CN201130246Y - 一种抗多径gps扩频接收机的码跟踪环路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种改进的抗多径GPS扩频接收机的码跟踪环路，其特征在于，包括下述模块：一个用于改变信号频率的抽取器，其输入连接射频部分的数字中频信号，输出分三路分别连接提前、即时和滞后三个相关器的输入端；一个本地伪随机码发生器，其输入连接一个可调延迟器，输出分别连接所述提前相关器；两个1/n码片延迟器，其输出分别连接即时和滞后相关器并用于相应的即时和滞后信号的相关计算；一个残余码相位误差检测器，其输入分别连接提前、即时和滞后三个相关器的输出端，用于产生剩余多径码相位误差，其输出分两路控制信号，分别连接抽取器以控制抽取器的抽取比和可调延迟器用于调整可调延迟器的延迟和偏移实现码相位校正。

Description

一种抗多径GPS扩频接收机的码跟踪环路

技术领域

本实用新型涉及一种GPS扩频接收机的码跟踪环路。

背景技术

全球定位系统(GPS)是基于无线电导航的，能够为用户提供精确定位和定时。用户接收机通过获取视距范围内卫星发射的宽带伪随机编码的测距信号，然后根据对本地时钟精确的计算，得到信号的实际到达时间，从而确定与各个卫星的距离。每一颗卫星都使用唯一的伪随机码，用户接收机可以通过获取和跟踪唯一的伪随机码，区分接收到的一系列GPS卫星的测距信号。

在传统的卫星信号捕获模式中，为正在捕获的卫星信号，对本地产生的伪随机码进行延迟，把延迟后的本地码和经过多普勒旋转后的接收信号进行相关，通过确定哪一个延迟本地码的大部分都和接收信号精确相关，从而认为那个卫星接收时本地产生的伪随机码和接收信号能够同步。一旦某卫星实现了同步，该卫星信道进入跟踪模式，该模式中，多普勒旋转了的接收信号连续地与该卫星的本地码作相关运算，以便确定位置信息，包括(伪范围)信息。

通常用于跟踪伪随机信号的电路是延迟锁相环，它将本地生成的伪随机信号向前、不变和向后时移，并分别与接收到的信号进行相关比较，根据比较得出的差值，确定本地码与接收码字在时间上的差值。

GPS系统，以及其他许多射频通信系统利用较高频段而被认为是视距系统，这种系统的最佳工作状态要求收发信机之间一定要有一条充分直接的视距。而实际上这些系统往往受多径效应的影响，此时接收机必须处理经过多条不同路径传输的信号。

接收信号的多样性来自附加的、典型的不希望的信号路径，包括一次或多次反射。当发射机到接收机的信号路径包含了一次反射，那么这条路径必定比直接路径长，因此信号传到接收机的时间变长了，从而导致接收机计算出来的定位结果可能存在误差。

当前用在GPS接收机内的抗多径码跟踪环路通常非常复杂且不精确。被时延了的多径分量，导致在该跟踪中使用的相关方程失真，恶化了跟踪码相位和载波相位估计。

发明内容

本实用新型的目的是提供一种改进的抗多径GPS扩频接收机的码跟踪环路，通过残余代码相位误差的检测和计算，减小全球定位系统扩频接收机中多径衰落引起的附加伪距误差。

为达到以上目的，本实用新型是采取如下技术方案予以实现的：

一种抗多经GPS扩频接收机的码跟踪环路，其特征在于，包括下述模块：

一个用于改变信号频率的抽取器，其输入连接射频部分的数字中频信号，抽取器的输出分三路分别连接提前、即时和滞后三个相关器的输入端；

一个本地伪随机码发生器，其输入连接一个可调延迟器，该本地伪随机码产生器的输出分别连接所述提前相关器；

两个1/n码片延迟器，用来生成即时和滞后的本地伪随机码，其输出分别连接即时和滞后相关器并用于相应的即时和滞后信号的相关计算；

一个残余码相位误差检测器，其输入分别连接提前、即时和滞后三个相关器的输出端，用于产生剩余多径码相位误差，其输出分两路控制信号，分别连接抽取器以控制抽取器的抽取比和可调延迟器用于调整可调延迟器的延迟和偏移实现码相位校正；

上述方案中，所述的提前、即时和滞后三个相关器分别包括有一个乘法器和一个积分清零器；超前信号、即时信号和滞后信号分别在其相关器的乘法器中相乘，并在积分清零器中对相乘结果进行累加，并分成三路送至残余码相位误差检测器。

所述的两个1/n码片延迟器分别为即时1/n码片延迟器和滞后1/n码片延迟器，即时1/n码片延迟器的输入连接本地伪随机码产生器的输出；滞后1/n码片延迟器的输入连接即时1/n码片延迟器的输出；两个1/n码片延迟器在开始时取1/2码片，进入窄相关跟踪之后，调整为1/8码片。

所述的抽取器改变信号频率，开始时取4∶1，在进入窄相关时调整为1∶1。

本实用新型在多径信号处理中，利用抽取器对接收的中频信号进行处理，接着将它分别与相应的提前、即时和滞后本地码相关器进行相关。当存在多径失真时，利用对多径剩余码相位误差检测器进行检测和计算，及时调整可调延迟器的延迟和偏移，从而控制伪随机码发生器产生伪随机码的时间偏移。同时，应用码相位误差系统产生的间隔控制信号缩小或控制提前和滞后相关器的间隔以及围绕即时相关的对称性，使即时相关器更精确地追踪码到达的实际时间。与现有的减小相关间隔技术不同，本实用新型的码跟踪环路根据残余码相位估计值可以直接调整到所期望的相关间隔宽度，另外本实用新型的优点还在于，先算出误差的符号和量值以便在减小间隔前就减弱多径影响。此外，本实用新型还可以调节抽取器的抽取比，使之与码相关间隔同步，使窄相关时可以使用比较宽的中频带宽。

附图说明

图1是本实用新型的的结构框图

图2是窄相关跟踪时提前-滞后(E-L)相关器相关间隔的调整过程图。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

如图1所示，一种抗多经GPS扩频接收机的码跟踪环路，包括下述模块：

一个用于改变信号频率的抽取器1，其输入连接射频部分的数字中频信号，抽取器1的输出分三路分别连接提前、即时和滞后三个相关器6、7、8的输入端；抽取器改变信号频率开始时取4∶1，在进入窄相关时调整为1∶1；

一个本地伪随机码(PRN码)发生器2，其输入连接一个可调延迟器3，输出分别连接提前相关器6；

两个1/n码片延迟器，用来生成即时和滞后的本地伪随机码，其输出分别连接即时和滞后相关器7、8，并用于相应的即时和滞后信号的相关计算；两个1/n码片延迟器分别为即时1/n码片延迟器4和滞后1/n码片延迟器5，即时1/n码片延迟器4的输入连接PRN码发生器2的输出；滞后1/n码片延迟器5的输入连接即时1/n码片延迟器4的输出；两个1/n码片延迟器在开始时取1/2码片，进入窄相关跟踪之后，调整为1/8码片；

一个残余码相位误差检测器9，其输入分别连接提前、即时和滞后三个相关器6、7、8的输出端，用于产生剩余多径码相位误差，其输出分两路控制信号，分别连接抽取器1以控制抽取器的抽取比和可调延迟器3用于调整可调延迟器的延迟和偏移实现码相位校正。

提前、即时和滞后三个相关器6、7、8分别包括有一个乘法器和一个积分清零器I&D；超前信号、即时信号和滞后信号分别在其相关器的乘法器中相乘，并在积分清零器中对相乘结果进行累加，并分成三路送至残余码相位误差检测器9。

如图1所示，伪随机码生成器的输出作为偏移在提前相关器中应用，与经过抽取器得到的卫星信号作相关运算。要使即时相关在提前和滞后相关中间，一对1/n码片延迟器在提前和滞后相关器之间提供了2/n码片延迟。即时相关器用伪随机码生成器经过1/n码片延迟的输出产生了即时相关，这样即时相关距提前相关有1/n码片的偏移，用于残余码相位误差检测器的估值。同样地，滞后相关器通过即时相关经过1/n码片延迟的输出产生了滞后相关，这样滞后相关距即时相关有1/n码片的偏移，同样将它用于残余码相位误差检测器的估值。1/n可以是1/2，1/4，1/8。

由图1中的电路框图，残余码相位误差检测器通过检测超前相关器、即时相关器和滞后相关器的相关幅度来判断是否存在多径干扰误差。并且如果检测到了该误差，那么可以通过比较即时相关的幅度与提前、滞后相关从即时相关对称偏移的相等幅度的比率来算出误差的符号，从而得出码相位校正。

在残余码相位误差检测器中，对于多径干扰误差的相对量值的计算，可以用几种不同方式估计。依靠多径信号比直接路径信号的相对幅度，和它们之间在载波相位上的差值，用一个合适的幅度因子μ(例如-0.5)，乘以超前相关幅度与滞后相关幅度之和，再除以即时相关的幅度得到残余跟踪误差估计值；

$\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\τ}}=\mathrm{\μ}\frac{R_E\left(\mathrm{\τ}\right)+R_L\left(\mathrm{\τ}\right)}{R_p\left(\mathrm{\τ}\right)}---\left(1\right)$

或者用幅度因子乘以提前相关幅度与滞后相关幅度的平方的和的平方根，再除以正确相关的幅度的平方。

$\mathrm{\Δ}\widehat{\mathrm{\τ}}=\mathrm{\μ}\frac{\sqrt{R_E^2\left(\mathrm{\τ}\right)+R_L^2\left(\mathrm{\τ}\right)}}{R_p^2\left(\mathrm{\τ}\right)}---\left(2\right)$

大多数环境下都可以得到一个合适的相关因子。也就是说，当多径延迟小于大约1.5PRN码片时，可以使对伪距的计算修正与(提前+滞后)÷即时相关的幅度成比例，以减小或消除多径误差的影响。

如果在提前和滞后相关相等时的即时相关的幅度小于超前或滞后相关幅度的两倍，那么就存在多径增强干扰延迟误差。如果在超前和滞后相关之间中点上得到的即时相关的幅度大于提前或滞后相关幅度的两倍，那么就存在多径减弱干扰前导误差。如果在提前和滞后相关之间中点上得到的即时相关的幅度等于提前和滞后相关幅度的两倍，那么就不存在多径干扰误差。

本实用新型为多径信号处理提出了一种改进的技术。在多径信号处理中，通过对接收到的由直接路径信号和多径信号形成的复合信号进行处理来消除多径信号的影响。在这个过程中已经为多径信号大致情况提供了一个有用的估计，从而可以精确的确定真实的载波相位φ和码相位τ，并且性能不会因为多径因素的影响有所下降。更合适的方法是在对接收信号已经部分处理之后，再对信号进行消除，比如在通道中处理多径干扰问题。这样就可以降低系统以及必要的信号处理的复杂度，并且提高了进一步处理的精确性。

对于剩余多径码相位误差，在本实用新型中的码跟踪环设计中有三个作用：

(1)如果存在多径失真时，相关函数曲线的形状发生了改变。利用这一变化首先判断是否存在多径干扰。若存在，再将残余码相位误差检测器产生的剩余多径码相位误差作为码校正信号，调整可调延迟器，改变伪随机码发生器的时间偏移来控制提前相关器的偏移，从而消除多径干扰的影响。

(2)在码跟踪过程中，可调延迟器利用残余码相位误差检测器产生的间隔控制信号来缩小或控制提前和滞后相关的间隔。两个1/n码片延迟把从提前相关器到滞后相关器的间隔维持在一个2/n码片宽度，并且即时相关器位于两者间的中心。这样，可以使即时相关器更精确地追踪直接路径信号的到达时间。即由原来的较宽的E-L相关过程调整至窄相关跟踪过程，以便更精确的追踪码的到达实际时间。调整是将提前、滞后相关器的间隔从1/2码片直接调至1/8码片间隔。

(3)在码跟踪环中的抽取器的抽取比是可调的。利用剩余多径码相位误差检测器产生抽取控制信号，控制抽取器的抽取比。例如，若开始时，此时抽取比是4∶1。接着由于多径信号的影响，在残余码相位误差检测器中产生剩余多径码相位误差，使可调延迟器的延迟控制提前、即时和滞后相关器的码间隔变为1/4码片，则抽取控制信号控制抽取器的抽取比变为2∶1。类似地，在窄相关时提前和滞后相关的间隔是1/4码片，则此时抽取器的抽取比是1∶1。这样控制抽取速率与码相关间隔同步，以便在窄相关模式能使用更宽的中频带宽。

下面结合图1的码跟踪环的设计框图来介绍这种改进型码跟踪环的工作过程。

首先，为捕获卫星信号设置相应本地码相位偏移(±1.5个码片)，并将之与多普勒旋转后接收信号进行相关，确定接收信号属于哪一个卫星发射的信号。接着，调整本地码相位偏移(1个码片之内)，进入码跟踪状态。然后，利用提前、即时和滞后相关乘积之间幅度的关系来判断是否存在多径干扰。若存在多径干扰，将码相位误差检测器产生的剩余多径码相位误差作为码校正信号，调整本地码发生器产生的伪随机码相位，修正多径分量对伪距计算造成的影响。此时，进入窄相关跟踪过程，利用码相位误差检测器产生的间隔控制信号来缩小或控制提前和滞后相关的间隔，进一步提高追踪码的到达实际时间的精确度。此外，利用剩余多径码相位误差产生抽取控制信号，控制抽取器的抽取比。

值得注意的是，当码相位误差检测器计算出剩余多径码相位误差Δτ，以校正本地码发生器产生的PN码相位，在调整后才能进行抽取速率与码相关间隔的调整。

如图2所示，窄相关跟踪E-L相关间隔的调整过程，是在开始从捕获转入跟踪的100ms上使用传统的1/2码片E-L鉴相器进行相位调整，以便使环路由捕获模式迅速转入跟踪模式，而环路带宽维持在较宽的捕获带宽上。在下一个100ms起始处，环路带宽缩窄为跟踪带宽，在接下来的100ms用户历元上执行中断，码相位移动-3/4个码片，相关器切换到新的窄相关迟早相关器或多径相关器，然后在下一个100ms历元上重新设置一个窄的环路带宽。

Claims (5)

1.一种抗多经GPS扩频接收机的码跟踪环路，其特征在于，包括下述模块：

一个用于改变信号频率的抽取器，其输入连接射频部分的数字中频信号，抽取器的输出分三路分别连接提前、即时和滞后三个相关器的输入端；

一个本地伪随机码发生器，其输入连接一个可调延迟器，该本地伪随机码产生器的输出分别连接所述提前相关器；

两个1/n码片延迟器，用来生成即时和滞后的本地伪随机码，其输出分别连接即时和滞后相关器并用于相应的即时和滞后信号的相关计算；

一个残余码相位误差检测器，其输入分别连接提前、即时和滞后三个相关器的输出端，用于产生剩余多径码相位误差，其输出分两路控制信号，分别连接抽取器以控制抽取器的抽取比和可调延迟器用于调整可调延迟器的延迟和偏移实现码相位校正。

2.按照权利要求1所述的抗多经GPS扩频接收机的码跟踪环路，其特征在于，所述的提前、即时和滞后三个相关器分别包括有一个乘法器和一个积分清零器；超前信号、即时信号和滞后信号分别在其相关器的乘法器中相乘，并在积分清零器中对相乘结果进行累加，并分成三路送至残余码相位误差检测器。

3.按照权利要求2所述的抗多经GPS扩频接收机的码跟踪环路，其特征在于，所述的两个1/n码片延迟器分别为即时1/n码片延迟器和滞后1/n码片延迟器，即时1/n码片延迟器的输入连接本地伪随机码产生器的输出；滞后1/n码片延迟器的输入连接即时1/n码片延迟器的输出。

4.按照权利要求3所述的抗多经GPS扩频接收机的码跟踪环路，其特征在于，两个1/n码片延迟器在开始时取1/2码片，进入窄相关跟踪之后，调整为1/8码片。

5.按照权利要求1～4任一所述的抗多经GPS扩频接收机的码跟踪环路，其特征在于，所述的抽取器改变信号频率，开始时取4∶1，在进入窄相关时调整为1∶1。

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