专利名称：一种gps粗/捕获码信号的载波跟踪系统及其方法
技术领域：
本发明涉及全球定位系统(Global Positioning System, GPS)中接收信号 的处理系统及其方法，尤其涉及一种GPS粗/捕获码(Coarse/Acquisition, C/A)
信号的载波跟踪处理系统及其方法。
背景技术：
GPS全球定位系统作为新一代卫星导航定位系统，最初是由美国军方开发 并供海陆空三军使用的。经过多年发展，当前GPS系统已成为一种被广泛采用 的军民两用系统，它的应用领域和应用前景远远超出了该系统设计者当初的设 想，在航空、航天、军事、交通、运输、资源勘探、通信、气象等几乎所有的 领域中，都被作为一项非常重要的技术手段和方法，用来进行导航、定时、定 位、地球物理参数测定和大气物理参数测定等。GPS全球定位系统是一个无线 电空间定位系统，它利用导航卫星和地面站为全球提供全天候、高精度、连续、 实时的三维坐标(绵度，经度，海拔)、三维速度和定位信息，地球表面上任何 地点均可以用于定位和导航。GPS系统包括三大部分空间部分一GPS卫星星 座；地面控制部分一地面监控系统；用户设备部分一GPS信号接收机。GPS空 间部分使用24颗高度约2.02万千米的卫星组成卫星星座，其中由21颗工作卫 星和3颗在轨备用卫星组成GPS卫星星座，卫星的分布使得在全球的任何地方、 任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图形， 提供了在时间上连续的全球导航能力。地面监控部分包括四个监控间、 一个上 行注入站和一个主控站，用于监测、控制、修正和注入各个GPS卫星的导航数 据。GPS接收机可接收到如下信息用于授时的准确至纳秒级的时间信息；用于预报未来几个月内卫星所处概略位置的预报星历；用于计算定位时所需卫星 坐标的广播星历，精度为几米至几十米(各个卫星不同，随时变化)；以及GPS 系统信息，如卫星状况等。GPS卫星发射两种频率的载波信号，即频率为 1575.42兆赫的L1载波和频率为1227.60兆赫的L2载波，分别调制多种信号。 主要有
C/A码
C/A码被调制在L1载波上，是1MHz的伪随机噪声码(Pseudo-random Number, PRN),其码长为1023位(周期为1ms)。由于每颗卫星的C/A码都 不一样，因此，我们经常用它们的PRN号来区分它们。C/A码是普通用户用以 测定测站到卫星间的距离的 一种主要的信号。
P码
P码又被称为精码，调制在L1和L2载波上，是10MHz的伪随机噪声码， 周期为七天。由于保密限制，普通用户无法利用P码来进行导航定位。
导航信息
导航信息即数据码调制在L1载波上，其信号频率为50赫兹，包含GPS 卫星的轨道参数、卫星钟修正数和其它一些系统参数。用户一般需要利用此导 航信息来计算某一时刻GPS卫星在地球轨道上的位置，导航信息也被称为广播 星历。
对于普通用户来i兌，GPS系统提供标准定4立月良务(Standard Positioning Service, SPS)，这一般通过解析调制在L1载波上的不同卫星的C/A码信息来 实现。由于卫星的位置是事先知道的，且根据GPS卫星星座的分布，在地球表面的任意时间任意地点， 一般能同时接收4到11颗卫星的信号。而在三维情况 下，利用3颗卫星即可组成3个方程，解析出当前位置的坐标(X， Y， Z)。实 际上考虑到卫星和接收机之间的时钟误差，因此需要引入第4颗卫星，组成4 个方程，求解当前点的坐标值和时钟误差，从而得到当前位置的经绵度和高程。 当然，实际上接收机可以接收超过4颗以上的卫星信号，因此可以进一步修正 通过4颗卫星的信号解析出的结果，以尽可能减小误差。
由上面的介绍可知，GPS提供的标准定位服务需要解调L1载波上的C/A码 上的信息。L1的频率上的信号可表示为
Su = ^ cos(2;ry;, + + 4C(/)Z)(0 sin(2;r々+ ( 1 )
式中&是载波L1上的信号，4是P码的幅度，P(0-土1表示P码的相位，即P
码伪随机序列，/)(0 = ±1表示数据码，即导航电文信息，/是L1上的频率，即
1575.42MHz， ^是初始相位，4是C/A码的幅度，c(0^土l表示C/A码的相位， 即C/A码伪随机序列。合成的GPS信号向全球发射，随时随地供接收机解算导 航定位信息使用。
图1是GPS接收机的基本原理图，GPS卫星发射的信号被天线接收，通 过射频(Radio Frequency, RF)链将输入信号放大到合适的幅度并将频率转 换到需要的输出频率上，再通过模/数转换器(ADC)将输出信号变成数字信号， 进入数字域处理，经过信号捕获、跟踪、子帧识别、星历和伪距解析、卫星位 置和用户位置计算。其中，捕获是指发现某一个卫星的信号；跟踪是得到导4元 数据的相位变化;而根据导航数据的相位跳变，可得到子帧和导航数据，从导 航数据里就可得到星历和伪距；最后根据卫星的位置和伪距计算出用户的位置。为了跟踪GPS信号并进行信息解码，就必须先用捕获处理来^r测信号的存 在。启动捕获程序寻找相对于接收机的可视卫星，如果已经大致知道卫星的粗 略位置和时间，或者通过最近记录的广播星历可以计算出可用卫星的信号，此 时，只需要搜索几个卫星，当然，如果初始设置的卫星是错误的，则卫星定位 的时间会比较长，因为此时捕获程序一开始搜索的是错误的卫星，上述方法称 为热启动。此外还有一种称为冷启动的卫星信号接收方法，即接收机不知道卫 星的具体信息，必须对所有的卫星进行捕获，这会非常耗时，因此一般总是乐
于选择能够快速捕获的方法。
一旦捕获程序检测到信号，就必须提供给跟踪模块一些必要的参数，如C/A 码周期的起始位置和输入信号的载波频率。 一般采集到的数据包含几个卫星的 信号，每个信号的C/A码起始位置不同，开始时间不同，多普勒频移也不同。 捕获模块需要找到C/A码的起始位置，并用此信息对接收信号进行解扩，输出 一个连续波信号，得到载波频率。为了加快捕获速度，接收机可以对多个卫星 进行并行捕获，即同时对N个卫星进行捕获。同时，GPS信号的捕获过程是一 个二维搜索过程，如图2所示，每一个方块代表特定C/A码起始位置和特定载 波偏移的信号，接收机产生每个方块对应的本地复现信号，并与接收信号进行 相关，通过比较接收信号与本地复现信号的相关结果，来判断信号是否捕获。
由上面的介绍可知，经过捕获处理以后，可得到输入信号的载波频率的估 计值，且估计值与实际频率值之差保持在载波频率的搜索单元范围内，但这个 差值对于导航数据解调来说，显得比较大；而且在动态环境中，由于卫星和接 收机之间的相对运动，会产生多普勒效应，因此需要对输入信号的载波进行跟 踪，使本地产生的载波与实际载波相一致。跟踪信号的基本方法是根据输入信号构造一个窄带滤波器，当输入信号的 频率随时间变化时，滤波器的中心频率随信号变化。^f旦在实际的跟踪过程中， 窄带滤波器的中心频率是固定的，本地产生的载波信号随输入信号频率的变化 而变化。通过鉴相器对输入信号和本地信号的相位进行比较，并将鉴相器的输
出连接到窄带滤波器。典型的载波跟踪环如图3所示，捕获操作确定载波频率 的初始值，输入信号与数控振荡器(Numerically Controlled Oscillator, NCO)
产生的本地栽波相乘，得到l路和Q路相关输出值，两路相关值分别经过低通 滤波器，然后经过一个反正切(atan(Q/1))比较器，对他们的相位进行比较。 由于反正切对导航数据引起的相位跳变不敏感，可看作是一个科斯塔斯环。科 斯塔斯环是一种对相位跳变不敏感的锁相环。比较器的输出经过再次滤波，产 生一个控制信号，用于调节振荡器使之产生一个新的参考载波频率，以从输入 信号中剥离载波信号。
在上述载波跟踪环方案中，采用相位误差作为输入源，为了获得精确的相 位变化，要求环路滤波器的带宽比较窄，以使进入带宽的噪声比较低。然而当 多普勒频移较大时，载波多普勒频移可能超出锁相环的捕获带宽，不能保证对 载波的可靠捕获和跟踪。 一般采用频率跟踪增加多普勒频率的捕获宽度，或者 采用增加带宽加大多普勒频移的跟踪范围。然而增加带宽会导致加入更多的噪 声，而当噪声电平超过环路的工作门限时，会使载波跟踪环路失锁，从而无法 解调恢复数据。因此GPS接收机需要在环路带宽和动态性能之间进行折中，以 满足跟踪精度和动态性能的要求。
另外，实际系统中多普勒频移的存在具有不确定性的特点，因此用固定的带 宽跟踪载波相位比较困难。综上所述，有必要提供一种GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统及其方法，
以解决上述不足。
发明内容
本发明的目的在于提供一种GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统，以加快跟 踪的稳定速度，减小跟踪误差抖动，提高跟踪性能。
该技术方案包括包括一输入信号，用于对输入信号进行处理的由锁频环 和锁相环相结合而成的环路，环路中鉴频器，鉴相器，对鉴频器和鉴相器输出 进行滤波的环路滤波器，以及与环路滤波器输出相连的数控振荡器(NCO),其 特征在于该锁频环包括四相鉴频器和叉积鉴频器。
进一步，在上述技术方案的基础上还包含以下技术方案 该四相鉴频器的输出频率误差表达式为E(k)-[atan2(Q(k), l(k))-atan2(Q(k-1)， 1(k-1))]/T，式中atan2()是四相反正切函数，T为积分时间间隔。 该叉积鉴频器的输出频率误差表达式为E(k)- 1(k-1)Q(k)-l(k)Q(k-1)。 该叉积鉴频器的输出频率误差表达式为E(k户sign卩(k-1 )l(k)-Q(k)Q(k誦1) ].[ 1(k画1)Q(k)画1(k)Q(k-1)]，式中sign()是符号函数，以消除数据码符 号的影响。
锁相环鉴相器的输出相位误差表达式为P(k)=atan(Q(k)， l(k))，式中atan()
是反正切函数。
锁相环为科斯塔斯环。 本发明的另一目的在于提供一种GPS粗/捕获码信号的载波跟踪方法，具体 包括以下步骤
步骤S500:对同相正交积分值使用叉积法计算频率偏差，转到步骤S501;步骤S501:判断频率偏差是否小于预设值f1，如果是，则转到步骤S503,否 则，转到步骤S502;
步骤S502:使用四相鉴频器跟踪频率，转到步骤S507;
步骤S503:使用反正切函数计算相位偏差，转到步骤S504;
步骤S504:判断相位偏差是否小于预设值p1，如果是，则转到步骤S505,否
则，转到步骤S506;
步骤S505:使用无符号影响的叉积鉴频器跟踪频率，转到步骤S507;
步骤S506:使用反正切鉴相器跟踪相位，转到步骤S507;
步骤S507:对鉴频器或鉴相器的输出进行环路滤波，转到步骤S508;
步骤S508:根据环路滤波器的输出控制NCO,调整本地产生的载波，返回步
骤S500。
进一步，在上述技术方案中的基础上还包含以下技术方案
步骤S500中的叉积法计算频率误差的表达式为E(k)=
l(k-1)Q(k)-l(k)Q(k-1)。
步骤S502中的四相鉴频器的输出频率误差表达式为E(k)=[atan2(Q(k),
l(k))-atan2(Q(k國1)， l(k-1))]/T,式中atan2()是四相反正切函数，T为积分时间间隔。
步骤S505中的无符号影响的叉积鉴频器的输出频率误差表达式为 E(k)=sign [l(k-l)l(k)- Q(k)Q(k-1).[l(k國l)Q(k)- l(k)Q(k-"],式中sign()是符号 函数。
步骤S506中的反正切鉴相器的输出相位误差表达式为P(k)=atan(Q(k), l(k))，式中atan()是反正切函数。
由于采用上述技术方案，用变带宽技术进行环游4殳计，可以动态跟踪载波的相位变化，实现对高动态范围的载波实现快速的跟踪，同时又不引入太多 的噪声。
图1是GPS接收机基本原理图。
图2是GPS接收机中的二维捕获图样。
图3是传统GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统原理图。
图4是本发明的载波跟踪系统原理图。
图5是本发明的载波跟踪方法流程示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
如图4,本发明的GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统包括一输入信号，用 于对输入信号进行处理的由锁频环和锁相环相结合而成的环路，环路中鉴频器， 鉴相器，对鉴频器和鉴相器输出进行滤波的环路滤波器，以及与环路滤波器输 出相连的数控振荡器(NCO)。与传统只采用锁相环路进行载波跟踪不同，本发 明将锁频环路与锁相环路相结合，当频率误差较大时，主要是锁频环路起作用， 有利于增大跟踪的环路带宽，使相位锁定更加容易；而当频率误差较小时，锁 相环路占据主导，并可以使环路带宽更小，减少噪声影响，提高跟踪精度。
由于频率跟踪的实质是载波相位的差分跟踪，因此锁频环路的鉴频器主要 通过在固定时间间隔内测量载波相位的变化量。假设经过捕获以后，得到第k 个积分间隔上的同相正交积分值分别为l(k)， Q(k)，此时剩余的载波频率误差可 能较大，当频率误差不小于预设频率值f1时，锁频环路中的鉴频器采用四相鉴 频器，四相鉴频器输出的频率误差为E(k)-[atan2(Q(k), l(k))画atan2(Q(k-1)， 1(k-1))]/T 式中atan2()是四相反正切函数，T为积分时间间隔，在本实施例中，T可取1 ms。 然后将频率误差经过环路滤波滤除噪声，接着送入数控振荡器NCO,调整本地 产生的载波信号。
当频率误差小于预设频率值f1且相位误差不小于预设相位值p1时，鉴频 器采用叉积鉴频器，即鉴频器的输出为
E(k)= 1(k-1)Q(k)-l(k)Q(k國1) 而为了消除数据码符号的影响，可将上述表达式进一步表示为
E(k)-sign [ l(k画"l(k) ■ Q(k)Q(k國1)],l(k國"Q(k)腸l(k) Q(k-1)
当频率误差很小时，载波跟踪主要跟踪相位误差，当频率误差小于预设频 率值fl且相位误差小于预设相位值p1时，锁相环路鉴相器输出的相位误差为
P(k)=atan(Q(k)， l(k)) 式中atan()是反正切函数，即锁相环是科斯塔斯环。
另外参照图5,根据上述载波跟踪系统来实施的载波跟踪方法，其中 f1二10Hz， p1=0.2,具体包括以下步骤
步骤S500:对同相正交积分值使用叉积法计算频率偏差，转到步骤S501; 步骤S501:判断频率偏差是否小于预设值fl,如果是，则转到步骤S503,否 则，转到步骤S502;
步骤S502:使用四相鉴频器跟踪频率，转到步骤S507;
步骤S503:使用反正切函数计算相位偏差，转到步骤S504;
步骤S504:判断相位偏差是否小于预设值p1,如果是，则转到步骤S505,否
则，转到步骤S506;
步骤S505:使用无符号影响的叉积鉴频器跟踪频率，转到步骤S507;步骤S506:使用反正切鉴相器跟踪相位，转到步骤S507; 步骤S507:对鉴频器或鉴相器的输出进行环路滤波，转到步骤S508; 步骤S508:根据环路滤波器的输出控制数控振荡器(NCO)，调整本地产生的 载波，返回步骤S500。
上述步骤S500中的叉积法计算频率误差的表达式为E(k)= 1(k誦1)Q(k)画l(k)Q(k墜1)。
上述步骤S502中的四相鉴频器的输出频率误差表达式为 E(k)=[atan2(Q(k)， l(k))- atan2(Q(k-1), 1(k-1))]/T，式中atan2()是四相反正切函 数，T为积分时间间隔。
上述步骤S505中的无符号影响的叉积鉴频器的输出频率误差表达式为 E(k)=sign卩(k陽l)l(k)- Q(k)Q(k國1) ].[ l(k-l)Q(k)- 1(k)Q(k画1)]，式中sign()是符号
函数o
上述步骤S506中的反正切鉴相器的输出相位误差表达式为 P(k)-atan(Q(k), l(k))，式中atan( )l良正切函数。
采用本发明的载波跟踪系统及其方法，当频率误差较大时，主要是锁频环 路起作用，有利于增大跟踪的环路带宽，使相位锁定更加容易；而当频率误差 较小时，锁相环路占据主导，并可以使环路带宽更小，减少噪声影响，提高跟 踪精度，非常适合动态接收机使用，可以同时满足跟踪精度和动态性能的要求。
普通技术人员可在不脱离本发明的发明思想的情况下，对上述实施例做出种种 修改或变化，因而本发明的保护范围并不被上述实施例所限，而应该是符合权 利要求书提到的创新性特征的最大范围。
权利要求
1. 一种GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统，包括一输入信号，用于对输入信号进行处理的由锁频环和锁相环相结合而成的环路，环路中的鉴频器，鉴相器，对鉴频器和鉴相器输出进行滤波的环路滤波器，以及与环路滤波器输出相连的数控振荡器(NCO)，其特征在于该锁频环包括四相鉴频器和叉积鉴频器。
2. 根据权利要求1所述的GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统，其特 征在于，该四相鉴频器的输出频率误差表达式为E(k)=[atan2(Q(k), l(k))-atan2(Q(k-1)， 1(k-1))]/T，式中atan2()是四相反正切函数，T为积分时间间隔。
3. 根据权利要求1所述的GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统，其特 征在于，该叉积鉴频器的输出频率误差表达式为E(k)= l(k-1)Q(k)-l(k)Q(k-1)。
4. 根据权利要求1所述的GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统，其特 征在于，该叉积鉴频器的输出频率误差表达式为E(k)=sign卩(k-1)l(k)-Q訓k誦1) ].[ l(k-l)Q(k)- 1(k)Q(k画1)]，式中sign()是符号函数，以消除数据 码符号的影响。
5. 根据权利要求1所述的GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统，其特 征在于，锁相环鉴相器的输出相位误差表达式为P(k户atan(Q(k), l(k))，式中 atan()是反正切函数。
6. 根据权利要求1所述的GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统，其特 征在于，锁相环为科斯;荅斯环。
7. —种GPS粗/捕获码信号的载波跟踪方法，包括 步骤S500:对同相正交积分值使用叉积法计算频率偏差，转到步骤S501; 步骤S501:判断频率偏差是否小于预设频率值fl，如果是，则转到步骤S503,否则，转到步骤S502;步骤S502:使用四相鉴频器跟踪频率，转到步骤S507;步骤S503:使用反正切函数计算相位偏差，转到步骤S504;步骤S504:判断相位偏差是否小于预设值p1,如果是，则转到步骤S505，否则，转到步骤S506;步骤S505:使用无符号影响的叉积鉴频器跟踪频率，转到步骤S507; 步骤S506:使用反正切鉴相器跟踪相位，转到步骤S507; 步骤S507:对鉴频器或鉴相器的输出进行环路滤波，转到步骤S508; 步骤S508:根据环路滤波器的输出控制数控振荡器(NCO),调整本地产生的 载波，返回步骤S500。
8. 根据权利要求7所述的GPS粗/捕获码信号的载波跟踪方法，其特征 在于，步骤S500中的叉积法计算频率误差的表达式为E(k)= 1(k画1)Q(k)-l(k)Q(k画1)。
9. 根据权利要求7所述的GPS粗/捕获码信号的载波跟踪方法，其特征 在于，步骤S502中的四相鉴频器的输出频率误差表达式为E(k)=[atan2(Q(k), l(k))画atan2(Q(k-1), 1(k國1))]/T，式中atan2()是四相反正切函数，T为积分时间 间隔。
10. 根据权利要求7所述的GPS粗/捕获码信号的载波跟踪方法，其特 征在于，步骤S505中的无符号影响的叉积鉴频器的输出频率误差表达式为 E(k)-sign [l(k國"l(k)- Q(k)Q(k-1) ].[ l(k國l)Q(k)- 1(k)Q(k画1)]，式中sign()是符号函数。
11. 根据权利要求7所述的GPS粗/捕获码信号的载波跟踪方法，其特 征在于，步骤S506中的反正切鉴相器的输出相位误差表达式为P(k户atan(Q(k)， l(k))，式中atan()是反正切函数。
全文摘要
本发明公开了一种GPS粗/捕获码信号的载波跟踪系统及其方法，该系统包括一输入信号，用于对输入信号进行处理的由锁频环和锁相环相结合而成的环路，环路中鉴频器，鉴相器，对鉴频器和鉴相器输出进行滤波的环路滤波器，以及与环路滤波器输出相连的数控振荡器(NCO)。本发明将锁频环路与锁相环路相结合，当频率误差较大时，主要是锁频环路起作用，有利于增大跟踪的环路带宽，使相位锁定更加容易；而当频率误差较小时，锁相环路占据主导，并可以使环路带宽更小，减少噪声影响，提高跟踪精度。
文档编号G01S19/37GK101435866SQ20081022728
公开日2009年5月20日 申请日期2008年11月26日 优先权日2008年11月26日
发明者周加铳, 赖建文 申请人:苏州莱迪斯特电子有限公司