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一種用于衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收系統(tǒng)的數(shù)字非整數(shù)跟蹤環(huán)路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收系統(tǒng)的數(shù)字非整數(shù)跟蹤環(huán)路，該方案為：接收信號和本地復(fù)制碼之間的相位偏移量可以劃分為整數(shù)偏移量和小數(shù)偏移量兩個部分，接收的中頻無線信號首先通過一個Farrow結(jié)構(gòu)的濾波器做分?jǐn)?shù)型內(nèi)插，然后再移除信號中載波分量。假如存在一個整數(shù)偏移量，那么本地復(fù)制碼按照此整數(shù)偏移量做平滑移位。本地復(fù)制碼的早遲副本分別和被內(nèi)插的接收信號做相關(guān)運算。本發(fā)明通過內(nèi)插接收信號，從而實現(xiàn)極細的時間分辨度，以及保持低采樣率。
【專利說明】一種用于衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收系統(tǒng)的數(shù)字非整數(shù)跟蹤環(huán)路
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收機系統(tǒng)，具體來說涉及GPS系統(tǒng)中跟蹤環(huán)路。本發(fā)明也支持其他衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收機系統(tǒng)諸如伽利略或者北斗，或者多模衛(wèi)星定位接收機
坐寸ο
【背景技術(shù)】
[0002]衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)使用多個衛(wèi)星發(fā)送精確的導(dǎo)航信號，使得接收機能夠通過三角定位法確定其當(dāng)前位置和速度。接收機估算信號從衛(wèi)星到接收機的傳輸時間，然后計算出衛(wèi)星的位置以及它們與接收機之間的距離。
[0003]GPS是由美國國防部開發(fā)的全功能全球定位導(dǎo)航系統(tǒng)。每顆衛(wèi)星能夠在LI (1575.72MHz)和L2 (1227.6MHz)的頻點上同時發(fā)送信號。LI信號承載導(dǎo)航信息和PRN(Pseudo Random Codes)碼。LI的PRN碼由同相支路上的C/A碼和正交支路上的P (Y)碼組成。C/A碼適用于民用，速率為1.023MHz，每毫秒包含1023碼片。同相部分采用BPSK調(diào)制方式，數(shù)據(jù)率為50bps。
[0004]一經(jīng)收到導(dǎo)航信號，GPS接收機首先識別信號，產(chǎn)生與接收信號匹配的本地載波和碼信號，并和接收信號保持同步以跟蹤信號隨時間的變化。信號捕獲首先獲得信號載波頻率和碼相位偏移的粗估計，然后信號跟蹤用于獲得進一步的精確估算。信號跟蹤模塊包含兩個部分:碼跟蹤環(huán)路連續(xù)調(diào)整本地參考信號以保證和接收PRN碼對齊，相位跟蹤環(huán)路用于同步接收的載波信號。一旦成功同步GPS信號，接收機估算出信號從衛(wèi)星到接收機的傳輸時間。估算方法基于測量本地PRN碼和接收PRN信號之間偏移量，然后接收機估算衛(wèi)星和接收機之間的距離。如果獲得四顆或者四顆以上的衛(wèi)星信號，接收機即可估算自身位置。
[0005]PRN碼同步的精確程度和接收機偽距以及位置估算的精確度密切相關(guān)。通常碼跟蹤環(huán)路由數(shù)字延遲鎖定環(huán)(DLL，Delayed Locked Loop)實現(xiàn)，在DLL中，接收機生成碼信號的本地超前復(fù)制碼和滯后復(fù)制碼，并將這兩個本地復(fù)制碼信號和接收信號做相關(guān)運算。數(shù)字DLL提供了靈活的全數(shù)字時間對準(zhǔn)環(huán)路，此環(huán)路不需要反饋數(shù)據(jù)給接收機的模擬前端。
[0006]然后，對于數(shù)字電路，時間對準(zhǔn)的精確度和接收機的抽樣率有很大關(guān)聯(lián)。在以前的數(shù)字DLL實現(xiàn)中，僅僅靠單純的通過抽頭延遲線控制模塊來控制本地復(fù)制碼信號的平滑移位，以達到同步接收信號的要求。本地參考碼是由本地時鐘驅(qū)動，其采樣間隔限制了 DLL在時間上的分辨率。為了提高偽距估算的精確度，一種方法是提高接收信號的采樣率，另一種方法是移位本地過采樣碼信號。在這些方法中，時間分辨率仍然受到采樣率的限制，其主要缺點是在本地參考信號和接收信號做相關(guān)運算的時候，不能提供極細的時間分辨率(temporal resolution)。另外，當(dāng)采樣率很高的時候，電路實現(xiàn)的復(fù)雜度和成本會急速飆升。
[0007]如圖1所示，為現(xiàn)有技術(shù)的GPS接收機100的跟蹤環(huán)路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。GPS接收機100包含了一個天線101去接收GPS衛(wèi)星信號，并饋送給射頻前端102，一個下變頻模塊103把接收信號轉(zhuǎn)換到中頻，一個數(shù)模(A/D)轉(zhuǎn)換模塊104把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，一個包含跟蹤環(huán)路117的數(shù)字信號處理模塊實現(xiàn)接收信號的同步。
[0008]跟蹤環(huán)路模塊117包含了相位跟蹤環(huán)和碼跟蹤環(huán)，相位跟蹤環(huán)用于跟蹤接收信號的載波頻率和相位，而碼跟蹤環(huán)用于同步接收碼信號。如圖1所示，接收信號和本地載波信號相乘，可以將載波信號以及Doppler (多普勒)偏移從數(shù)字中頻信號中剔除，產(chǎn)生同相和正交信號。本地載波信號由載波NCOl 14、sin (正弦)映射單元116和cos (余弦)映射單元115映射函數(shù)綜合生成?；祛l器105和混頻器106產(chǎn)生的接收碼信號送入相關(guān)器組107中，所述相關(guān)器組107中的相關(guān)器的數(shù)量為六個，分別和本地的超前E、即時P和滯后L三個復(fù)制碼做相關(guān)運算。偽碼(PN,pseudorandom noise)發(fā)生器108產(chǎn)生本地超前和滯后復(fù)制碼。
[0009]相關(guān)器組107將本地即時復(fù)制碼和接收信號的相關(guān)輸出送入載波鑒相器110中，計算出本地載波和接收信號的相位偏差。該相位偏差經(jīng)過一載波環(huán)路濾波器112和載波NCO(numerically controlled oscillator) 114,以產(chǎn)生精確的載波信號。載波 NC0114 的輸出被用來協(xié)助碼NCOl 13產(chǎn)生本地復(fù)制碼信號。GPS接收機中的載波跟蹤環(huán)路由載波鑒相器110、環(huán)路濾波器112、載波NC0114、sin映射單元116和cos映射單元115組成。
[0010]數(shù)字延遲鎖定環(huán)(DLL)是基于早-遲門結(jié)構(gòu)。相關(guān)器組107也產(chǎn)生本地復(fù)制碼和接收信號的超前、滯后相關(guān)值。然后碼鑒相器109產(chǎn)生本地碼和接收碼之間的碼相位偏差。此相位偏差將依次被碼環(huán)路濾波器111和碼NC0113進一步處理后，用于控制PN碼發(fā)生器108。
[0011]圖1所示的數(shù)字跟蹤環(huán)路，其驅(qū)動時鐘用來產(chǎn)生抽樣脈沖。PN碼發(fā)生器108由時鐘驅(qū)動的移位來產(chǎn)生即時本地復(fù)制碼，以保證和接收碼對齊。超前和滯后本地復(fù)制碼是即時本地碼的超前和滯后版本，其偏移量是抽樣間隔的整數(shù)倍。因此碼相位偏移的分辨率依賴于時鐘的抽樣間隔。圖2是一個實例圖說明了在無噪聲條件下，碼鑒相器109輸出和碼相位偏移(Chip)的對應(yīng)關(guān)系。五個可能的復(fù)制碼相位偏移標(biāo)記為點21、22、23、24和25，其抽樣率為4.092MHzο在圖2中，點21、22、23、24和25分別對應(yīng)了復(fù)制碼超前1/2、超前1/4、即時、滯后1/2和滯后1/4。
[0012]圖3是接收信號和本地復(fù)制碼之間的碼相位偏移實例圖。全偏移量306可以被劃分成整數(shù)基量301和小數(shù)偏移量302。整數(shù)基量301是整數(shù)偏移量，測量的是每一幀中本地復(fù)制碼的第一個樣點303和接收信號的起始樣點305之間的整數(shù)偏移量，以抽樣脈沖數(shù)的倍數(shù)。小數(shù)偏移量302是指每一幀中接收信號的起始樣點305到本地即時復(fù)制碼的第二樣點304之間的時間偏移量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本發(fā)明的目的在于提出一種用于衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收系統(tǒng)的數(shù)字非整數(shù)跟蹤環(huán)路，其能解決接收機需使用高采樣率的問題。
[0014]為了達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案如下:
[0015]一種用于衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收系統(tǒng)的數(shù)字非整數(shù)跟蹤環(huán)路，其包括第一混頻器、第二混頻器、相關(guān)器組、碼鑒相器、碼環(huán)路濾波器、PN碼發(fā)生器、載波鑒相器、載波環(huán)路濾波器、載波NC0、sin映射單元和cos映射單元，第一混頻器和第二混頻器的輸出端與相關(guān)器組的第一輸入端連接，相關(guān)器組的第一輸出端通過碼鑒相器與碼環(huán)路濾波器連接，相關(guān)器組的第二輸出端通過載波鑒相器與載波環(huán)路濾波器連接，相關(guān)器組的第二輸入端與PN碼發(fā)生器的輸出端連接，第一混頻器的第一輸入端與sin映射單元的輸出端連接，第二混頻器的第一輸入端與COS映射單元的輸出端連接，sin映射單元的輸入端和COS映射單元的輸入端均與載波NCO的輸出端連接，其還包括小數(shù)內(nèi)插濾波器、第一加法器、校準(zhǔn)控制單元、t匕例因子單元、相位調(diào)整器和第二加法器；
[0016]其中，載波環(huán)路濾波器輸出的相位偏移量乘上比例因子單元提供的比例因子再通過第一加法器與碼環(huán)路濾波器輸出的碼相位偏移量相加得到碼相位偏差量；
[0017]所述校準(zhǔn)控制單元，用于根據(jù)所述碼相位偏差量和公式一計算出整數(shù)偏移量和小數(shù)偏移量；所述公式一為:r (n) = r (η-1) +e (η)、ρ (η) = Lint [y (η)]和 σ (η)=r(n)-|p(n) |,e(n)為碼相位偏差量，r (η)為第η幀的碼偏移量，ρ (η)為整數(shù)偏移量，σ (η)為小數(shù)偏移量，-1≤σ (η)≤I ;
[0018]所述小數(shù)內(nèi)插濾波器，用于根據(jù)所述小數(shù)偏移量對一接收信號進行內(nèi)插后輸出至第一混頻器和第二混頻器；
[0019]所述PN碼發(fā)生器，用于根據(jù)所述整數(shù)偏移量產(chǎn)生超前、即時和滯后本地復(fù)制碼；
[0020]所述相位調(diào)整器，用于根據(jù)所述小數(shù)偏移量和公式二計算出相位調(diào)整量；所述公式二為:y(n) = O (η)-O (η-1), y(η)為相位調(diào)整量；
[0021]所述第二加法器，用于將所述相位調(diào)整量和載波環(huán)路濾波器輸出的相位偏移量進行加法運算，并將運算結(jié)果輸出至所述載波NC0。
[0022]優(yōu)選的，所述小數(shù)內(nèi)插濾波器為Farrow結(jié)構(gòu)的多項式濾波器。
[0023]所述小數(shù)內(nèi)插濾波器的公式為:
[0024]
【權(quán)利要求】
1.一種用于衛(wèi)星定位導(dǎo)航接收系統(tǒng)的數(shù)字非整數(shù)跟蹤環(huán)路，其包括第一混頻器、第二混頻器、相關(guān)器組、碼鑒相器、碼環(huán)路濾波器、PN碼發(fā)生器、載波鑒相器、載波環(huán)路濾波器、載波NCO、sin映射單元和cos映射單元，第一混頻器和第二混頻器的輸出端與相關(guān)器組的第一輸入端連接，相關(guān)器組的第一輸出端通過碼鑒相器與碼環(huán)路濾波器連接，相關(guān)器組的第二輸出端通過載波鑒相器與載波環(huán)路濾波器連接，相關(guān)器組的第二輸入端與PN碼發(fā)生器的輸出端連接，第一混頻器的第一輸入端與sin映射單元的輸出端連接，第二混頻器的第一輸入端與COS映射單元的輸出端連接，sin映射單元的輸入端和COS映射單元的輸入端均與載波NCO的輸出端連接，其特征在于，還包括小數(shù)內(nèi)插濾波器、第一加法器、校準(zhǔn)控制單元、比例因子單元、相位調(diào)整器和第二加法器； 其中，載波環(huán)路濾波器輸出的相位偏移量乘上比例因子單元提供的比例因子再通過第一加法器與碼環(huán)路濾波器輸出的碼相位偏移量相加得到碼相位偏差量； 所述校準(zhǔn)控制單元，用于根據(jù)所述碼相位偏差量和公式一計算出整數(shù)偏移量和小數(shù)偏移量；所述公式一為:r (n) = r(n-l)+e(n)、ρ(η) = Lint [r (η)]和 σ (η) = r (η) -1 ρ (η) |,e(n)為碼相位偏差量，r(n)為第η幀的碼偏移量，ρ (η)為整數(shù)偏移量，σ (η)為小數(shù)偏移量，-1≤ σ (n) ≤1 ； 所述小數(shù)內(nèi)插濾波器，用于根據(jù)所述小數(shù)偏移量對一接收信號進行內(nèi)插后輸出至第一混頻器和第二混頻器； 所述PN碼發(fā)生器，用于根據(jù)所述整數(shù)偏移量產(chǎn)生超前、即時和滯后本地復(fù)制碼； 所述相位調(diào)整器，用于根據(jù)所述小數(shù)偏移量和公式二計算出相位調(diào)整量；所述公式二為:y(n) = σ (η)-σ (η-1), y(η)為相位調(diào)整量； 所述第二加法器，用于將所述相位調(diào)整量和載波環(huán)路濾波器輸出的相位偏移量進行加法運算，并將運算結(jié)果輸出至所述載波NC0。
2.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字非整數(shù)跟蹤環(huán)路，其特征在于，所述小數(shù)內(nèi)插濾波器為Farrow結(jié)構(gòu)的多項式濾波器。
3.如權(quán)利要求2所述的數(shù)字非整數(shù)跟蹤環(huán)路，其特征在于，所述小數(shù)內(nèi)插濾波器的公式為:
4.如權(quán)利要求1所述的數(shù)字非整數(shù)跟蹤環(huán)路，其特征在于，所述PN碼發(fā)生器包括一個存儲PN碼樣點的緩存器和一個基于整數(shù)偏移量對PN碼樣點進行循環(huán)移位的循環(huán)移位器；所述循環(huán)移位器根據(jù)公式(Ia)和公式(Ib)產(chǎn)生每幀的即時本地復(fù)制碼；
【文檔編號】G01S19/37GK103983989SQ201410204363
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】付寅飛, 楊樂, 李秀魁 申請人:付寅飛