CN102445698A - 一种gps接收机卫星跟踪失锁的判定方法 - Google Patents

一种gps接收机卫星跟踪失锁的判定方法 Download PDF

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一种GPS接收机卫星跟踪失锁的判定方法，选择载波环跟踪的频率误差作为跟踪环路是否失锁的判定条件，根据跟踪环路的各个参数和实际测试结果，选择一个阈值Δ，当载波环鉴频结果大于Δ时，跟踪环路失锁；当载波环鉴频结果小于Δ时，跟踪环路处于稳定跟踪状态。阈值Δ是保证载波环能稳定跟踪信号频率的前提下，跟踪环路输入信号ui(t)和本地周期信号SI(t)进行混频相乘运算，并对混频结果进行FFT操作得到的频谱二维图中峰值所对应的频率值的最大值。

Description

一种GPS接收机卫星跟踪失锁的判定方法
技术领域
本发明涉及GPS卫星的跟踪，尤其涉及一种GPS接收机卫星跟踪失锁的判定方法，属于GPS卫星通信技术领域。
背景技术
GPS接收机的功能，就是从接收信号中搜索、捕获各颗可见GPS卫星的信号，并且从中获得当前对这些卫星信号的载波频率和C/A码相位的粗略估计值，然后各个相应的信号通道就从捕获阶段进入跟踪阶段。在信号跟踪阶段，信号通道从捕获阶段获得的对当前这个卫星信号载波频率和码相位的估计值出发，通过跟踪环路逐步精细对这两个信号参量的估计，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。载波跟踪环和码跟踪环两者统称为跟踪环路。
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，即称为跟踪环路的失锁。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。
发明内容
本发明针对传统卫星失锁判断方法不够精准的问题，提出一种GPS接收机卫星跟踪失锁的判定方法，可以快速准确判断卫星失锁状态。
本发明采用的技术方案如下：一种GPS接收机卫星跟踪失锁的判定方法，其特征在于：选择载波环跟踪的频率误差作为跟踪环路是否失锁的判定条件，根据跟踪环路的各个参数和实际测试结果，选择一个阈值Δ，当载波环鉴频结果大于Δ时，跟踪环路失锁；当载波环鉴频结果小于Δ时，跟踪环路处于稳定跟踪状态，按以下步骤：
已知，载波环的载波数控振荡器NCO产生一个本地周期性的连续时间信号SI(t)，记为：SI(t)＝exp(-j*A*π*t)，其中，A是一个关于信号频率的常系数，t代表时间变量；
跟踪环路输入的连续时间信号ui(t)表达式为：
Figure BDA0000105895900000021
其中，a代表信号的幅值，D(t)代表调制在载波上的数据为±1的数据码，ω代表输入信号的频率，θ代表输入信号的初始相位值，n代表均值为零、方差为σ2的高斯白噪声；
将上述ui(t)与SI(t)进行混频相乘运算得到uo(t)，记为：
对混频结果uo(t)进行FFT操作，得到对应频域的频谱二维图，频谱二维图中出现峰值，该峰值对应的频率值即为载波环路的鉴频结果，此处将该频率点记为Freq_max；
当Freq_max的值小于Δ时，环路处于正常跟踪状态，Freq_max则用来对本地振荡频率进行修正，以供后续环路跟踪使用；当Freq_max的值大于Δ时，判定环路为失锁状态；
其中，阈值Δ是保证载波环能稳定跟踪信号频率的前提下，跟踪环路输入信号ui(t)和本地周期信号SI(t)进行混频相乘运算，并对混频结果进行FFT操作得到的频谱二维图中峰值所对应的频率值的最大值。
本发明的优点及显着效果：本发明方法对载波跟踪环路进行稳定性检测，形成了一个有效的GPS接收机通道失锁判断机制，当载波跟踪环路不稳定时，即可判断该卫星的跟踪已经出现失锁。
附图说明
图1为一种现有技术接收机跟踪环路；
图2为现有技术GPS接收机载波跟踪环路的基本结构示意图；
图3为图2的混频结果示意图；
图4为本发明载波跟踪环路失锁判决机制流程图。
具体实施方式
如图1所示，在跟踪环节，作为输入的数字中频信号SIF(n)首先与载波环所复制的载波混频相乘，其中在I支路上与正弦信号相乘，在Q支路上与余弦复制载波相乘；然后再I支路和Q支路上的混频结果信号i和q又分别与码环所复制的超前、即时和滞后三份C/A码做相关运算；接着，相关结果iE，iP，iL，qE，qP和qL经积分-清除器后分别输出相干积分值IE，IP，IL，QE，QP和QL；再后，即时支路上的相干积分值IP和QP被当成载波环鉴别器的输入，而其他两条相关支路上的相干积分值作为码环鉴别器的输入；最后，载波环和码环分别对他们的鉴别器输出值φe(或者fe)和δcp进行滤波，并将滤波结果用来调节各自的载波数控振荡器和C/A码数控振荡器的输出相位和频率等状态，使载波环所复制的载波和接收载波信号保持一致，同时又使码环锁复制的C/A即时码和接收C/A码保持一致，以保证下一时刻接收信号中的载波和C/A码在跟踪环路中仍被彻底剥离。在跟踪环路中，载波剥离发生在伪码剥离之前。载波剥离的是否彻底，根本上决定了伪码的剥离以及后续环路能否稳定跟踪信号。因为载波剥离是否彻底，对于后续的环路跟踪影响很大，载波环跟踪的频率误差越大，信号受到的衰弱程度就越大。这里，我们选择载波环跟踪的频率误差作为环路是否失锁的判定条件，并且实践结果认定为可行。
如图2所示，载波环的目的是尽力使所复制的载波信号与接收到的卫星载波信号保持一致，从而通过混频机制彻底的剥离卫星信号中的载波。若复制载波和接收载波不一致，则接收信号中的载波就不能被彻底剥离，也就是说接收信号不能下变频到真正的基带。
载波NCO产生一个本地周期性的连续时间信号，SI(t)＝exp(-j*A*pi*t)，其中A是一常系数。
系统输入的连续时间信号ui(t)表达式为：
u i ( t ) = 2 aD ( t ) sin ( wt + θ ) + n
D(t)代表调制在载波上的数据码，n代表均值为零，方差为σ2的高斯白噪声。将系统输入信号ui(t)和SI(t)进行混频相乘运算
u o ( t ) = u i ( t ) ⊗ S I ( t )
对混频结果uo(t)进行FFT操作，得到对应频域的频谱图。图3为对混频结果uo(t)进行FFT操作的结果示意图，二维图中出现峰值，该峰值对应的频率值即为环路的鉴频结果，记为Freq_max。此处引入一个阈值常数Δ，阈值Δ是保证载波环能稳定跟踪信号频率的前提下，跟踪环路输入信号ui(t)和本地周期信号SI(t)进行混频相乘运算，并对混频结果进行FFT操作得到的频谱二维图中峰值所对应的频率值的最大值。Δ的取值为实践所得，是一经验值，经过重复实验可得到。当Freq_max的值小于Δ时，认为环路处于正常跟踪状态，Freq_max则用来对本地振荡频率进行修正，以供后续环路跟踪使用。当Freq_max的值大于Δ时，判定环路为失锁状态。此判定方法具有较好的实时性，能很迅速的对环路跟踪状态做出反应，保证了环路的稳定性。并且通过实践证明，此判定失锁的方法有效。
图3所示为跟踪环路输入信号ui(t)和本地周期信号SI(t)进行混频相乘运算所得到的对应频域的幅频曲线，图中幅度值最大处所对应的横轴频率值即为本论文中的Freq_max。
本发明的失锁判定流程如图4所示，将跟踪环路输入信号ui(t)和本地信号SI(t)进行混频相乘运算得到uo(t)，对混频结果uo(t)进行FFT操作，得到对应频域的频谱二维图，频谱二维图中出现峰值，该峰值对应的频率值即为载波环路的鉴频结果，此处将该频率点记为Freq_max；当Freq_max的值小于Δ时，环路处于正常跟踪状态，Freq_max则用来对本地振荡频率进行修正，以供后续环路跟踪使用。当Freq_max的值大于Δ时，判定环路为失锁状态。

Claims (1)

1.一种GPS接收机卫星跟踪失锁的判定方法，其特征在于：选择载波环跟踪的频率误差作为跟踪环路是否失锁的判定条件，根据跟踪环路的各个参数和实际测试结果，选择一个阈值Δ，当载波环鉴频结果大于Δ时，跟踪环路失锁；当载波环鉴频结果小于Δ时，跟踪环路处于稳定跟踪状态，按以下步骤：
已知，载波环的载波数控振荡器NCO产生一个本地周期性的连续时间信号SI(t)，记为：SI(t)＝exp(-j*A*π*t)，其中，A是一个关于信号频率的常系数，t代表时间变量；
跟踪环路输入的连续时间信号ui(t)表达式为：
Figure FDA0000105895890000011
其中，a代表信号的幅值，D(t)代表调制在载波上的数据为±1的数据码，ω代表输入信号的频率，θ代表输入信号的初始相位值，n代表均值为零、方差为σ2的高斯白噪声；
将上述ui(t)与SI(t)进行混频相乘运算得到uo(t)，记为：
Figure FDA0000105895890000012
对混频结果uo(t)进行FFT操作，得到对应频域的频谱二维图，频谱二维图中出现峰值，该峰值对应的频率值即为载波环路的鉴频结果，此处将该频率点记为Freq_max；
当Freq_max的值小于Δ时，环路处于正常跟踪状态，Freq_max则用来对本地振荡频率进行修正，以供后续环路跟踪使用；当Freq_max的值大于Δ时，判定环路为失锁状态；
其中，阈值Δ是保证载波环能稳定跟踪信号频率的前提下，跟踪环路输入信号ui(t)和本地周期信号SI(t)进行混频相乘运算，并对混频结果进行FFT操作得到的频谱二维图中峰值所对应的频率值的最大值。
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