专利名称：Gps接收机对弱卫星信号的数据解调方法
技术领域：
本申请涉及一种GPS接收机的信号处理方法，特别是涉及GPS接收机将弱卫星信号中的导航电文解调出来的方法。
背景技术：
GPS系统是当前应用最为广泛的一种全球卫星导航系统，GPS接收机通过接收GPS卫星信号来确定自身在地球表面的位置。GPS卫星信号包括LI载波和L2载波。LI载波上调制有C/A码(Coarse/AcquisitionCode,也称粗码、捕获码)和导航电文(Navigation Messages,也称DataMessage，数据码、D码)，采用的是二相相移键控(BPSK)技术，属于相位调制的一种。当调制信号采用相位调制方式调制于载波时，调制信号相位变化的速率通常称为码速率。C/A码是码速率为1. 023MHz的二相调制信号，周期为1ms，每周期包含1023位(也称码元)。导航电 文是码速率为50Hz的二相调制信号，其每一位的时长为20ms，相当于20个C/A码的周期。导航电文先以模二相加(即异或)方式叠加到C/A码上，这两者的组合码再调制在LI载波上。GPS接收机的工作至少包括捕获和跟踪两项。GPS接收机的天线接收到诸如LI载波等高频信号，经过下变频、模数转换后得到的数字中频(IF, Intermediate Frequency)信号，作为捕获模块的输入。为了能让跟踪模块成功地跟踪GPS卫星信号，GPS接收机内部所初始复制的载波和C/A码信号必须与接收信号吻合到一定程度(在跟踪模块的牵入范围内)；否则，跟踪模块通常会对信号失锁。因此，GPS接收机在开始信号跟踪之前，首先需要估算出接收信号的载波频率和C/A码相位这两个参数，然后根据这些信号参数估计值初始化跟踪模块，以帮助对接收信号的跟踪，而信号捕获的目的是为了获取所有可见GPS卫星信号的载波频率和C/A码相位的粗略估计值。请参阅图1，这是现有的一种GPS接收机的跟踪模块的示意图。其中具有两个锁相环。由载波环鉴别器、载波环滤波器、载波NCO (数控振荡器)等构成的第一锁相环称为载波环，用来跟踪中频信号的载波频率。由码环鉴别器、码环滤波器、C/A码发生器等构成的第二锁相环称为码环，用来跟踪C/AH。中频信号首先通过与载波频率的混频剥离载波，再通过与即时码的相关(Correlation)运算剥离C/A码。相关结果iE1、ip>qEL和qp经积分清零器后分别输出相干积分值IE1、Ip、Qa和Qp，如果跟踪模块所需的相干积分时间为1ms，那么跟踪模块在实现跟踪的同时，还解调出速率为1000Hz的导航数据。考虑到导航电文中的每一个数据持续20ms，接着要从每20个Ims的数据中解出一个20ms宽的导航电文数据位。在位同步之前，接收机并不知道哪20个相继的Ims数据属于同一个导航电文数据位，位同步的目的就是要通过数据分析将一连串的Ims数据合理地划分成每20个一组，然后对这20个Ims数据进行相干积分，通过对积分结果的极性判断解出导航电文数据；解调后的数据进行帧同步，以确定子帧起始位置，从而将解调出来的数据正确的划分成30个一组的字，最终得到导航电文。
图1中，积分清零器输出的是导航数据，即中频信号剥离掉载波和C/A码之后的信号，速率为1000Hz。所述积分清零器相当于低通滤波器，将混频过程中产生的高频分量滤除，只剩低频分量，在无残余频差的情况下，积分清零器的结果如图2所示，大致为幅值固定的方波信号。位同步就是从导航数据中找到导航电文的每一位数据的起始点，位极性判断就是判断导航电文的每一位数据的极性为I或O。位同步和位极性判断的总和，就是用来将1000Hz的导航数据转变为50bps，并从每一位数据的起始点开始将20个连续的值用一个值来代替。图3是将图2的横坐标放大、纵坐标保持不变的局部示意图。如图3所示，92 Illms之间是导航电文中的一位数据，把这20ms的20个数据加起来，如果20个数据之和> 0则判定导航电文的该位数据为1，如果20个数据之和< 0则判定导航电文的该位数据为O。本申请所说的数据解调就是指对导航数据中的连续20个Ims数据进行位极性判断。通常将接收信号强度C/No (载噪比)在50dB-Hz到32dB_Hz之间的称为强卫星信号，将接收信号强度小于26dB-Hz的称为弱卫星信号。图2所示的积分清零器的输出仅适用于判断强卫星信号中的导航电文的每一位数据极性。对于弱卫星信号来说，跟踪模块在本地重建的载波和中频信号的载波之间会存在频差，残余频差的存在会影响导航电文的每一位数据极性的判断。请参阅图4，这是在残余频差为2Hz的条件下，积分清零器的输出结果，大致为调制有缓变正弦波的方波信号，方波信号的速率为1000Hz，正弦波的速率为残余频差。由于受到了残余频差的影响，以导航电文的每一位数据的起始点开始，计算20ms的20个数据之和来判断每一位数据的极性就可能是错误的。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种GPS接收机在强卫星信号的辅助下对弱卫星信号的数据解调方法。为解决上述技术问题，本申请GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法包括如下步骤第I步，对弱卫星信号的、已完成位同步的导航数据，从导航电文的每一位数据在导航数据中的起始位置对导航数据开始进行20ms的相干积分(coherent integration),并且只保留最新的K个相干积分结果，K为> 9的自然数；第2步，利用强卫星信号的导航电文的帧同步码的接收时间的-20ms 20ms的时间区间内，找到弱卫星信号的导航电文的帧同步码对应的导航数据的位置；第3步，利用FFT (快速傅里叶变换)判断弱卫星信号的导航电文的帧同步码之后的每一位数据的极性。所述方法第2步具体包括第2.1步，当GPS接收机解调出任意一颗强卫星信号的导航电文中的帧同步码时，立即将第I步中K个相干积分结果中截止到上一个20ms的相干积分结果的前8个相干积分结果(即除当前20ms的相干积分结果以外的最新的8个相干积分结果)按照由老到新的顺序分别乘以1、-1、-1、-1、1、-1、1、I，对相乘结果后补充N-8个0，然后做N点FFT，对FFT结果计算最大幅值称为第一幅值；第2. 2步，还将第I步中K个相干积分结果中截止到当前20ms的相关积分结果的前8个(即最新的8个相干积分结果)按照由老到新的顺序分别乘以1、-1、-1、-1、1、_1、1、1，对相乘结果后补充N-8个O，然后做N点FFT JfFFT结果计算最大幅值称为第二幅值。第2. 3步，当第I步所述的K个相干积分结果中新进最新的一个20ms的相干积分结果时，将第I步中K个相干积分结果中截止到最新进入的20ms的相干积分结果的前8个(即最新的8个相干积分结果)按照由老到新的顺序分别乘以1、-1、-1、-1、1、-1、1、1，对相乘结果后补充N-8个0，然后做N点FFT，对FFT结果计算最大幅值称为第三幅值；所述N为2的幂，且N彡8 ;第2. 4步，找到第一幅值、第二幅值、第三幅值中最大的那个所对应的8组相干积分结果，这8组相干积分结果解调后对应的导航电文的8位数据就是来自于弱卫星信号的导航电文的8位帧同步码。
所述方法第3步具体包括第3.1步，对于所述弱卫星信号的导航电文的8位帧同步码之后的每一位数据的极性判断，都以待判断极性的数据位之前的8位数据的8个相干积分结果按照由老到新的顺序分别乘以这8位数据对应的符号，对待判断极性的数据位对应的20ms相干积分结果乘以I，再补充M-9个0，然后做M点FFT，对FFT结果计算最大幅值称为第四幅值；第3. 2步，再将待判断极性的数据位之前的8位数据的8个相干积分结果按照由老到新的顺序分别乘以这8位数据对应的符号，对待判断极性的数据位对应的20ms相干积分结果乘以-1，再补充M-9个0，然后做M点FFTJf FFT结果计算最大幅值称为第五幅值；所述待判断极性的数据位之前的8位数据如果为1，则其对应的符号为I ;如果为0，则其对应的符号为-1 ；所述M为2的幂，且M > 9 ;第3. 3步，如果第四幅值>第五幅值，则判定待判断极性的数据位为I ;如果第四幅值<第五幅值，则判定待判断极性的数据位为O。本申请实现了在强卫星信号的辅助下，利用N点FFT快速找到弱卫星信号的帧同步码对应的导航数据的位置，以此作为初始值，再利用M点FFT将相干积分时间延长到了180ms，从而提高了对弱卫星信号的导航电文的每一位数据进行极性判断的准确性，消除了残余频差的影响。
图1是GPS接收机中的跟踪模块的结构示意图；图2是图1中积分清零器的输出波形(强卫星信号情况下)；图3是图2的横坐标放大、纵坐标不变的局部示意图；图4是图1中积分清零器的输出波形(具有残余频差情况下，为了直观显示，以强卫星信号为例)； 图5是地球和GPS卫星轨道示意图；图6是本申请GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法的流程图。
具体实施例方式导航电文以帧(frame)为单位向外发送，每一帧长度为1500位(bit)。一套完整的导航电文由25巾贞组成,共计37500位。每一巾贞又由5个子巾贞(subframe)组成,每一子中贞长度为300位。每一子帧的前8位总是10001001，称为帧同步码。由于导航电文的发射速率为50bps，因此帧同步码每隔6s周期出现。如果将二进制数“I”的符号定义为十进制数1，二进制数“0”的符号定义为十进制数_1，那么巾贞同步码的符号就是1、-1、-1、-1、1、-1、1、I。请参阅图5，其中0点表示地心，A点表示GPS接收机所在位置，S点表示与GPS接收机位于同一水平面的GPS卫星，B点表示位于GPS接收机的天顶的GPS卫星。根据通用的椭球形地球模型，S点与A点之间的距离为25785km，GPS卫星信号的传输时间为85. 95ms。B点与A点之间的距离为20192km，GPS卫星信号的传输时间为67. 3Ims0这表明同一个GPS接收机接收不同的GPS卫星信号的最大时间差为18. 64ms。因此，在获得强卫星信号的导航电文的帧同步码之后，只需要在-20ms 20ms的时间范围内对弱卫星信号进行校准，就可以得到导航电文的帧同步码对应的弱卫星信号的导航数据的位置。请参阅图6，本申请GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法包括如下步骤初始情况GPS接收机通过天线接收到高频的弱卫星信号，通过对其下变频和/或采样得到中频信号，再通过捕获、跟踪得到1000Hz的导航数据，然后通过位同步得到导航数据中的每一位导航电文数据的起始点。本申请所要做的就是对来自于弱卫星信号的、已完成位同步的导航数据进行位极性判断。第I步，对来自于弱卫星信号的、已完成位同步的导航数据，从导航电文的每一位数据在导航数据中的起始位置对导航数据开始进行20ms的相干积分，并且只保留最新的9个相干积分结果。数值9也可扩充为>9的任意自然数。为简便说明，本实施例以优选值9为例。所述20ms的相干积分的计算公式为
权利要求
1.一种GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法，其特征是，包括如下步骤 第I步，对弱卫星信号的、已完成位同步的导航数据，从导航电文的每一位数据在导航数据中的的起始位置对导航数据开始进行20ms的相干积分，并且只保留最新的K个相干积分结果，K为>9的自然数； 第2步，利用强卫星信号的导航电文的帧同步码的接收时间的-20ms 20ms的时间区间内，找到弱卫星信号的导航电文的帧同步码对应的导航数据的位置； 第3步，利用FFT判断弱卫星信号的导航电文的帧同步码之后的每一位数据的极性。
2.根据权利要求1所述的GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法，其特征是，所述方法第2步具体包括 第2.1步，当GPS接收机解调出任意一颗强卫星信号的导航电文中的帧同步码时，立即将第I步中K个相干积分结果中除当前20ms的相干积分结果以外的最新的8个按照由老到新的顺序分别乘以1、-1、-1、-1、1、_1、1、1，对相乘结果后补充N-8个0，然后做N点FFT，对FFT结果计算最大幅值称为第一幅值； 第2. 2步，还将第I步中K个相干积分结果中最新的8个按照由老到新的顺序分别乘以1、-1、-1、-1、1、_1、1、1，对相乘结果后补充^8个0，然后做^点？ 1'，对卩卩丁结果计算最大幅值称为第二幅值。
第2. 3步，当第I步所述的K个相干积分结果中新进最新的一个时，将第I步中K个相干积分结果中最新的8个按照由老到新的顺序分别乘以1、-1、-1、-1、1、_1、1、1，对相乘结果后补充N-8个0，然后做N点FFT，对FFT结果计算最大幅值称为第三幅值； 所述N为2的幂，且N彡8 ； 第2. 4步，找到第一幅值、第二幅值、第三幅值中最大的那个所对应的8组相干积分结果，这8组相干积分结果解调后对应的导航电文的8位数据就是来自于弱卫星信号的导航电文的8位帧同步码。
3.根据权利要求1所述的GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法，其特征是，所述方法第3步具体包括 第3.1步，对于所述弱卫星信号的导航电文的8位帧同步码之后的每一位数据的极性判断，都以待判断极性的数据位之前的8位数据的8个相干积分结果按照由老到新的顺序分别乘以这8位数据对应的符号，对待判断极性的数据位对应的20ms相干积分结果乘以1，再补充M-9个0，然后做M点FFTJf FFT结果计算最大幅值称为第四幅值； 第3. 2步，再将待判断极性的数据位之前的8位数据的8个相干积分结果按照由老到新的顺序分别乘以这8位数据对应的符号，对待判断极性的数据位对应的20ms相干积分结果乘以-1，再补充M-9个0，然后做M点FFTJf FFT结果计算最大幅值称为第五幅值； 所述待判断极性的数据位之前的8位数据如果为1，则其对应的符号为I ;如果为0，则其对应的符号为-1 ; 所述M为2的幂，且M > 9 ； 第3. 3步，如果第四幅值>第五幅值，则判定待判断极性的数据位为I ; 如果第四幅值<第五幅值，则判定待判断极性的数据位为O。
4.根据权利要求1所述的GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法，其特征是，K=9。
5.根据权利要求2所述的GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法，其特征是，N的取值越大，频率分辨率越高，计算结果受残余频差的影响越小。
6.根据权利要求5所述的GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法，其特征是，N=32或64。
7.根据权利要求3所述的GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法，其特征是，M的取值越大，频率分辨率越高，计算结果受残余频差的影响越小。
8.根据权利要求7所述的GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法，其特征是，M=32或64。
全文摘要
本申请公开了一种GPS接收机对弱卫星信号的数据解调方法，包括如下步骤第1步，对弱卫星信号的、已完成位同步的导航数据，从导航电文的每一位数据在导航数据中的起始位置对导航数据开始进行20ms的相干积分，并且只保留最新的K个相干积分结果。第2步，利用强卫星信号的导航电文的帧同步码的接收时间的-20ms～20ms的时间区间内，找到弱卫星信号的导航电文的帧同步码对应的导航数据的位置。第3步，利用FFT判断弱卫星信号的导航电文的帧同步码之后的每一位数据的极性。本申请实现了在强卫星信号的辅助下，利用N点FFT快速找到弱卫星信号的帧同步码对应的导航数据的位置，以此作为初始值，再利用M点FFT将相干积分时间延长到了180ms，并且消除了残余频差的影响。
文档编号G01S19/37GK102998682SQ20121047582
公开日2013年3月27日 申请日期2012年11月21日 优先权日2012年11月21日
发明者李倩, 吴林钊, 张旭 申请人:锐迪科科技有限公司