CN104459733B - 提高gps信号l1‑p(y)码跟踪性能的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出的一种提高GPS信号L1‑P(Y)码跟踪性能的方法，旨在提供一种弱GPS信号情况下L1‑P(Y)码也能稳定跟踪和解调加密W码流的方法。本发明通过下述技术方案予以实现：L1‑C/A码在已经进入稳定闭环跟踪的情况下，通过L1‑C/A码的载波跟踪环来辅助L1‑P(Y)开环载波跟踪和载波解调，通过L1‑C/A码的改进码跟踪环来辅助L1‑P(Y)进行开环码跟踪和P码解扩；其次，L1‑C/A码码跟踪环里的码环滤波器输出码多普勒给10.23M码数控振荡器DCO，把这个码多普勒对应的10.23MHz扩频码码多普勒直接作为P码码多普勒来辅助L1‑P(Y)码开环跟踪，最后，从P码产生器里产生W码码钟，积分清零模块对解扩后的数据流做积分清零运算，通过运算得到解调的W⊕D数据流数据，完成L1‑P(Y)码的开环跟踪和W⊕D数据解调。

Description

提高GPS信号L1-P(Y)码跟踪性能的方法
技术领域
本发明涉及一种主要应用于双频GPS接收机设计领域中，提高GPS信号L1-P(Y)码跟踪性能的方法。
背景技术
双频GPS接收机的应用越来越广泛,特别是在高精度定位、卫星精密定轨、掩星探测等领域发挥了重要作用。与单频接收机相比,双频GPS接收机同时对L1和L2的信号进行跟踪,双频跟踪是为了精确的估计电离层产生的群迟延，从而可以消除电离层影响,同时有助于减小单频干扰的影响。
所有GPS卫星在L1频率上都调制有C/A码和P(Y)码,所有GPS卫星在L2频率上都调制有P(Y)码,但不是所有GPS卫星都调制有L2-C码，直到2011年，在L2载波上调制有L2-C码的卫星只有10多颗，因此，双频GPS接收机设计中，对L2的P(Y)码进行跟踪非常必要。在双频GPS接收机设计中，采用半无码方法进行L2-P(Y)的跟踪时，需要用L1-P(Y)稳定跟踪后解调出来的W码流来辅助，所以L1-P(Y)码的稳定跟踪是GPS双频高精度接收机中必不可少的一项功能,也是双频GPS接收机中的主要关键技术。
GPS的L1-C/A码是一种相对较短的随机序列，码长1023位，码周期为lms。GPS的P(Y)码是由P码和一种加密、未知的W码模二和而成，即：Y＝P⊕W，只有特许用户才能破译使用，多用于军事应用当中，P(Y)码又称为精确测距码，它同时调制在L1和L2载波信号上，主要应用于精测距、抗干扰及其保密性要求高的环境下。
P(Y)中的P码是一种高精度定位码，卫星的P码由两个PN码相乘而得，码周期为一个星期，利用P码进行卫星定位要比利用粗测距码C/A码定位精度提高10倍左右；P(Y)中的W码速率近似为500KHz，但W码的码速率并不是固定的，研究发现，W码时序模式和P码产生器中的X1A子码序列同步而且是4092个P码的长度，但并不是一个长序列，而是：M个长度为A个P码的W码跟随的是N个长度为B个P码的W码，即：AM+BN＝4092，其中，A＝18，B＝24，M＝94，N＝100。在X1A子码序列4092个P码周期内分成L个子模式，每个子模式为：M/L个长度为A个P码的W码跟随的是N/L个长度为B个P码的W码。结合前面的研究，L可以确定为2，这个W码的时序关系对所有的卫星是一样，当然W码对于每颗卫星来说是不一样的。
由于P(Y)码调制有码速率为485KHz的加密W码，在闭环跟踪中，积分清零时积分时间T只能做到不大于1/485ms，而跟踪性能和积分时间是有密切关系的，我们知道，为了提高L1-C/A码的跟踪性能，通常的做法是把积分时间T由1ms提高到20ms甚至更大，因为L1-P(Y)的积分时间最大只能到1/485ms，而且P(Y)信号的载噪比和L1-C/A信号相比要低，所以用闭环跟踪时其跟踪性能很差，在双频GPS接收机设计中，采用半无码方法进行L2-P(Y)的跟踪时，需要用L1-P(Y)稳定跟踪后解调出来的W码流来辅助，L1-P(Y)的闭环跟踪性能就成了双频接收机设计的技术瓶颈。同时，由于C/A码码速率为1.023MHz，现有的L1-C/A码接收机码跟踪环路里的DCO都是1.023MHz的，而P(Y)码速率是10.23MHz的，由C/A码跟踪环里提取的C/A码跟踪多普勒去辅助P(Y)时，需要乘以一个10倍的系数，这就导致辅助时对C/A码跟踪误差有放大，可能形成一个随时间累积的辅助误差，导致L1-P(Y)的开环跟踪经过一段时间就要失锁，进而导致采用半无码方法跟踪的L2-P(Y)也会失锁，影响双频接收机的性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有L1-P(Y)的跟踪性能的不足之处，提供一种在L1-C/A码已经进入稳定闭环跟踪的情况下，通过L1-C/A码的载波跟踪环来辅助L1-P(Y)开环载波跟踪和载波解调，通过改进L1-C/A码的码跟踪环来辅助L1-P(Y)开环码跟踪和P码解扩，使得弱GPS信号情况下L1-P(Y)码也能稳定跟踪和解调加密W码流的方法，以保证L1-P(Y)码具有和L1-C/A码相同的跟踪门限电平，解决现有L1-P(Y)的跟踪性能不佳的问题。
本发明解决现有技术问题所采用的方案是：一种提高GPS信号L1-P(Y)码跟踪性能的方法，其特征在于包括如下步骤，L1-C/A码在已经进入稳定闭环跟踪的情况下，通过L1-C/A码的载波跟踪环来辅助L1-P(Y)开环载波跟踪和载波解调，通过L1-C/A码的改进码跟踪环来辅助L1-P(Y)进行开环码跟踪和P码解扩；其次，L1-C/A码码跟踪环里的码环滤波器输出码多普勒给10.23M码数控振荡器DCO，把这个码多普勒对应的10.23MHz扩频码码多普勒直接作为P码码多普勒来辅助L1-P(Y)码开环跟踪，直接辅助时L1-C/A码和L1-P(Y)码的码多普勒跟踪误差相同；最后，从P码产生器里产生W码码钟，把这个W码钟送给积分清零模块作为积分时钟，积分清零模块对解扩后的数据流做积分清零运算，通过运算得到解调的W⊕D数据流数据，完成L1-P(Y)码的开环跟踪和W⊕D数据解调，其中W是加密的W码，D是GPS电文。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明在L1-C/A码已经进入稳定闭环跟踪的情况下，通过L1-C/A码的载波跟踪环来辅助L1-P(Y)开环载波跟踪和载波解调，通过L1-C/A码的改进码跟踪环来辅助L1-P(Y)开环码跟踪和P码解扩，使得L1-P(Y)码能稳定地开环跟踪和解调加密W⊕D码流，保证了L1-P(Y)码具有和L1-C/A码相同的跟踪门限电平，从而具有和L1-C/A码相同的跟踪性能。本发明解决了由于P(Y)码调制了未知的约485KHz速率的加密W码，现有技术下L1-P(Y)码闭环跟踪性能差的问题。
本发明采用10.23MHz的DCO解决了跟踪误差放大的问题，保证了L1-P(Y)码能长期地开环跟踪，对比采用1.023MHz的DCO时，把L1-C/A码的跟踪码多普勒乘以10倍去辅助P码开环跟踪，由于跟踪误差扩大了10倍，导致误差可能随时间累积，开环一定时间后L1-P(Y)码就会跟丢，本发明解决了现有开环跟踪时的跟踪误差放大问题，从设计上保证了只要L1-C/A码码是跟踪上的，那么L1-P(Y)码就是实时稳定跟踪上的，保证了长时间开环稳定跟踪。
而且本发明不需要做L1-P(Y)的锁定判决，只需用L1-C/A码的锁定标志来判断解调出的W码流是否可用，回避了L1-P(Y)的锁定判决技术。
本发明提高了L1-P(Y)码稳定跟踪和解调W码流的性能，进而为提高L2-P(Y)码的跟踪性能打下了基础，保证了L2-P(Y)码跟踪性能提高的空间。
附图说明
下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。
图1是本发明通过L1-C/A码跟踪辅助L1-P(Y)开环跟踪的电路原理框图。
图2是本发明改进的L1-C/A码跟踪环电路原理框图。
具体实施方式
参阅图1。根据本发明，首先，L1-C/A码的载波跟踪环输出本地载波信号给载波解调模块进行L1-C/A码的载波解调，L1-C/A码载波解调后得到L1-C/A码的基带扩频信号,同时L1-C/A码的载波跟踪环也输出本地载波信号去辅助L1-P(Y)进行开环载波跟踪和载波解调，L1-P(Y)码载波解调后得到L1-P(Y)码的基带扩频信号，其次，L1-C/A码跟踪环模块输出本地C/A码码流给L1-C码解扩模块对L1-C/A码的基带扩频信号进行L1-C/A码的解扩，解扩后输出的基带信号送入位同步帧同步模块进行数据解调和解算时间，同时L1-C/A码跟踪环模块输出提取的小数时间和P码多普勒信息，这个小数时间和位同步帧同步模块输出的整数时间相加就得到P码时间，再把P码时间和P码多普勒信息一起输入到P码产生器模块，P码产生器模块就能产生开环实时跟踪的P码码片和W码码钟，产生的P码码片再送给P码解扩模块对L1-P(Y)码的基带扩频信号进行P码的解扩，产生的W码码钟送给积分清零模块，积分清零模块对P码解扩模块解扩后输出的基带信号做积分清零运算，通过运算得到解调的W⊕D数据流数据，这就完成了L1-P(Y)码的开环跟踪和W⊕D数据解调，其中W是加密的W码，D是GPS电文。
L1-C/A码在已经进入稳定闭环跟踪的情况下，通过L1-C/A码的载波跟踪环来辅助L1-P(Y)开环载波跟踪和载波解调，通过L1-C/A码的改进码跟踪环来辅助L1-P(Y)进行开环码跟踪和P码解扩；其次，L1-C/A码码跟踪环里的码环滤波器输出码多普勒给10.23M码数控振荡器DCO，把这个码多普勒对应的10.23MHz扩频码码多普勒直接作为P码码多普勒来辅助L1-P(Y)码开环跟踪，直接辅助时L1-C/A码和L1-P(Y)码的码多普勒跟踪误差相同；最后，从P码产生器里产生W码码钟，把这个W码钟送给积分清零模块作为积分时钟，积分清零模块对解扩后的数据流做积分清零运算，通过运算得到解调的W⊕D数据流数据，完成L1-P(Y)码的开环跟踪和W⊕D数据解调。
阅图2。图2对图1中的L1-C/A改进码跟踪环模块做了进一步的子模块划分：码环鉴相器模块、环路滤波器模块、10.23M码DCO、十分频模块和1.023M码产生器模块，其中，码环鉴相器模块鉴别出接收信号中的C/A码码片和本地C/A码码片相位差，环路滤波器模块对码环鉴相器模块输送的相位差进行高频分量的滤波，滤波后得到的码多普勒频率控制字送给10.23M码DCO和P码产生器，10.23M码DCO模块输出精确的小数P码时间，10.23M码DCO模块还输出稳定跟踪的10.23MHz码钟,10.23M码钟经十分频模块后分频得到1.023MHz的C/A码码钟，1.023MHz的C/A码码钟送给1.023M产生器模块产生本地L1-C/A码码流，本地L1-C/A码码流送给L1-C码解扩模块对L1-C/A码进行解扩，解扩后的基带信息送给最后的位同步帧同步模块。

Claims (4)

1.一种提高GPS信号L1-P(Y)码跟踪性能的方法，其特征在于包括如下步骤，L1-C/A码在已经进入稳定闭环跟踪的情况下，通过L1-C/A码的载波跟踪环来辅助L1-P(Y)开环载波跟踪和载波解调，通过L1-C/A码的改进码跟踪环来辅助L1-P(Y)进行开环码跟踪和P码解扩；其次，L1-C/A码码跟踪环里的码环滤波器输出码多普勒给10.23M码数控振荡器DCO，把这个码多普勒对应的10.23MHz扩频码码多普勒直接作为P码码多普勒来辅助L1-P(Y)码开环跟踪，直接辅助时L1-C/A码和L1-P(Y)码的码多普勒跟踪误差相同；最后，从P码产生器里产生Ｗ码码钟，把这个Ｗ码钟送给积分清零模块作为积分时钟，积分清零模块对解扩后的数据流做积分清零运算，通过运算得到解调的W⊕D数据流数据，完成L1-P(Y)码的开环跟踪和W⊕D数据解调，其中W是加密的W码，D是GPS电文。
2.按权利要求1所述的提高GPS信号L1-P(Y)码跟踪性能的方法，其特征在于：所述的L1-C/A改进码跟踪环模块包括：码环鉴相器模块、环路滤波器模块、10.23M码数控振荡器DCO、十分频模块和1.023M码产生器模块，其中，码环鉴相器模块鉴别出接收信号C/A码码片和本地C/A码码片的相位差，环路滤波器模块对码环鉴相器模块输送的相位差进行高频分量的滤波，滤波后得到的码多普勒频率控制字送给10.23M码数控振荡器DCO和P码产生器，10.23M码数控振荡器DCO输出精确的小数P码时间，10.23M码数控振荡器DCO还输出稳定跟踪的10.23MHz码钟, 10.23M码钟经十分频模块后分频得到1.023MHz的C/A码码钟，1.023MHz的C/A码码钟送给1.023M产生器模块产生本地L1-C/A码码流，本地L1-C/A码码流送给L1-C码解扩模块对L1-C/A码进行解扩，解扩后的基带信息送给最后的位同步帧同步模块。
3.按权利要求1所述的提高GPS信号L1-P(Y)码跟踪性能的方法，其特征在于： L1-C/A码的载波跟踪环输出本地载波信号给载波解调模块进行L1-C/A码的载波解调，L1-C/A码载波解调后得到L1-C/A码的基带扩频信号,同时L1-C/A码的载波跟踪环也输出本地载波信号去辅助L1-P(Y)进行开环载波跟踪和载波解调，L1-P(Y) 码载波解调后得到L1-P(Y)码的基带扩频信号。
4.按权利要求3所述的提高GPS信号L1-P(Y)码跟踪性能的方法，其特征在于：L1-C/A码跟踪环模块输出本地C/A码码流给L1-C码解扩模块对L1-C/A码的基带扩频信号进行L1-C/A码的解扩，解扩后输出的基带信号送入位同步帧同步模块进行数据解调和解算时间，同时L1-C/A码跟踪环模块输出提取的小数时间和P码多普勒信息，这个小数时间和位同步帧同步模块输出的整数时间相加得到P码时间，再把P码时间和P码多普勒信息一起输入到P码产生器模块，P码产生器模块就能产生开环实时跟踪的P码码片和W码码钟，产生的P码码片再送给P码解扩模块对L1-P(Y)码的基带扩频信号进行P码的解扩。
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