数，载波频率为当前本地载波频率，然后转入步骤h；
步骤g、如果没有r(m)大于指定阈值，则以500Hz的步长调整本地载波频率，返回步骤b；
步骤h、捕获以后，伪码跟踪环路对伪码进行跟踪。
作为优选，每隔50ms-200ms建模校正积分电路的时钟频率，以便降低接收机时钟振荡器相位噪声对积分累加的影响。接收机时钟振荡器的相位噪声会带来时钟频率的漂移，而时钟频率的漂移限制了积分累加时间的长度，通过校正可以减小漂移，延长步骤c中的积分时间，减轻或去除积分累加时间上的限制，提高信号处理增益和捕获灵敏度。
作为优选，跟踪GPS信号包括以下步骤：
步骤i、采用一阶AFC（自动频率控制）及二阶costas（科斯塔斯） 环进行频率和相位的粗跟踪，
步骤j、利用二阶AFC及三阶costas环进行精跟踪，
步骤k、基于FFT 以及相关技术检测解扩后接收信号与本地载波的频率之差，当失锁后控制载波NCO，快速进行重新跟踪；
作为优选，步骤j中，对于costas 环，在微弱信号的条件下采用四象限反正切鉴相器作为环路鉴别器；而在高信噪比的条件下，采用点积型鉴相器作为环路鉴别器；锁频环采用叉积型鉴频器。
作为优选，依据估计得到的载体速度和跟踪频率误差，设计模糊逻辑算法辅助粗跟踪和精跟踪间的转换，并控制载波NCO，以便在降低噪声带宽的同时实现快速跟踪。
作为优选，使用模糊逻辑算法控制锁频环路（FLL）滤波器参数，使其能够根据环境的变化自适应的动态调整环路带宽，当鉴频器输出频差比较大时，增大环路滤波器的带宽，；当鉴频器输出频差减小时，减小环路滤波器的带宽。
作为优选，模糊逻辑算法的输入为滤波新息平均值绝对值和均方差，输出为调整滤波器噪声方差参数Q、R 的系数。
本发明带来的实质性效果是，可在GPS 信号受到遮挡、环境噪声较大时稳定的给出定位结果。
附图说明
图1是本发明的一种结构示意图；
图2是本发明的一种捕获和跟踪模块的结构示意图；
图中：1、捕获和跟踪模块，2、同步与导航电文提取模块，3、选星计算模块，4、观测量计算模块，5、误差校正模块，6、导航定位解算模块，7、射频前端电路，101、第一乘法器，102、第二乘法器，103、第一积分电路，104、第二积分电路，105、第一傅里叶变换电路，106、第三乘法器，107、傅里叶逆变换电路，108、鉴别器，109、滤波器，110、本地码生成电路，111、第二傅里叶变换电路，112、模糊逻辑算法电路，113、本地滤波生成电路，114、环路阶数控制电路，115、辅助信息电路。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：本实施例的一种GPS接收机基带模块，如图1所示，包括依次连接的捕获和跟踪模块1、同步与导航电文提取模块2、选星计算模块3、观测量计算模块4、误差校正模块5和导航定位解算模块6，捕获和跟踪模块1与射频前端电路7连接。
如图2所示，捕获和跟踪模块1包括第一乘法器101和第二乘法器102，第一乘法器101输出端通过第一积分电路103连接第一傅里叶变换电路105，第二乘法器102的输出端通过第二积分电路104连接第一傅里叶变换电路105，第一傅里叶变换电路105连接第三乘法器106的一个输入端，第二傅里叶变换电路111的输入端连接本地码生成电路110，第二傅里叶变换电路111输出傅里叶变换结果的共轭到第三乘法器106的另一输入端，第三乘法器106的输出端通过傅里叶逆变换电路107连接鉴别器108的输入端，鉴别器108的输出端连接滤波器109的输入端，滤波器109的一个输出端连接本地码生成电路110，滤波器109的另一个输出端连接本地载波生成电路113和模糊逻辑算法电路112，模糊逻辑算法电路112输入端连接辅助信息电路115，模糊逻辑算法电路112的输出端连接本地载波生成电路113和环路阶数控制电路114，第一乘法器101的两个输入端分别连接射频前端电路7和本地载波生成电路113的同相载波输出端，第二乘法器102的两个输入端分别连接射频前端电路7和本地载波生成电路113的正交载波输出端。
鉴别器108包括四象限反正切鉴别器和点积型鉴相器，锁频环为叉积型鉴频器。滤波器为自适应卡尔曼滤波器。辅助信息电路115包括星历数据模块和多普勒频率估计模块，星历数据模块连接多普勒频率估计模块。
让处于微弱信号环境下的GPS 接收机正常工作，需降低接收机对输入信噪比的要求，意味着捕获需要较长时间的数据，采用积分累加以便获得足够高的处理增益。为此采用以下改进方法：
1)高灵敏度的快速捕获算法
本实施例采用拟合法等建模校正技术每隔100毫秒降低振荡器相位噪声对积分累加的影响，减轻或去除积分累加时间上的限制，提高对弱信号的捕获能力。
2)高灵敏度的载波跟踪技术
GNSS（全球卫星导航系统） 接收机捕获GNSS 信号后需要采用码跟踪环路和载波跟踪环路分别对伪码相位和载波频率进行准确估计，并精确跟踪他们的变化。
为增强对弱信号的跟踪能力，并降低载体机动对跟踪的影响，本专利研究并设计一种锁频和锁相相结合、粗跟踪环路和精跟踪环路相结合的载波跟踪环结构，提出依据动态环境和信噪比来实时调整跟踪环路参数（带宽和环路阶数）的跟踪环路优化策略，分别设计模糊逻辑算法实时调整跟踪环路阶数和带宽，使环路性能达到最佳。
为了提高复杂应用环境中定位的连续性，降低卫星信号失锁时间和失锁概率，在上述所提载波跟踪环结构的基础上，研究采用FFT （快速傅里叶变换）等技术设计算法，检测解扩后接收信号与本地载波的频率之差，并牵引失锁后的跟踪频差，以便控制环路在动态或其它故障消失后快速恢复跟踪。
具体方案如下：
a）采用星历或历书数据辅助载波捕获和跟踪，且跟踪环路滤波器采用卡尔曼滤波器，环路总体结构示意图参见图1 所示。
b）采用一阶AFC（自动频率控制）及二阶costas 环进行频率和相位的粗跟踪，然后利用二阶AFC及三阶costas环进行精跟踪。
对于costas 环，为了避免归一化对微弱信号的跟踪影响，在微弱信号的条件下采用四象限反正切鉴相器作为环路鉴别器；而在高信噪比的条件下，采用点积型鉴相器作为环路鉴别器；锁频环采用叉积型鉴频器。
c）依据估计得到的载体速度和跟踪频率误差，设计模糊逻辑算法辅助粗跟踪和精跟踪间的转换，并控制载波NCO（数字控制振荡器），以便在降低噪声带宽的同时实现快速跟踪。
d）基于FFT 以及相关技术检测解扩后接收信号与本地载波的频率之差，用于失锁后控制载波NCO，以便快速的重新跟踪。
e）设计模糊逻辑算法控制锁频环路（FLL）滤波器参数，使其能够根据环境的变化自适应的动态调整环路带宽，缓解动态应力和抗噪声性能之间的矛盾，提高环路动态性能和跟踪精度。模糊逻辑算法能够依据输入的频率误差经模糊逻辑推理运算得到输出调整量，调整FLL环路跟踪带宽，兼顾动态范围及精度：当鉴频器输出频差比较大时，通过模糊逻辑算法调整增大环路滤波器的带宽，保证一定的跟踪动态范围；当鉴频器输出频差减小时，通过模糊逻辑算法调整减小环路滤波器的带宽，提高环路的跟踪精度。
3)自适应技术
低信噪比、高动态等不同应用环境对GNSS 信号跟踪性能有截然不同的要求，要想在各种应用环境下都具有较高精度，要求GNSS 接收机能够根据环境的变化自适应的动态调整环路带宽等参数，缓解甚至消除动态应力和抗噪声性能之间的矛盾，统筹考虑并兼顾跟踪环路动态性能和跟踪精度。为了提高对应用和环境的适应能力，本专利设计自适应Kalman （卡尔曼）滤波器改进跟踪环路滤波器，使环路滤波器参数能够依据动态和环境噪声的变化而自动调整。
本专利采用自适应Kalman 滤波技术来估计跟踪误差、实现GNSS 信号跟踪的方法。自适应卡尔曼滤波器部分拟采用如下滤波器模型为基础展开研究：
状态方程：
观测方程：
其中， xp是接收载波和本地载波的相位差； 
,
分别是载波多普勒漂移及其变化率； xca为接收信号伪码相位同本地码相位的差； Tk是累加积分的时间间隔； f p是本地载波的角频率偏移； fca是本地伪码的码速率偏移； wk ??1为过程噪声矢量。Δφk是第k 次积分时间内接收载波和本地载波的相位差；Δτk是第k 次积分时间内接收信号中伪码相位同本地码相位的差，这两种观测量来自于环路鉴别器的输出， vk为观测噪声。
本专利采用方案同已有利用Kalman 滤波技术进行跟踪的方案相比，载波跟踪和码跟踪仅用一个自适应卡尔曼滤波器，环路结构更紧凑。另外，为了提高在高动态、低信噪比环境下的跟踪性能，本专利采用如下自适应滤波技术：提出基于采集于实际应用中的数据，通过分析数据得到卡尔曼滤波器各参数的最佳取值范围，进而得到设计模糊逻辑算法实时调整卡尔曼滤波器参数的方式实现自适应滤波。模糊逻辑算法的输入为滤波新息平均值绝对值和均方差，输出为调整滤波器噪声方差参数Q、R 的系数。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了乘法器、鉴别器、积分电路等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
Claims (6)
1.一种GPS信号捕获及跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤a、利用以前存储在接收机内的星历数据，采用极大似然法估计多普勒频移，确定本地载波搜索的初始频率、本地伪码搜索的初始相位；
步骤b、中频采样信号y(n)分别与本地载波量化信号和90度相移的本地载波相乘，产生同相I和正交Q两路信号；
步骤c、对同相I信号和正交Q信号分别通过积分电路进行积分，然后对x(n)=I+jQ进行快速傅里叶变换；
步骤d、将步骤c得到的结果与本地C码量化序列的快速傅里叶变换结果的共轭相乘；
步骤e、对步骤d的结果进行快速傅里叶逆变换，得到相关值r(m)，如果有r(m)大于指定阈值，则转入步骤f，否则转入步骤g；
步骤f、选出最大者r(m)所对应的m，则码相位τ=码长*m/M，M为一个伪码周期内总的采样点数，载波频率为当前本地载波频率，然后转入步骤h；
步骤g、如果没有r(m)大于指定阈值，则以500Hz的步长调整本地载波频率，返回步骤b；
步骤h、捕获以后，伪码跟踪环路对伪码进行跟踪；
跟踪GPS信号包括以下步骤：
步骤i、采用一阶AFC及二阶costas 环进行频率和相位的粗跟踪，
步骤j、利用二阶AFC及三阶costas环进行精跟踪，
步骤k、基于FFT 以及相关技术检测解扩后接收信号与本地载波的频率之差，当失锁后控制载波NCO，快速进行重新跟踪。
2.根据权利要求1所述的GPS信号捕获及跟踪方法，其特征在于，每隔50ms-200ms建模校正积分电路的时钟频率。
3.根据权利要求1所述的GPS信号捕获及跟踪方法，其特征在于，步骤j中，对于costas 环，在微弱信号的条件下采用四象限反正切鉴相器作为环路鉴别器；而在高信噪比的条件下，采用点积型鉴相器作为环路鉴别器；锁频环采用叉积型鉴频器。
4.根据权利要求1所述的GPS信号捕获及跟踪方法，其特征在于，依据估计得到的载体速度和跟踪频率误差，设计模糊逻辑算法辅助粗跟踪和精跟踪间的转换，并控制载波NCO，以便在降低噪声带宽的同时实现快速跟踪。
5.根据权利要求1所述的GPS信号捕获及跟踪方法，其特征在于，使用模糊逻辑算法控制锁频环路滤波器参数，使其能够根据环境的变化自适应的动态调整环路带宽，当鉴频器输出频差比较大时，增大环路滤波器的带宽；当鉴频器输出频差减小时，减小环路滤波器的带宽。
6.根据权利要求5所述的GPS信号捕获和跟踪方法，其特征在于，模糊逻辑算法的输入为滤波新息平均值绝对值和均方差，输出为调整滤波器噪声方差参数Q、R 的系数。
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- 2011-10-26 CN CN 201110328423 patent/CN102435999B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101246210A (zh) * | 2008-03-25 | 2008-08-20 | 南京航空航天大学 | 一种gps定位方法及基于双核处理器的gps软件接收机 |
| CN102073055A (zh) * | 2010-11-03 | 2011-05-25 | 东南大学 | Gps接收机中温度补偿晶体振荡器固定偏差的测试方法 |
| CN202383295U (zh) * | 2011-11-17 | 2012-08-15 | 浙江理工大学 | Gps导航定位接收机 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| JP特开2010-25853A 2010.02.04 |
| 基于Kalman滤波理论的高动态GPS信号跟踪系统仿真研究;左启耀 等;《系统仿真学报》;20090430;第21卷(第8期);参见图3，第2162页左栏至2163页左栏 * |
| 左启耀 等.基于Kalman滤波理论的高动态GPS信号跟踪系统仿真研究.《系统仿真学报》.2009,第21卷(第8期), |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN102435999A (zh) | 2012-05-02 |
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