一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法

《一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法》是中國科學院微電子研究所於2006年4月5日申請的發明專利，該專利的申請號為2006100117294，公布號為CN101051081，公布日為2007年10月10日，發明人是李金海、陳杰、牟榮增，該專利涉及全球定位技術領域。

《一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法》通過對載波跟蹤環路中鎖頻環鑒頻算法和鎖相環鑒相算法的選擇，使得載波跟蹤環路在快速收斂的同時能夠消除由數據調製造成的相位估計誤差。在載波跟蹤的各階段利用軟體改變載波跟蹤環路中鑒頻器增益、鑒相器增益和數字控制振盪器的增益，使得接收機靈敏度得到顯著提高並降低了頻率跟蹤誤差的標準差。載波跟蹤過程中進行兩次改進的比特同步，從而提高了低信噪比下全球衛星定位系統（GPS）衛星信號的比特同步成功率。

2014年11月6日，《一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。

（概述圖為《一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法》摘要附圖）

基本介紹

• 中文名：一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法
• 公布號：CN101051081
• 公布日：2007年10月10日
• 申請號：2006100117294
• 申請日：2006年4月5日
• 申請人：中國科學院微電子研究所
• 地址：北京市朝陽區北土城西路3號
• 發明人：李金海、陳杰、牟榮增
• 分類號：G01S5/14（2006.01）
• 代理機構：中科專利商標代理有限責任公司
• 類別：發明專利
• 代理人：周國城

專利背景

常用的GPS（全球衛星定位系統）接收機在完成對GPS信號的捕獲後，多採用多路相關器實現對衛星信號的跟蹤和對導航數據的解調。導航衛星傳送的GPS信號都是直接序列擴展頻譜信號，載波頻率為1.57542吉赫，粗碼（C/A）碼的碼速率為1.023碼片/秒。C/A碼序列的碼長為1023，對應的時間周期為1毫秒。每顆衛星發射不同的C/A碼，在接收機端實現碼分多址，因此接收機接收到的各衛星信號間幾乎沒有干擾。導航電文按50bps的速率以BPSK方式調製在各衛星信號上，各導航數據的位邊界與C/A碼周期的開頭對齊；每數據位周期內有20個C/A碼周期。由於衛星與用戶之間的相對運動等，造成接收機接收到的GPS信號的載波頻率存在都卜勒頻移，同時因為接收機與衛星之間無法理想同步，所以接收機中本地復現碼一般與接收到的GPS信號C/A碼不同步。為了精確的解算用戶接收機的位置和用戶的速度，必須實現載波同步和碼同步。另外，還必須找到每比特數據的其實碼周期以實現比特同步。

在接收到的GPS信號信噪比較低的情況下，載波同步和比特同步都很困能。因此，需要一種簡單有效的方法實現低信噪比下完成GPS信號的載波同步與比特同步。

發明內容

專利目的

《一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法》給出了一種在GPS接收機基帶提高GPS接收機接收靈敏度的方法，該方法簡單有效易於實現。在該發明的方法中，相關器輸出值直接送入鑒頻器和鑒相器進行頻率誤差和相位誤差的估計，無需進行任何形式的累加，因此環路的更新時間仍然是一個C/A碼周期。相關器是該技術領域為人所熟知的一種技術，可從與該技術領域相關的網站或其他資料中查到詳細介紹。鑒頻算法和鑒相算法都採用四象限反正切，整個載波跟蹤環路具有很高的收斂速度。該發明僅通過對鑒頻器增益和數字控制振盪器增益的調整，其他環路參數均無需改變，即可實現高靈敏度的GPS信號跟蹤。

技術方案

《一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法》其特徵在於，包括以下步驟：在實現對GPS信號的捕獲之後，先利用具有高增益鑒頻器和低增益數字控制振盪器的由鎖頻環輔助的鎖相環進行一定時間的載波跟蹤，使殘餘的頻率誤差降到一定的範圍之內，之後在按該方法分別降低鑒頻器和數字控制振盪器的增益繼續進行載波跟蹤，同時在一定時間內進行第一次比特同步，第一次比特同步完成後根據比特同步結果對系統進行必要的修正，進一步降低上述增益後進行第二次比特同步，如果第二次比特同步的結果滿足算法的要求則繼續進行跟蹤，並進行數據解調，否則將重新進行GPS信號的捕獲。

所述的鑒頻器增益和數字控制振盪器的增益的漸變方式。

所述的比特同步中採用的直方圖算法是僅通過取最大值而獲得比特同步並通過綜合比較兩次比特同步的結果判斷是否比特同步成功。

在用《一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法》中的方法進行GPS信號載波跟蹤時，可按以下三個步驟實施：

1）使用一個由鎖頻環輔助的鎖相環實現對GPS信號載波的初始跟蹤，鑒頻器增益選取較高值但不宜過大（一般不超過5），數字控制振盪器增益稍小於1，在環路工作了一段預先設定的時間後轉入第二步；

2）繼續使用上述環路進行跟蹤，用直方圖法進行比特同步，該階段鑒頻器增益、數字控制振盪器增益的選取相對前一階段有所降低；

3）繼續上述跟蹤過程，並用相同的方法再次進行比特同步，經過一段時間後，取出直方圖中最大值的位置作為一個比特周期的起始位置，如果最大值出現在直方圖的第一個位置則認為比特同步成功，否則認為比特同步失敗，如果比特同步成功且鎖定指示器顯示載波已鎖定則可利用常規的解調方法進行數據解調，否則重新進行GPS信號的捕獲。該階段鑒頻器增益、數字控制振盪器增益都小於1，但仍為10數量級。

附圖說明

圖1是該發明中載波跟蹤環路的方框圖。

圖2是該發明給出的載波跟蹤方案進行GPS信號載波跟蹤時的方法流程圖。

權利要求

1、《一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法》其特徵在於，包括以下步驟：在實現對GPS信號的捕獲之後，先利用具有高增益鑒頻器和低增益數字控制振盪器的由鎖頻環輔助的鎖相環進行一定時間的載波跟蹤，使殘餘的頻率誤差降到一定的範圍之內，之後在按該方法分別降低鑒頻器和數字控制振盪器的增益繼續進行載波跟蹤，同時在一定時間內進行第一次比特同步，第一次比特同步完成後根據比特同步結果對系統進行必要的修正，進一步降低上述增益後進行第二次比特同步，如果第二次比特同步的結果滿足算法的要求則繼續進行跟蹤，並進行數據解調，否則將重新進行GPS信號的捕獲。

2、如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述的比特同步中採用的直方圖算法是僅通過取最大值而獲得比特同步並通過綜合比較兩次比特同步的結果判斷是否比特同步成功。

實施方式

圖1為該發明中載波跟蹤環路的方框圖，圖中各信號含義如下。101為傳統GPS接收機中Prompt路相關器輸出，該信號可利用中斷或軟體查詢的方式從硬體暫存器獲得。每次獲得的相關器新輸出值101被分別送入一個四象限反正切鑒頻器和一個四象限反正切鑒相器，可分別得到頻率誤差估計信號102和相位誤差估計信號103。102和103經過環路濾波器後處理後得到數字控制振盪器的控制信號104，該信號控制著數字控制振盪器產生的本地復現載波的頻率，105為數字控制振盪器的輸出信號。

圖2為利用該發明給出的方案進行GPS信號載波跟蹤時的方法示意圖。

在實現了對GPS信號的正確捕獲後，進行數據解調之前，進行GPS信號載波跟蹤時，1）使用一個由鎖頻環輔助的鎖相環實現對GPS信號載波的初始跟蹤，鑒頻器增益選取較高值但不宜過大，數字控制振盪器增益稍小於1，在環路工作了一段預先設定的時間後轉入第二步；

2）繼續使用上述環路進行跟蹤，用直方圖法進行比特同步，該階段鑒頻器增益、數字控制振盪器增益的選取相對前一階段有所降低；

3）繼續上述跟蹤過程，並用相同的方法再次進行比特同步，經過一段時間後，取出直方圖中最大值的位置作為一個比特周期的起始位置，如果最大值出現在直方圖的第一個位置則認為比特同步成功，否則認為比特同步失敗，如果比特同步成功且鎖定指示器顯示載波已鎖定則可利用常規的解調方法進行數據解調，否則重新進行GPS信號的捕獲。該階段鑒頻器增益、數字控制振盪器增益都小於1，但仍為10數量級。

4）判斷環路是否鎖定，成功鎖定則轉入數據解調，否則可利用常規方法對GPS信號重新捕獲。

前3個步驟決定了環路的一種工作狀態，共三種狀態。每一種狀態的入口都是檢測相關器Prompt路是否有新數據輸出，如果有則判斷環路工作狀態並轉到相應的處理模組。每種狀態的持續時間通過預先設定的三個時間門限確定（例如，三種狀態的工作時間都可設定為2秒）。在每個狀態中，環路都是通過FLL輔助的PLL完成頻偏校正。環路狀態三的結束標誌著步驟三的完成，則按步驟四判斷環路是否鎖定。具體實現過程如下：

（1）判斷是否有新數據產生，如果有則判斷環路狀態。環路處於狀態一時，通過FLL輔助的PLL完成頻偏校正。此時鑒頻器增益和數字控制振盪器的增益相對與其他兩個工作狀態較高，例如鑒頻器增益和數字控制振盪器增益可設為1以上。在所需操作結束後，判斷是否達到規定工作時間。如果達到規定工作時間就在新數據產生時轉入狀態二，否則繼續工作在狀態二並等待新數據的產生。當狀態一結束時系統的殘餘頻偏可以降低到正負10赫茲以內。

（2）判斷是否有新數據產生，如果有則判斷環路狀態。環路處於狀態二時，需降低鑒頻器增益和數字控制振盪器的增益（例如可降為0.5左右），並繼續通過FLL輔助的PLL完成頻偏校正。利用直方圖法進行比特同步。判斷是否並達到規定工作時間。如果達到規定工作時間則獲取直方圖中最大值的位置，根據最大值的位置對毫秒計數進行校正，最後結束狀態二並在新數據產生後轉入狀態三。如果未達到規定時間，則繼續工作在狀態二並等待新數據的產生。

（3）判斷是否有新數據產生，如果有則判斷環路狀態。環路工作在狀態三時，需再次降低鑒頻器增益和數字控制振盪器的增益，此時兩個增益都為10數量級。通過FLL輔助的PLL完成頻偏校正。進行第二次比特同步，並在達到規定工作時間時取出直方圖中最大值的位置。若最大值位置為1則認為比特同步成功，否則認為比特同步失敗。若比特同步成功而且載波鎖定指示器顯示載波已經鎖定則可轉入數據解調過程。如果比特同步失敗或載波鎖定指示器顯示載波未鎖定，則重新對GPS信號進行捕獲。如果未達到規定工作時間，則繼續工作在狀態三並等待新數據的產生。

（4）如果在狀態三結束時判定沒有正確捕獲GPS信號，則重新用常規方法進行捕獲。

榮譽表彰

2014年11月6日，《一種可變增益的高靈敏度GPS接收機基帶頻率跟蹤方法》獲得第十六屆中國專利優秀獎。