CN104931980B - 载波相位测量半周模糊解除方法 - Google Patents

载波相位测量半周模糊解除方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出的一种载波相位测量半周模糊解除方法，利用L1‑C/A码的载波多普勒信息对L2‑P(Y)码进行载波频率捕获，从L1‑C/A码提取的时间对L2‑P(Y)码进行码相位捕获；L2‑P(Y)码捕获成功后切入跟踪过程：通过接收机中L1‑C/A码的帧头符号、载波多普勒信息和L1‑P(Y)码的解调码流W⊕D来辅助L2‑P(Y)码的跟踪和载波相位测量，通过L1辅助消除掉L2‑P(Y)的载波多普勒动态、码多普勒动态以及L2‑P(Y)信号里W⊕D码流带来的数据翻转，同时通过L1辅助结合L2‑P(Y)同相支路积分值的符号来保证L2‑P(Y)的载波相位测量值无半周模糊。本发明提高了L2‑P(Y)码的捕获和跟踪性能，又解决了因Costas锁相环有180°的相位多值性导致的L2‑P(Y)码载波相位测量半周模糊问题。

Description

载波相位测量半周模糊解除方法
技术领域
本发明涉及一种双频GPS接收机设计领域中，提高双频GPS接收机中L2-P(Y)码的捕获跟踪性能、尤其是解除L1-C/A码和L2-P(Y)码的载波相位测量半周模糊的方法。
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,可以消除电离层影响,同时有助于减小单频干扰的影响。GPS的L1频率上调制有C/A码和P(Y)码,L2频率上调制有P(Y)码和L2C码,但不是所有卫星都具有L2C码.到2011年,在L2载波上调制有L2C码的卫星只有10多颗,因此,对L2-P(Y)码进行跟踪非常必要。在AS技术作用下,P码经过加密技术处理而变成了Y码,它是由公开的P码和加密的W码模二和而形成的。同时利用P(Y)码还有很多优点：提高了伪距精度，减小了多径误差，同时把两个频率结合起来产生宽巷量度，还能在解算整周模糊度方面获得很大的效用，当用于搜索平滑码双差测量的不确定性时，搜索立体范围的界限由±11λ(波长)减小到±3λ，这会导致在一个观测历元内计算和检验的整周多值性组的残差成数百倍地下降。L2-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,也是接收机中的主要关键技术.由于P(Y)码含有未知的加密码且L2-P(Y)载噪比较低,实现L2-P(Y)码的载波跟踪有多种困难。
GPS信号是一种伪随机码调制的扩频信号。GPS信号是利用两种伪随机码C/A码和P码对两个载频信号调制的。以载波相位测量为基础的技术，对C/A码和P(Y)的载波相位测量值，利用双差技术会消除大部分误差源。GPS载波相位测量的相对精度是非常高的，静态相对定位达到毫米级，动态相对定位达到厘米级。对于相对固定基准站处于运动中的用户和需要实时精度的应用场合来说，如果要达到厘米级的精度，则需要解算整周模糊度。载波相位差分技术需要用到载波相位的测量值.对于需要实时厘米级精密定位的任何应用来说，载波整周模糊度的解算是关键，这种载波相位差分技术(RTK)，在某些场合进近基线已延伸到了50km。可以利用L1和L2频率结合起来的方法以加速整周模糊度解算过程，开发这种双频结构是为了得到L1和L2频率的和与差，把双频接收机的双频载波相位测量值结合起来产生宽巷测量来减少计算量，从而加速整周模糊度解算的过程。
传统的GPS信号是指位于L1频段上的民用C/A码信号(简称L1-C/A信号)、位于L1频段上的军用P(Y)码信号(简称L1-P(Y)信号)和L2频段上的军用P(Y)码信号(简称L2-P(Y)信号)，加密的P(Y)码信号只有美国核准的军方和选定的政府部门用户才能使用，普通用户只能采用半无码跟踪方法来实现P(Y)码信号的伪码和载波相位测量。L2-P(Y)半无码跟踪方法中，L2-P(Y)信号强度弱于L1-C/A信号达6dB，其次，半无码方法是使用一种类似平方环的方法来消除高速W⊕D码流的符号翻转影响，以得到和L1-C/A码类似的积分清零时间，进而获得期望的扩频增益，在这个处理过程中，平方损耗会带来L2-P(Y)信号的跟踪信噪比损失，信号越弱其平方损耗越大；其次是平方环通过相乘消除了数据的符号翻转影响，也就无法实现数据解调和帧同步头的检测。所以很难判别载波Costas锁相环稳定跟踪时的相差是180°还是0°，导致了L2-P(Y)码载波相位测量值有半周模糊。
Costas锁相环有180°的相位多值性，载波相位锁定时可能相位差稳定在0°也可能稳定在180°上，这就导致了载波相位测量值的半周模糊问题：如果稳定在0°上，载波相位测量值和准确值之间相差了整周模糊度N周，如果稳定在180°上，载波相位测量值和准确值之间不仅相差了整周模糊度N周，还相差了一个半周。载波相位测量值的半周模糊度问题，会导致整周模糊度解算时固定解比率不高，影响动态载波相位差分(RTK)的精度。在GPS双频(L1-C/A+L2-P(Y))接收机中，L1-C/A的载波相位半周模糊度需要消除，L2-P(Y)的载波相位半周模糊度也需要消除。
虽然双频接收机中对L2-P(Y)信号的跟踪可以使用半无码方法.但由于半无码方法本身具有平方损耗，因此实际获得的L2-P(Y)信号载噪比很低，跟踪环路很难进行连续稳定的跟踪，弱信号条件下L2-P(Y)信号的环路信噪比非常低，如何保证其跟踪性能是个难题；其次，L2-P(Y)码载波相位测量值的半周模糊会影响载波相位差分时的整周模糊度解算，进而影响精密定位精度和基线测量精度，L2-P(Y)码在无解调数据的情况下怎么解除载波相位测量值的半周模糊也是个难题。
发明内容
本发明的目的是针对双频GPS接收机在弱信号电平时L2-P(Y)信号跟踪性能不佳和载波相位测量值具有半周模糊度的问题，提供一种能够节省捕获资源、降低码环环路噪声和环路跟踪门限，保证L2-P(Y)的载波相位测量值无半周模糊的方法。以解决因L2-P(Y)信号电平弱6dB以及平方损耗导致L2-P(Y)码信噪比损失带来的捕获跟踪性能不佳的问题和载波相位测量值半周模糊影响动态载波相位差分(RTK)精度的问题。
本发明提高L2-P(Y)码跟踪性能、解除载波相位测量半周模糊所采用的方案是：一种载波相位测量半周模糊解除方法，其特征在于包括如下步骤：在保证L1-P(Y)码具有和L1-C/A码相同跟踪性能的基础上，利用L1-C/A码的载波多普勒信息对L2-P(Y)码进行载波多普勒捕获，再利用L1-C/A码提取的时间对L2-P(Y)码进行码相位捕获：让本地码相位超前于从L1-C/A码提取的时间，然后通过让本地码以半个码片间隔的逐次等待，当等待到本地码相位和输入信号的相位一致时成功捕获；捕获成功后切入跟踪过程：使用L1-C/A码的载波多普勒信息来辅助L2-P(Y)的载波跟踪和码跟踪，辅助频度为L1-C/A码的载波环路调整频度，消除掉L2-P(Y)的载波多普勒动态和码多普勒动态；同时利用L1-P(Y)的积分值对L2-P(Y)进行辅助跟踪，消除掉L2-P(Y)信号里W⊕D码流带来的数据翻转；通过判断L1-C/A码帧同步模块搜索出来的帧头，使得送给L2-P(Y)辅助的是正确积分值+W⊕D，然后再通过接收机中L2-P(Y)的积分值符号来解除载波相位测量半周模糊。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
本发明利用L1-C/A码的载波多普勒信息辅助L2-P(Y)码进行载波频率捕获，利用L1-C/A码提取的时间辅助L2-P(Y)码进行码相位捕获，不仅节省了L2-P(Y)码的捕获资源，而且使得L2-P(Y)码的捕获灵敏度电平和L1-C/A码的跟踪灵敏度电平一样低，大大提高了L2-P(Y)码的捕获性能。
本发明通过使用L1-C/A码的载波跟踪环路对L1-C/A码的码跟踪环做载波辅助码，不仅降低了码环的动态，而且因为载波环路噪声比码环环路噪声低两个数量级，通过载波辅助码又能降低码环环路噪声；同时，L1-C/A码的载波跟踪环路对L2-P(Y)码的载波跟踪环做载波辅助载波，不仅降低了L2上载波环的动态，而且因为L1-C/A码信号信噪比比L2-P(Y)码信号强6dB，还因为半无码处理对L2-P(Y)码带来的平方损耗，所以L1载波环路噪声低于L2-P(Y)码的载波环路噪声，通过辅助又能降低L2-P(Y)码上载波环路噪声，从而提高L2-P(Y)的载波跟踪性能；同时，L1-C/A码的载波跟踪环路对L2-P(Y)码的码跟踪环做载波辅助码，不仅降低了码环的动态，而且因为载波环路噪声比码环环路噪声低两个数量级，通过载波辅助码又能降低码环环路噪声，提高L2-P(Y)的码跟踪性能；L1-P(Y)码解调出来的数据对L2-P(Y)码做辅助，因为L2-P(Y)和L1-P(Y)上的数据D以及W码完全相同，辅助相乘之后就消除了W⊕D码流的符号翻转影响，再加上L1-C/A码的载波多普勒辅助去除了L2-P(Y)的多普勒动态，相干积分时间就能取的更长，从而获得足够的相干信噪比增益而降低环路跟踪门限，使得L2-P(Y)码能达到和L1-C/A码相同的跟踪性能。
同时，本发明通过判断L1-C/A码帧同步模块搜索出来的帧头，保证送给L2-P(Y)辅助的是正确积分值+W⊕D，然后再通过接收机中L2-P(Y)的积分值符号来解决半周模糊问题，解决了当测量出的载波相位有半周模湖时，影响动态载波相位差分(RTK)的精度和整周模糊度固定解比率不高的问题。
综上所述，本发明通过L1对L2-P(Y)的载波多普勒辅助、数据辅助、时间辅助，保证了双频接收机中L2-P(Y)码的捕获和跟踪性能都和L1-C/A码的跟踪性能一致，提高了GPS双频跟踪接收机中L2-P(Y)码的捕获和跟踪性能，解决了因L2-P(Y)信号电平弱6dB以及平方损耗导致L2-P(Y)码的捕获跟踪性能不佳的问题，又解决了因Costas锁相环有180°的相位多值性导致的L2-P(Y)码载波相位测量半周模糊问题。
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GPS双频接收机中通过L1辅助L2-P(Y)码跟踪的电路原理框图。
图2是本发明载波相位测量值半周模糊解除方法流程图。
具体实施方式
根据本发明，在载波相位测量半周模糊解除方法中，在保证L1-P(Y)码具有和L1-C/A码相同跟踪性能的基础上，利用L1-C/A码的载波多普勒信息对L2-P(Y)码进行载波频率捕获，再利用L1-C/A码提取的时间对L2-P(Y)码进行码相位捕获：让本地码相位超前于从L1-C/A码提取的时间，然后通过让本地码以半个码片间隔的逐次等待，当等待到本地码相位和输入信号的相位一致时成功捕获；捕获成功后切入跟踪过程：使用L1-C/A码的载波多普勒信息来辅助L2-P(Y)的载波跟踪和码跟踪，辅助频度为L1-C/A码的载波环路调整频度，消除掉L2-P(Y)的载波多普勒动态和码多普勒动态；同时利用L1-P(Y)的积分值对L2-P(Y)进行辅助跟踪，消除掉L2-P(Y)信号里W⊕D码流带来的数据翻转；通过判断L1-C/A码帧同步模块搜索出来的帧头，使得送给L2-P(Y)辅助的是正确积分值+W⊕D，然后再通过接收机中L2-P(Y)的积分值符号来解除载波相位测量半周模糊，具体步骤为：首先比较双频接收机中L1-C/A码帧同步模块搜索出来的帧头和GPS系统ICD帧头，如果不相同则对L1-P(Y)积分值取反后去辅助L2-P(Y)，此时对L1-C/A码载波相位测量值进行减半周运算得到正确测量值，如果相同则直接用L1-P(Y)积分值去辅助L2-P(Y)，此时L1-C/A码载波相位测量值为正确测量值；在保证了辅助L2-P(Y)的L1-P(Y)积分值正确后，对L2-P(Y)同相支路积分值的符号进行判断，若为负号则对L2-P(Y)载波相位测量值进行减半周运算得到正确测量值，若为正号则L2-P(Y)载波相位测量值为正确测量值。这样便使得L1-C/A码和L2-P(Y)码的载波相位测量值半周模糊得以解除。
参阅图1，在L1-C/A码和L2-P(Y)码的载波相位测量半周模糊解除方法中，首先，L1-C/A码的载波跟踪环输出本地载波信号给载波开环解调模块进行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码的载波跟踪环输出载波多普勒辅助码跟踪环，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L1-P码开环解扩模块对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。解调的W⊕D数据流数据送给延迟和取反控制模块，延迟和取反控制模块根据由L1-C/A码位同步帧同步模块送来的帧头符号对W⊕D数据流数据进行延迟和取反判断操作后送给L2-P(Y)码解扩模块。
L1-C/A码在已经进入稳定闭环跟踪的情况下，首先通过L1-C/A码的载波跟踪环来辅助L2-P(Y)载波跟踪，L2-P(Y)的载波跟踪环输出本地载波信号给载波解调模块进行L2-P(Y)的载波解调，L2-P(Y)载波解调后得到L2-P(Y)的基带扩频信号；其次，通过L1-C/A码的载波跟踪环来辅助L2-P(Y)码跟踪，L2-P(Y)码跟踪环模块输出本地P码码流给L2-P(Y)码解扩模块，延迟和取反控制模块输出正确辅助积分值给L2-P(Y)码解扩模块，L2-P(Y)码解扩模块对L2-P(Y)码的基带扩频信号进行L2-P(Y)码的解扩，解扩后输出的积分值符号送入码测距载波测距模块进行L2-P(Y)载波相位测量值的半周模糊解除。
参阅图2。图2是对图1中的L1-C/A码的码测距载波测距和L2-P(Y)码的码测距载波测距做了进一步的流程说明：如果双频接收机中L1-C/A码的帧同步模块搜索出来的帧头和GPS系统ICD帧头相同，则判定帧头为正，此时L1-C/A码和L1-P(Y)码的本地载波相位锁定在输入信号的相位上，即锁相环稳定跟踪时本地载波和输入信号相差为0°，这时候用来辅助L2-P(Y)的L1-P(Y)积分值为正确值，L1-P(Y)辅助积分值不变，此时L1-C/A码载波相位测量值为正确值，如果L1-C/A码帧同步模块搜索出来的帧头和GPS系统ICD帧头相反，则判定帧头为负，此时L1-C/A码和L1-P(Y)码的本地载波相位锁定在输入信号的半周偏移相位上，即锁相环稳定跟踪时本地载波和输入信号相差为180°，这时候L1-P(Y)积分值为正确值的取反值，所以对L1-P(Y)辅助积分值取反就得到正确辅助值，此时L1-C/A码载波相位测量值存在半周模糊，对载波相位测量值进行减半周运算，就能消除L1-C/A上的半周模糊得到无半周模糊的正确值；在保证了辅助L2-P(Y)的L1-P(Y)积分值正确后，再根据L2-P(Y)码积分清零输出的L2-P(Y)同相支路积分值的正负来判断L2-P(Y)的载波相位锁定状态，如果L2-P(Y)同相支路积分值为正，则判定L2-P(Y)本地载波相位锁定在输入信号的相位上，即锁相环稳定跟踪时本地载波和输入信号相差为0°，这时候的L2-P(Y)载波相位测量值为正确值,不需要修正处理，即L2-P(Y)载波测距不变，如果L2-P(Y)同相支路积分值为负，则判定本地载波相位锁定在输入信号的半周偏移相位上，即锁相环稳定跟踪时本地载波和输入信号相差为180°，这时候的L2-P(Y)载波相位测量值存在半周模糊，对载波相位测量值进行减半周运算，即L2-P(Y)载波测距减半周，就能消除L2-P(Y)上的半周模糊得到无半周模糊的正确值。

Claims (6)

1.一种L1-C/A码和L2-P(Y)码的载波相位测量半周模糊解除方法，其特征在于包括如下步骤：在保证L1-P(Y)码具有和L1-C/A码相同跟踪性能的基础上，利用L1-C/A码的载波多普勒信息对L2-P(Y)码进行载波频率捕获，再利用L1-C/A码提取的时间对L2-P(Y)码进行码相位捕获：让本地码相位超前于从L1-C/A码提取的时间，然后通过本地码以半个码片间隔的逐次等待，当等待到本地码相位和输入信号的相位一致时成功捕获；捕获成功后切入跟踪过程：通过接收机中L1-C/A码的帧头符号、载波多普勒信息和L1-P(Y)码的解调码流W⊕D来辅助L2-P(Y)码的跟踪和载波相位测量，通过L1辅助消除掉L2-P(Y)的载波多普勒动态、码多普勒动态以及L2-P(Y)信号里W⊕D码流带来的数据翻转，同时通过L1辅助结合L2-P(Y)同相支路积分值的符号来保证L2-P(Y)的载波相位测量值无半周模糊,其中，W是加密的W码，D是GPS电文。
2.按权利要求1所述的L1-C/A码和L2-P(Y)码的载波相位测量半周模糊解除方法，其特征在于，在L2-P(Y)码的载波相位测量半周模糊解除方法中，首先比较双频接收机中L1-C/A码帧同步模块搜索出来的帧头和GPS系统ICD帧头，如果不相同则对L1-P(Y)积分值取反后去辅助L2-P(Y)，此时对L1-C/A码载波相位测量值进行减半周运算得到正确测量值，如果相同则直接用L1-P(Y)积分值去辅助L2-P(Y)，此时L1-C/A码载波相位测量值为正确测量值；在保证了辅助L2-P(Y)的L1-P(Y)积分值正确后，对L2-P(Y)同相支路积分值的符号进行判断，若为负号则对L2-P(Y)载波相位测量值进行减半周运算得到正确测量值，若为正号则L2-P(Y)载波相位测量值为正确测量值,使得L1-C/A码和L2-P(Y)码的载波相位测量值半周模糊得以解除。
3.按权利要求1所述的L1-C/A码和L2-P(Y)码的载波相位测量半周模糊解除方法，其特征在于，解调的W⊕D数据流数据送给延迟和取反控制模块，延迟和取反控制模块根据由L1-C/A码位同步帧同步模块送来的帧头符号对W⊕D码流数据进行延迟和取反判断操作后送给L2-P(Y)码解扩模块。
4.按权利要求1所述的L1-C/A码和L2-P(Y)码的载波相位测量半周模糊解除方法，其特征在于，L1-C/A码在已经进入稳定闭环跟踪的情况下，首先通过L1-C/A码的载波跟踪环来辅助L2-P(Y)载波跟踪，L2-P(Y)的载波跟踪环输出本地载波信号给载波解调模块进行L2-P(Y)的载波解调，L2-P(Y)载波解调后得到L2-P(Y)的基带扩频信号；其次，通过L1-C/A码的载波跟踪环来辅助L2-P(Y)码跟踪，L2-P(Y)码跟踪环模块输出本地P码码流给L2-P(Y)码解扩模块，延迟和取反控制模块输出正确辅助积分值给L2-P(Y)码解扩模块，L2-P(Y)码解扩模块对L2-P(Y)码的基带扩频信号进行L2-P(Y)码的解扩，解扩后输出的积分值符号送入码测距载波测距模块进行L2-P(Y)载波相位测量值的半周模糊解除。
5.按权利要求1所述的L1-C/A码和L2-P(Y)码的载波相位测量半周模糊解除方法，其特征在于，如果双频接收机中L1-C/A码的帧同步模块搜索出来的帧头和GPS系统ICD帧头相同，则判定帧头为正，此时L1-C/A码和L1-P(Y)码的本地载波相位锁定在输入信号的相位上，即锁相环稳定跟踪时本地载波和输入信号相差为0˚，这时候用来辅助L2-P(Y)的L1-P(Y)积分值为正确值，L1-P(Y)辅助积分值不变，此时L1-C/A码载波相位测量值为正确值，如果L1-C/A码帧同步模块搜索出来的帧头和GPS系统ICD帧头相反，则判定帧头为负，此时L1-C/A码和L1-P(Y)码的本地载波相位锁定在输入信号的半周偏移相位上，即锁相环稳定跟踪时本地载波和输入信号相差为180˚，这时L1-P(Y)积分值为正确值的取反值，对这个积分值做取反运算得到正确辅助值，然后对载波相位测量值进行减半周运算，消除L1-C/A上的半周模糊，得到无半周模糊的正确值。
6.按权利要求5所述的L1-C/A码和L2-P(Y)码的载波相位测量半周模糊解除方法，其特征在于，在保证了辅助L2-P(Y)的L1-P(Y)积分值正确后，再根据L2-P(Y)同相支路积分值的正负来判断L2-P(Y)的载波相位锁定状态，如果L2-P(Y)同相支路积分值为正，则判定L2-P(Y)本地载波相位锁定在输入信号的相位上，即锁相环稳定跟踪时本地载波和输入信号相差为0˚，此时L2-P(Y)载波相位测量值为正确值，如果L2-P(Y)同相支路积分值为负，则判定本地载波相位锁定在输入信号的半周偏移相位上，即锁相环稳定跟踪时本地载波和输入信号相差为180˚，此时的L2-P(Y)载波相位测量值存在半周模糊，然后对载波相位测量值进行减半周运算，消除L2-P(Y)上的半周模糊得到无半周模糊的正确值。
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