CN104181554A - 卫星定位接收机及其跟踪环路质量判定方法 - Google Patents

卫星定位接收机及其跟踪环路质量判定方法 Download PDF

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CN104181554A CN201310199410.9A CN201310199410A CN104181554A CN 104181554 A CN104181554 A CN 104181554A CN 201310199410 A CN201310199410 A CN 201310199410A CN 104181554 A CN104181554 A CN 104181554A
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Abstract

本发明公开了一种卫星定位接收机及其跟踪环路质量判定方法，该跟踪环路质量判定方法包括：获取针对特定卫星的跟踪环路的载波噪声功率谱密度比；获取所述跟踪环路中的锁频环鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第一统计值和/或所述跟踪环路中的锁相环鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第二统计值；以及根据所述第一统计值和/或所述第二统计值，以及所述载波噪声功率谱密度比，来判定所述跟踪环路的环路质量。本发明能够准确地反映跟踪环路的环路质量，并使得在判定出失锁的情况下及时重新捕获，从而可以有效避免环路长时间失锁对卫星定位和导航造成的不利影响。

Description

卫星定位接收机及其跟踪环路质量判定方法
技术领域
本发明涉及卫星定位技术领域，具体涉及一种卫星定位接收机及其跟踪环路质量判定方法。
背景技术
在现有的针对例如全球定位系统（Global Positioning System，简称GPS）或北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，简称BD）等卫星导航系统的应用中，卫星定位接收机在完成对卫星信号的捕获后进入跟踪阶段，在所述跟踪阶段主要完成载波跟踪以及码跟踪，因此，在跟踪环路设计时也相应地包括载波跟踪环路设计以及码跟踪环路设计。一般而言，跟踪环路主要包括积分器、鉴别器、环路滤波器以及数控振荡器（NumericalControlled Oscillator，简称NCO）。
例如，预先设计的跟踪环路只能跟踪信号强度为11dB以上的卫星信号，在进入跟踪阶段后，由于外界因素（例如：建筑物的阻碍、反射信号的干扰、信号自身的干扰、信号阻塞、天线衰减等）可能会造成了卫星信号衰减，当前述外界因素造成卫星信号强度低于11dB时，接收机就无法继续对卫星信号进行跟踪，也即跟踪环路失锁，从而导致导航系统无法完成后续操作。因此，需要监测跟踪环路质量，特别是监测跟踪环路是否失锁，以便在跟踪环路失锁后立即重启系统并重新捕获卫星信号，从而避免长时间环路失锁导致严重的定位偏差以及导航错误。
在现有技术中，普遍采用载波噪声功率谱密度比（Carrier-to-noise-densityratio，简称CN0）来判定跟踪环路的环路质量。但是，由于CN0是载波跟踪环路中的锁频环（Frequency-locked loop，简称FLL）以及锁码环（Delay-lockedloop，简称DLL）的综合指标，其主要用来监测DLL环路的锁定/失锁，并不能准确地反映载波跟踪环路中的FLL和锁相环（Phase-locked loop，简称PLL）各自的跟踪情况。在实际情况下，测速的准确性与PLL相关度较高，测距的准确性与DLL相关度较高，因此，现有技术中的这种基于CN0来判定跟踪环路的质量的方式可能导致测速不准确；此外，CN0对环路的反映速度较慢，由于不能及时反映环路失锁，可能导致环路长时间失锁后才开始重新捕获，进而引起严重的定位偏差以及导航错误。
发明内容
本发明提供一种卫星定位接收机及跟踪环路质量判定方法，其能够准确地判定跟踪环路的环路质量。
本发明还提供一种卫星定位接收机及跟踪环路质量判定方法，其能够及时地判定出跟踪环路是否失锁。
本发明还提供一种卫星定位接收机及跟踪环路质量判定方法，其能够准确地评价导航卫星的质量，进而优化选星和权重策略。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种跟踪环路质量判定方法，其包括：获取针对特定卫星的跟踪环路的载波噪声功率谱密度比；获取所述跟踪环路中的锁频环鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第一统计值和/或所述跟踪环路中的锁相环鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第二统计值；以及根据所述第一统计值和/或所述第二统计值，以及所述载波噪声功率谱密度比，来判定所述跟踪环路的环路质量。
本发明还提供一种卫星定位接收机，其特征在于，所述卫星定位接收机至少包括：CN0获取单元，用于获取针对特定卫星的跟踪环路的载波噪声功率谱密度比；统计值获取单元，用于获取所述跟踪环路中的锁频环鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第一统计值和/或所述跟踪环路中的锁相环鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第二统计值；以及判定单元，与所述CN0获取单元以及所述统计值获取单元连接，用于根据所述第一统计值和/或所述第二统计值，以及所述载波噪声功率谱密度比，来判定所述跟踪环路的环路质量。
采用本发明的卫星定位接收机及其跟踪环路质量判定方法，通过实时获取锁频环的鉴别器和/或锁相环的鉴别器的输出统计值，并将所获取到的各鉴别器的输出统计值结合跟踪环路的载波噪声功率谱密度比来判定跟踪环路的环路质量（例如，判定跟踪环路是否失锁），能够准确反映跟踪环路的环路质量，并使得在检测到失锁的情况下及时重启系统重新捕获，从而可以有效避免环路长时间失锁对卫星定位和导航产生的不利影响。
进一步地，通过在连续M次判定跟踪环路失锁时，及时停止该跟踪环路的工作，能够减少卫星定位由于失锁而造成的时延，从而有效提高卫星定位的时效性和精确度。
更进一步地，通过所获取到的锁频环的鉴别器和/或锁相环的鉴别器的输出统计值，能够滤除信号质量较差的卫星，同时提高信号质量较好的卫星参与定位时的权重。
附图说明
图1为根据本发明一个实施例的跟踪环路质量判定方法的流程图；
图2a、2b以及2c为根据本发明一个实施例的跟踪环路未失锁时在预定时间段为1秒、2秒以及3秒时，FLL鉴别器输出的均方差的实验结果统计图；
图3a、3b以及3c为根据本发明一个实施例的跟踪环路未失锁时在预定时间段为1秒、2秒以及3秒时，PLL鉴别器输出的均方差的实验结果统计图；
图4为根据本发明另一个实施例的跟踪环路质量判定方法的流程图；以及
图5为根据本发明一个实施例的卫星定位接收机的结构框图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，本发明涵盖所附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
图1为根据本发明一个实施例的跟踪环路质量判定方法的流程图，如图1所示，该跟踪环路质量判定方法包括：
步骤S100、获取针对特定卫星的跟踪环路的CN0；
步骤S120、获取所述跟踪环路中的FLL鉴别器在预定时间段（例如，1秒、2秒或者3秒）内的输出统计值作为第一统计值和/或所述跟踪环路中的PLL鉴别器在预定时间段（例如，1秒、2秒或者3秒）内的输出统计值作为第二统计值；以及
步骤S140、根据所述第一统计值和/或所述第二统计值，以及所获取的CN0，来判定所述跟踪环路的环路质量。
在本发明的一个实施例中，如前所述的跟踪环路质量判定方法的步骤S140进一步包括：
在连续N次（其中，N为正整数，例如，4）得出所述CN0大于第一阈值，且所述第一统计值大于第二阈值的情况下，判定所述跟踪环路失锁；和/或
在连续N次（其中，N为预订正整数，例如N为4）得出所述CN0大于第三阈值，且所述第二统计值大于第四阈值的情况下，判定所述跟踪环路失锁。
在本发明的一个实施例中，如前所述的跟踪环路质量判定方法中，所述第一统计值为所述FLL鉴别器的输出值在所述预定时间段内的均方差；所述第二统计值为所述PLL鉴别器的输出值在所述预定时间段内的均方差。
在本发明的一个实施例中，如前所述的跟踪环路质量判定方法中，所述第一阈值为22db，所述第二阈值为20；和/或所述第三阈值为24db，所述第四阈值为0.8。
图2a、2b以及2c为根据本发明一个实施例的跟踪环路未失锁时在预定时间段为1秒、2秒以及3秒时，FLL鉴别器输出的均方差的实验结果统计图。
以图2a为例，横坐标表示特定卫星（例如，GPS导航卫星）的跟踪环路的CN0，由于FLL鉴别器每隔20毫秒输出一个值，当预定时间段为1秒，则如图2a中，每一个标注点代表了50个检测值（1秒/20毫秒=50）的均值。如图2a所示，跟踪环路中的FLL鉴别器的输出统计值即第一统计值随CN0的增加而减小，并且当CN0大于第一阈值22db，例如CN0为26db时，第一统计值都小于20。结合如图1所述的跟踪环路质量判定方法，由于CN0大于第一阈值22db（例如，CN0为26db），并且第一统计值小于第二阈值20，判定所述跟踪环路未失锁，与实际的跟踪环路中失锁的情况相符。
图2b以及图2c与图2a相类似，不同之处在于，由于FLL鉴别器每隔20毫秒输出一个值，当预定时间段为2秒，则如图2b中，每一个标注点代表了50个检测值（2秒/20毫秒=100）的均值；当预定时间段为3秒，则如图2c中，每一个标注点代表了150个检测值（3秒/20毫秒=150）的均值。
图3a、3b以及3c为根据本发明一个实施例的跟踪环路未失锁时在预定时间段为1秒、2秒以及3秒时，PLL鉴别器输出的均方差的实验结果统计图。
以图3a为例，横坐标表示特定卫星（例如，GPS导航卫星）的跟踪环路CN0，由于PLL鉴别器每隔20毫秒输出一个值，当预定时间段为1秒，则如图3a中，每一个标注点代表了50个检测值（1秒/20毫秒=50）的均值。如图3a所示，，跟踪环路中的PLL鉴别器的输出统计值即第二统计值随CN0的增加而减小，并且当CN0大于第三阈值24db，例如CN0为26db时，第二统计值都小于0.8。结合如图1所述的跟踪环路质量判定方法，由于CN0大于第三阈值24db（例如，CN0为26db），并且第二统计值小于第四阈值0.8，判定所述跟踪环路未失锁，与实际的跟踪环路中未失锁的情况相符。
图3b以及图3c与图3a相类似，不同之处在于，由于PLL鉴别器每隔20毫秒输出一个值，当预定时间段为2秒，则如图3b中，每一个标注点代表了50个检测值（2秒/20毫秒=100）的均值；当预定时间段为3秒，则如图3c中，每一个标注点代表了150个检测值（3秒/20毫秒=150）的均值。
通过实时获取FLL鉴别器和/或PLL鉴别器的输出统计值，并将所获取到的不同鉴别器的输出统计值结合跟踪环路的CN0来判定跟踪环路的环路质量（例如，检测跟踪环路是否失锁），能够准确地反映跟踪环路的环路质量，并使得在检测到失锁的情况下可及时重启系统重新捕获，从而可以有效避免环路长时间失锁对卫星定位和导航产生的不利影响。
由于在卫星导航系统应用中通常采用多颗定位卫星加权的方式，因此，在本发明的另一个实施例中，可以根据如前所述的跟踪环路质量判定方法中的所述第一统计值和/或所述第二统计值鉴别不同定位卫星信号的质量，作为后续处理的选星时的筛选标准，或者作为后续测速时的加权权重参考标准。
具体地，在判定了跟踪环路未失锁时，可以将所获取到的FLL鉴别器的输出统计值（即第一统计值）用于确定卫星定位中的测速权重。举例而言，针对特定卫星（例如，GPS导航卫星），如果该卫星的第一统计值较小，则表明该卫星信号质量较好，相应地可以提高该卫星参与定位时的测速权重；相反地，如果该卫星的第一统计值较大，则表明该卫星信号质量较差，相应地可以降低该卫星参与定位时的测速权重。
具体地，在判定了跟踪环路未失锁时，可以将所获取到PLL鉴别器的输出统计值（即第二统计值）用于确定卫星定位中的测距权重。举例而言，针对特定卫星（例如，GPS导航卫星），如果该卫星的第二统计值较小，则表明该卫星信号质量较好，相应地可以提高该卫星参与定位时的测距权重；相反地，如果该卫星的第二统计值较大，则表明该特定卫星信号质量较差，相应地可以降低该卫星参与定位时的测距权重。
总而言之，通过所获取到的FLL鉴别器和/或PLL鉴别器的输出统计值，能够确定特定卫星参与定位时的权重。
图4为根据本发明另一个实施例的跟踪环路质量判定方法的流程图，图4中与图1标号相同的步骤具有相同的功能，为简明起见，再次不负赘述。
如图4所示的跟踪环路质量判定方法与图1所示的跟踪环路质量判定方法的主要区别在于，在步骤S140之后还包括：
步骤S200、在连续M次（其中，M为正整数，例如，M为3）判定所述跟踪环路出现了失锁的情况下，停止对所述特定卫星进行跟踪。其中，M为大于2的整数，例如，M为3。
在连续M次判定跟踪环路失锁确认该跟踪环路不应该继续工作的情况下，及时停止该跟踪环路的工作，能够减少卫星定位由于失锁而造成的时延，从而有效提高卫星定位的时效性和精确度。
图5为根据本发明一个实施例的卫星定位接收机的结构框图。如图所示，本发明的卫星定位接收机包括：
CN0获取单元300，用于获取针对特定卫星的跟踪环路的CN0；
统计值获取单元310，用于获取所述跟踪环路中的FLL鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第一统计值和/或所述跟踪环路中的PLL鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第二统计值；以及
判定单元320，与所述CN0获取单元300以及所述统计值获取单元310连接，用于根据所述第一统计值和/或所述第二统计值，以及所述CN0，来判定所述跟踪环路的环路质量。
在本发明的一个实施例中，本如前所述的卫星定位接收机中的所述判定单元320进一步包括：
第一判断模块，与所述CN0获取单元300以及所述统计值获取单元310连接，用于在连续N次（其中，N为正整数，例如，4）得出所述CN0大于第一阈值，且所述第一统计值大于第二阈值的情况下，判定所述跟踪环路失锁；和/或
第二判断模块，与所述CN0获取单元300以及所述统计值获取单元310连接，用于在连续N次（其中，N为正整数，例如，4）得出所述CN0大于第三阈值，并且所述第二统计值大于第四阈值的情况下，判定所述跟踪环路失锁。
在本发明的一个实施例中，如前所述卫星定位接收机还包括：
停止单元330，与所述判定单元320连接，用于在连续M次（其中，M为正整数，例如，M为3）判定所述跟踪环路失锁的情况下，停止对所述特定卫星进行跟踪。其中，M为大于2的整数，例如，M为3。。
在本发明的一个实施例中，如前所述的卫星定位接收机中，所述第一统计值为所述FLL鉴别器的输出值在所述预定时间段内的均方差；所述第二统计值为所述PLL鉴别器的输出值在所述预定时间段内的均方差。
在本发明的一个实施例中，如前所述的卫星定位接收机，中，所述第一阈值为22db，所述第二阈值为20；和/或所述第三阈值为24db，所述第四阈值为0.8。
在本发明的一个实施例中，如前所述的卫星定位接收机中，还包括：
选择单元340，与所述CN0获取单元300以及所述统计值获取单元310连接，用于根据所述第一统计值和/或所述第二统计值鉴别不同定位卫星信号的质量，作为后续处理的选星时的筛选标准，或者作为后续测速时的加权权重参考标准。
通过统计值获取单元310实时获取FLL鉴别器和/或PLL鉴别器的输出统计值，并将所获取到的各鉴别器的输出统计值结合CN0获取单元300实时获取的跟踪环路的CN0来判定跟踪环路的环路质量（例如，判定跟踪环路是否失锁），能够准确反映跟踪环路的环路质量，并在失锁后及时重启系统重新捕获，从而可以有效避免环路长时间失锁对卫星定位和导航产生的不利影响。
在判定单元320连续M次判定跟踪环路失锁时，通过停止单元330及时停止该跟踪环路的工作，能够减少卫星定位由于失锁而造成的时延，从而有效提高卫星定位的时效性和精确度。
通过选择单元340将所获取到的各鉴别器的输出统计值结合CN0，能够滤除信号质量较差的卫星，同时提高信号质量较好的卫星参与定位时的权重。
本发明不仅适用于双模接收机也适用于单模接收机，而且不仅适用于GPS接收机、BD接收机，还适用于格罗纳斯（Glonass）接收机以及伽利略（Galileo）接收机。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）或随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (12)

1.一种跟踪环路质量判定方法，其特征在于，所述跟踪环路质量判定方法包括下列步骤：
获取针对特定卫星的跟踪环路的载波噪声功率谱密度比；
获取所述跟踪环路中的锁频环鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第一统计值和/或所述跟踪环路中的锁相环鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第二统计值；以及
根据所述第一统计值和/或所述第二统计值，以及所述载波噪声功率谱密度比，来判定所述跟踪环路的环路质量。
2.根据权利要求1所述的跟踪环路质量判定方法，其特征在于，所述根据所述第一统计值和/或所述第二统计值，以及所述载波噪声功率谱密度比，来判定所述跟踪环路的跟踪质量的步骤进一步包括：
在连续N次得出所述载波噪声功率谱密度比大于第一阈值，且所述第一统计值大于第二阈值的情况下，判定所述跟踪环路失锁；和/或
在连续N次得出所述载波噪声功率谱密度比大于第三阈值，并且所述第二统计值大于第四阈值的情况下，判定所述跟踪环路失锁；
其中，N为正整数。
3.根据权利要求2所述的跟踪环路质量判定方法，其特征在于，在判定所述跟踪环路失锁的步骤之后还包括：
在连续M次判定所述跟踪环路失锁的情况下，停止对所述特定卫星进行跟踪；
其中，M为正整数。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的跟踪环路质量判定方法，其特征在于，
所述第一统计值为所述锁频环鉴别器的输出值在所述预定时间段内的均方差；
所述第二统计值为所述锁相环鉴别器的输出值在所述预定时间段内的均方差。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的跟踪环路质量判定方法，其特征在于，
所述第一阈值为22db，所述第二阈值为20；和/或
所述第三阈值为24db，所述第四阈值为0.8。
6.根据权利要求1所述的跟踪环路质量判定方法，其特征在于，还包括：根据所述第一统计值和/或所述第二统计值，确定所述特定卫星参与定位时的权重。
7.一种卫星定位接收机，其特征在于，所述卫星定位接收机至少包括：
CN0获取单元，用于获取针对特定卫星的跟踪环路的载波噪声功率谱密度比；
统计值获取单元，用于获取所述跟踪环路中的锁频环鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第一统计值和/或所述跟踪环路中的锁相环鉴别器在预定时间段内的输出统计值作为第二统计值；以及
判定单元，与所述CN0获取单元以及所述统计值获取单元连接，用于根据所述第一统计值和/或所述第二统计值，以及所述载波噪声功率谱密度比，来判定所述跟踪环路的环路质量。
8.根据权利要求7所述的卫星定位接收机，其特征在于，所述判定单元进一步包括：
第一判断模块，与所述CN0获取单元以及所述统计值获取单元连接，用于在连续N次得出所述载波噪声功率谱密度比大于第一阈值，且所述第一统计值大于第二阈值的情况下，判定所述跟踪环路失锁；和/或
第二判断模块，与所述CN0获取单元以及所述统计值获取单元连接，用于在连续N次得出所述载波噪声功率谱密度比大于第三阈值，并且所述第二统计值大于第四阈值的情况下，判定所述跟踪环路失锁。
9.根据权利要求8所述的卫星定位接收机，其特征在于，所述卫星定位接收机还包括：
停止单元，与所述判定单元连接，用于在连续M次判定所述跟踪环路失锁的情况下，停止对所述特定卫星进行跟踪。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的卫星定位接收机，其特征在于，
所述第一统计值为所述锁频环鉴别器的输出值在所述预定时间段内的均方差；
所述第二统计值为所述锁相环鉴别器的输出值在所述预定时间段内的均方差。
11.根据权利要求7至9中任一项所述的卫星定位接收机，其特征在于，
所述第一阈值为22db，所述第二阈值为20；和/或
所述第三阈值为24db，所述第四阈值为0.8。
12.根据权利要求7所述的卫星定位接收机，其特征在于，所述卫星定位接收机还包括：
选择单元，与所述CN0获取单元以及所述统计值获取单元连接，用于根据所述第一统计值和/或所述第二统计值，确定所述特定卫星参与定位时的权重。
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