CN104765051A - 一种gps卫星接收机载波跟踪系统 - Google Patents

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CN104765051A CN201510128340.7A CN201510128340A CN104765051A CN 104765051 A CN104765051 A CN 104765051A CN 201510128340 A CN201510128340 A CN 201510128340A CN 104765051 A CN104765051 A CN 104765051A
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檀剑飞
芮文刚
翟香玉
徐盼盼
查文
邓禹
陈坤
舒航
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/01—Satellite radio beacon positioning systems transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/13—Receivers
    • G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
    • G01S19/29—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system carrier including Doppler, related

Abstract

本发明公开了一种GPS卫星接收机载波跟踪系统，包括干扰抑制模块、类FIFO缓冲器、atan2鉴频器、atan鉴相器、环路滤波器和数字控制振荡器，接收机Prompt路相关器输出信号进入干扰抑制模块，经干扰抑制模块处理后送入类FIFO缓冲器，类FIFO缓冲器将内部原有存储值与新获得的接收机Prompt路相关器输出信号的数值累加，并输出累加值信号,累加值信号分别送入atan2鉴频器和atan鉴相器，两者分别输出频率误差估计信号和相位误差估计信号，并送入环路滤波器，经环路滤波器处理后送入放大器得到数字控制振荡器的控制信，数字控制振荡器的控制信送入数字控制振荡器；该GPS卫星接收机载波跟踪系统能够实现低信噪比下完成 GPS 信号的载波同步与比特同步，灵敏度高。

Description

一种GPS卫星接收机载波跟踪系统
技术领域
    本发明涉及全球定位技术领域，具体是一种GPS卫星接收机载波跟踪系统。
背景技术
GPS（Global Positioning System）具有全能性、全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能，能为用户提供精密的三维坐标、速度和时间。GPS 技术在民用、军用领域都应用广泛，产生了极好的经济、社会效益，成为信息时代不可缺少的重要技术手段。卫星导航接收机技术是GPS技术的重要组成部分，直接影响GPS的定位、授时等作用。常用的GPS(全球卫星定位系统)接收机在完成对GPS信号的捕获后，多采用多路相关器实现对卫星信号的跟踪和对导航数据的解调。每颗卫星传送的GPS信号都是直接序列扩展频谱信号，L1载波频率为1.57542GHz，具有1.023M的粗码(C/A)码速率。C/A码序列长度为1023个码片，对应于1毫秒的时间周期。每颗卫星发射不同的C/A码，接收机接收到的各卫星信号间几乎没有干扰。导航电文以50bps的速率按BPSK方式调制在各卫星信号上，其位边界与C/A码周期的开头对齐；每数据位周期内有20个C/A码周期。由于卫星与用户之间的相对运动等，造成接收机接收到的GPS信号的载波频率存在多普勒频移，为了精确的解算用户接收机的位置和用户的速度，需要去除多普勒频移的影响，该过程称之为载波同步。另外，在解算用户位置和速度前还必须获得C/A码的相位以实现C/A码同步，找到每比特数据的其实码周期以实现比特同步。
传统的导航接收机一般应用于地表、户外等导航信号强度较大的环境，在这些环境中导航信号没有受到遮蔽、多径等影响。在室内、隧道、密林等类似的工作环境中，导航信号受到20dB-30dB的衰减，这大大降低了信号的信噪比。在接收到的GPS信号信噪比较低的情况下，载波同步和比特同步都很困能。因此很有必要研究一种实现低信噪比下完成 GPS 信号的载波同步与比特同步的跟踪系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GPS卫星接收机载波跟踪系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种GPS卫星接收机载波跟踪系统，包括干扰抑制模块、类FIFO缓冲器、atan2鉴频器、atan鉴相器、环路滤波器和数字控制振荡器，接收机Prompt路相关器输出信号进入干扰抑制模块，经干扰抑制模块处理后送入类FIFO缓冲器，类FIFO缓冲器将内部原有存储值与新获得的接收机Prompt路相关器输出信号的数值累加，并输出累加值信号,累加值信号分别送入atan2鉴频器和atan鉴相器，atan2鉴频器和atan鉴相器分别输出频率误差估计信号和相位误差估计信号，频率误差估计信号和相位误差估计信号均送入环路滤波器，经环路滤波器处理后送入放大器得到数字控制振荡器的控制信，该信号控制着数字控制振荡器产生的本地复现载波的频率，数字控制振荡器的控制信送入数字控制振荡器，数字控制振荡器产生数字控制振荡器输出信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该GPS卫星接收机载波跟踪系统能够实现低信噪比下完成 GPS 信号的载波同步与比特同步，灵敏度高。
附图说明
图1为GPS卫星接收机载波跟踪系统的方框图。
图中：101-接收机Prompt路相关器输出信号、102-累加值信号、103-频率误差估计信号、104-相位误差估计信号、105-数字控制振荡器的控制信号、106-数字控制振荡器输出信号。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
请参阅图1，一种GPS卫星接收机载波跟踪系统，包括干扰抑制模块、类FIFO缓冲器、atan2鉴频器、atan鉴相器、环路滤波器和数字控制振荡器，接收机Prompt路相关器输出信号101进入干扰抑制模块，经干扰抑制模块处理后送入类FIFO缓冲器，接收机Prompt路相关器输出信号101可利用中断或软件查询的方式从硬件寄存器获得，每次获得相关器的新输出值101，经干扰抑制模块处理后送入一个由软件实现的类 FIFO 缓冲器，该缓冲器的大小可由软件设定，类FIFO缓冲器将内部原有存储值与新获得的接收机Prompt路相关器输出信号101的数值累加，并输出累加值信号102,累加值信号102分别送入atan2鉴频器（四象限正反切鉴频器）和atan鉴相器（二象限正反切鉴相器），atan2鉴频器和atan鉴相器分别输出频率误差估计信号103和相位误差估计信号104，频率误差估计信号103和相位误差估计信号104均送入环路滤波器，经环路滤波器处理后送入放大器得到数字控制振荡器的控制信号105，该信号控制着数字控制振荡器产生的本地复现载波的频率，数字控制振荡器的控制信号105送入数字控制振荡器，数字控制振荡器产生数字控制振荡器输出信号106。
在实现了对 GPS 信号的正确捕获后，进行数据解调之前，本发明进行GPS信号载波跟踪时，可按以下 4 个步骤实施：
1、使用一个由锁频环辅助的锁相环实现对 GPS 信号载波的初始跟踪，在环路工作一段预先设定的时间后转入第二步；
2、继续使用上述环路进行跟踪，并利用当前时刻和前一时刻相关器的输出值通过计算相邻两个码周期内载波的相位差进行直方图法的比特同步，经过一段时间后，取出直方图中最大值的位置作为一个比特周期的起始位置，并利用比特同步的结果对毫秒计数器进行修改；
3、继续上述跟踪过程，并用相同的方法再次进行比特同步，经过一段时间后，取出直方图中最大值的位置作为一个比特周期的起始位置，如果最大值出现在直方图的第一个位置则认为比特同步成功，否则重新回到第二步，如果比特同步成功且锁定指示器显示载波已锁定则可利用常规的解调方法进行数据解调；
4、如果经过多次( 次数可设定 )比特同步后仍不能成功的获得比特同步，则可利用常规方法对GPS信号重新捕获。其中前3个步骤决定了环路的三种工作状态。每一种状态的入口都是检测相关器Prompt路是否有新数据输出，如果有则将新数据经干扰抑制模块处理后存入长度为N(N可自由设定，例如设为5)的类FIFO缓冲器，并对类FIFO缓冲器的存储数据进行求和运算，然后判断环路状态并转到相应的状态处理模块。每种状态的持续时间通过预先设定的三个时间门限确定，例如三种状态的工作时间都可设定为2秒。环路状态三的结束标志着步骤三的完成，则按步骤四判断环路是否锁定。具体实现过程如下：
（1）、对类FIFO缓冲器的存储数据进行求和运算，然后判断环路状态。如果环路处于状态一，则通过FLL辅助的PLL完成频偏校正。本状态不进行比特同步。在所需操作结束后，判断是否达到规定工作时间。如果达到规定工作时间就在新数据产生时转入状态二，否则继续工作在状态二并等待新数据的产生；
（2）、对类FIFO缓冲器的存储数据进行求和运算，然后判断环路状态。如果环路处于状态二，则继续通过FLL辅助的PLL完成频偏校正。然后用直方图法进行比特同步，并判断是否并达到规定工作时间。如果达到规定工作时间就获取直方图中最大值的位置，然后根据最大值的位置对毫秒计数进行校正，结束状态二并在新数据产生后转入状态三。如果未达到规定时间，则继续工作在状态二并等待新数据的产生；
（3）、对类FIFO缓冲器的存储数据进行求和运算，然后判断环路状态。当环路工作在状态三时，进行第二次比特同步，状态结束时取出直方图中最大值的位置，若最大值位置为1则认为比特同步成功，可转入数据解调过程，否则认为比特同步失败。如果比特同步失败则判断总的比特同步次数是否超过预先设定的门限值，如果没有则重新返回状态二，否则结束跟踪程序，重新对GPS信号进行捕获；
（4）、如果在状态三结束时判定没有正确捕获GPS信号，则重新用常规方法进行捕获。
上面对本专利的较佳实施方式作了详细说明，但是本专利并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本专利宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (1)

1.一种GPS卫星接收机载波跟踪系统，其特征在于：包括干扰抑制模块、类FIFO缓冲器、atan2鉴频器、atan鉴相器、环路滤波器和数字控制振荡器，接收机Prompt路相关器输出信号（101）进入干扰抑制模块，经干扰抑制模块处理后送入类FIFO缓冲器，类FIFO缓冲器将内部原有存储值与新获得的接收机Prompt路相关器输出信号（101）的数值累加，并输出累加值信号（102）,累加值信号（102）分别送入atan2鉴频器和atan鉴相器，atan2鉴频器和atan鉴相器分别输出频率误差估计信号（103）和相位误差估计信号（104），频率误差估计信号（103）和相位误差估计信号（104）均送入环路滤波器，经环路滤波器处理后送入放大器得到数字控制振荡器的控制信号（105），该信号控制着数字控制振荡器产生的本地复现载波的频率，数字控制振荡器的控制信号（105）送入数字控制振荡器，数字控制振荡器产生数字控制振荡器输出信号（106）。
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