载波相位测量半周模糊解除方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种双频GPS接收机设计领域中，提高双频GPS接收机中L2-P (Y)码的捕获跟踪性能、尤其是解除Ll-C/Α码和L2-P (Y)码的载波相位测量半周模糊的方法。
【背景技术】
[0002]双频GPS接收机的应用越来越广泛，特别是在高精度定位、卫星精密定轨、掩星探测等领域发挥了重要作用。与单频接收机相比，双频GPS接收机同时对LI和L2的信号进行跟踪，可以消除电离层影响，同时有助于减小单频干扰的影响。GPS的LI频率上调制有C/A码和P (Y)码，L2频率上调制有P (Y)码和L2C码，但不是所有卫星都具有L2C码.到2011年，在L2载波上调制有L2C码的卫星只有10多颗，因此，对L2_P(Y)码进行跟踪非常必要。在AS技术作用下，P码经过加密技术处理而变成了 Y码，它是由公开的P码和加密的W码模二和而形成的。同时利用P(Y)码还有很多优点:提高了伪距精度，减小了多径误差，同时把两个频率结合起来产生宽巷量度，还能在解算整周模糊度方面获得很大的效用，当用于搜索平滑码双差测量的不确定性时，搜索立体范围的界限由±11 λ (波长)减小到±3 λ，这会导致在一个观测历元内计算和检验的整周多值性组的残差成数百倍地下降。L2-P(Y)码的稳定跟踪是GPS双频高精度接收机中必不可少的一项功能，也是接收机中的主要关键技术.由于P(Y)码含有未知的加密码且L2-P(Y)载噪比较低，实现L2-P(Y)码的载波跟踪有多种困难。
[0003]GPS信号是一种伪随机码调制的扩频信号。GPS信号是利用两种伪随机码C/A码和P码对两个载频信号调制的。以载波相位测量为基础的技术，对C/A码和P (Y)的载波相位测量值，利用双差技术会消除大部分误差源。GPS载波相位测量的相对精度是非常高的，静态相对定位达到毫米级，动态相对定位达到厘米级。对于相对固定基准站处于运动中的用户和需要实时精度的应用场合来说，如果要达到厘米级的精度，则需要解算整周模糊度。载波相位差分技术需要用到载波相位的测量值.对于需要实时厘米级精密定位的任何应用来说，载波整周模糊度的解算是关键，这种载波相位差分技术(RTK)，在某些场合进近基线已延伸到了 50km。可以利用LI和L2频率结合起来的方法以加速整周模糊度解算过程，开发这种双频结构是为了得到LI和L2频率的和与差，把双频接收机的双频载波相位测量值结合起来产生宽巷测量来减少计算量，从而加速整周模糊度解算的过程。
[0004]传统的GPS信号是指位于LI频段上的民用C/A码信号(简称Ll-C/Α信号)、位于LI频段上的军用P (Y)码信号(简称Ll-P (Y)信号)和L2频段上的军用P (Y)码信号(简称L2-P(Y)信号)，加密的P(Y)码信号只有美国核准的军方和选定的政府部门用户才能使用，普通用户只能采用半无码跟踪方法来实现P(Y)码信号的伪码和载波相位测量。L2-P(Y)半无码跟踪方法中，L2-P(Y)信号强度弱于Ll-C/Α信号达6dB，其次，半无码方法是使用一种类似平方环的方法来消除高速W ? 0码流的符号翻转影响，以得到和Ll-C/Α码类似的积分清零时间，进而获得期望的扩频增益，在这个处理过程中，平方损耗会带来L2-P(Y)信号的跟踪信噪比损失，信号越弱其平方损耗越大；其次是平方环通过相乘消除了数据的符号翻转影响，也就无法实现数据解调和帧同步头的检测。所以很难判别载波Costas锁相环稳定跟踪时的相差是180°还是0°，导致了 L2-P(Y)码载波相位测量值有半周模糊。
[0005]Costas锁相环有180°的相位多值性，载波相位锁定时可能相位差稳定在0°也可能稳定在180°上，这就导致了载波相位测量值的半周模糊问题:如果稳定在0°上，载波相位测量值和准确值之间相差了整周模糊度N周，如果稳定在180°上，载波相位测量值和准确值之间不仅相差了整周模糊度N周，还相差了一个半周。载波相位测量值的半周模糊度问题，会导致整周模糊度解算时固定解比率不高，影响动态载波相位差分(RTK)的精度。在GPS双频(L1-C/A+L2-P(Y))接收机中，Ll-C/Α的载波相位半周模糊度需要消除，L2-P (Y)的载波相位半周模糊度也需要消除。
[0006]虽然双频接收机中对L2_P(Y)信号的跟踪可以使用半无码方法.但由于半无码方法本身具有平方损耗，因此实际获得的L2-P(Y)信号载噪比很低，跟踪环路很难进行连续稳定的跟踪，弱信号条件下L2-P(Y)信号的环路信噪比非常低，如何保证其跟踪性能是个难题；其次，L2-P(Y)码载波相位测量值的半周模糊会影响载波相位差分时的整周模糊度解算，进而影响精密定位精度和基线测量精度，L2-P(Y)码在无解调数据的情况下怎么解除载波相位测量值的半周模糊也是个难题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是针对双频GPS接收机在弱信号电平时L2-P (Y)信号跟踪性能不佳和载波相位测量值具有半周模糊度的问题，提供一种能够节省捕获资源、降低码环环路噪声和环路跟踪门限，保证L2-P(Y)的载波相位测量值无半周模糊的方法。以解决因L2-P(Y)信号电平弱6dB以及平方损耗导致L2-P(Y)码信噪比损失带来的捕获跟踪性能不佳的问题和载波相位测量值半周模糊影响动态载波相位差分(RTK)精度的问题。
[0008]本发明提高L2_P(Y)码跟踪性能、解除载波相位测量半周模糊所采用的方案是:一种载波相位测量半周模糊解除方法，其特征在于包括如下步骤:在保证Ll-P(Y)码具有和Ll-C/Α码相同跟踪性能的基础上，利用Ll-C/Α码的载波多普勒信息对L2-P(Y)码进行载波多普勒捕获，再利用Ll-C/Α码提取的时间对L2-P(Y)码进行码相位捕获:让本地码相位超前于从Ll-C/Α码提取的时间，然后通过让本地码以半个码片间隔的逐次等待，当等待到本地码相位和输入信号的相位一致时成功捕获；捕获成功后切入跟踪过程:使用L1-C/A码的载波多普勒信息来辅助L2-P (Y)的载波跟踪和码跟踪，辅助频度为Ll-C/Α码的载波环路调整频度，消除掉L2-P(Y)的载波多普勒动态和码多普勒动态；同时利用Ll-P (Y)的积分值对L2-P(Y)进行辅助跟踪，消除掉L2-P(Y)信号里W ? D码流带来的数据翻转；通过判断Ll-C/Α码帧同步模块搜索出来的帧头，使得送给L2-P(Y)辅助的是正确积分值+W ? D，然后再通过接收机中L2-P(Y)的积分值符号来解除载波相位测量半周模糊。
[0009]本发明相比于现有技术具有如下有益效果:
本发明利用Ll-C/Α码的载波多普勒信息辅助L2-P(Y)码进行载波频率捕获，利用Ll-C/Α码提取的时间辅助L2-P(Y)码进行码相位捕获，不仅节省了 L2-P(Y)码的捕获资源，而且使得L2-P(Y)码的捕获灵敏度电平和Ll-C/Α码的跟踪灵敏度电平一样低，大大提高了L2-P(Y)码的捕获性能。
[0010]本发明通过使用Ll-C/Α码的载波跟踪环路对Ll-C/Α码的码跟踪环做载波辅助码，不仅降低了码环的动态，而且因为载波环路噪声比码环环路噪声低两个数量级，通过载波辅助码又能降低码环环路噪声；同时，Ll-C/Α码的载波跟踪环路对L2-P(Y)码的载波跟踪环做载波辅助载波，不仅降低了 L2上载波环的动态，而且因为Ll-C/Α码信号信噪比比L2-P(Y)码信号强6dB，还因为半无码处理对L2-P(Y)码带来的平方损耗，所以LI载波环路噪声低于L2-P(Y)码的载波环路噪声，通过辅助又能降低L2-P (Y)码上载波环路噪声，从而提高L2-P(Y)的载波跟踪性能；同时，Ll-C/Α码的载波跟踪环路对L2-P(Y)码的码跟踪环做载波辅助码，不仅降低了码环的动态，而且因为载波环路噪声比码环环路噪声低两个数量级，通过载波辅助码又能降低码环环路噪声，提高L2-P(Y)的码跟踪性能；Ll-P(Y)码解调出来的数据对L2-P⑴码做辅助，因为L2-P⑴和Ll-P⑴上的数据D以及W码完全相同，辅助相乘之后就消除了 W ? D码流的符号翻转影响，再加上Ll-C/Α码的载波多普勒辅助去除了 L2-P(Y)的多普勒动态，相干积分时间就能取的更长，从而获得足够的相干信噪比增益而降低环路跟踪门限，使得L2-P(Y)码能达到和Ll-C/Α码相同的跟踪性能。
[0011]同时，本发明通过判断Ll-C/Α码帧同步模块搜索出来的帧头，保证送给L2-P(Y)辅助的是正确积分值+W ? D，然后再通过接收机中L2-P(Y)的积分值符号来解决半周模糊问题，解决了当测量出的载波相位有半周模湖时，影响动态载波相位差分(RTK)的精度和整周模糊度固定解比率不高的问题。
[0012]综上所述，本发明通过LI对L2-P(Y)的载波多普勒辅助、数据辅助、时间辅助，保证了双频接收机中L2-P(Y)码的捕获和跟踪性能都和Ll-C/Α码的跟踪性能一致，提高了GPS双频跟踪接收机中L2-P(Y)码的捕获和跟踪性能，解决了因L2-P(Y)信号电平弱6dB以及平方损耗导致L2_P(Y)码的捕获跟踪性能不佳的问题，又解决了因Costas锁相环有180°的相位多值性导致的L2-P(Y)码载波相位测量半周模糊问题。
【附图说明】
[0013]下面结合附图和实施例对本专利进一步说明。
[0014]图1是本发明GPS双频接收机中通过LI辅助L2_P(Y)码跟踪的电路原理框图。
[0015]图2是本发明载波相位测量值半周模糊解除方法流程图。
【具体实施方式】
[0016]根据本发明，在载波相位测量半周模糊解除方法中，在保证Ll-P(Y)码具有和Ll-C/Α码相同跟踪性能的基础上，利用Ll-C/Α码的载波多普勒信息对L2-P⑴码进行载波频率捕获，再利用Ll-C/Α码提取的时间对L2-P(Y)码进行码相位捕获:让本地码相位超前于从Ll-C/Α码提取的时间，然后通过让本地码以半个码片间隔的逐次等待，当等待到本地码相位和输入信号的相位一致时成功捕获；捕获成功后切入跟踪过程:使用Ll-C/Α码的载波多普勒信息来辅助L2-P (Y)的载波跟踪和码跟踪，辅助频度为Ll-C/Α码的载波环路调整频度，消除掉L2-P(Y)的载波多普勒动态和码多普勒动态；同时利用Ll-P (Y)的积分值对L2-P(Y)进行辅助跟踪，消除掉L2-P(Y)信号里W ? D码流带来的数据翻转；通过判断Ll-C/A码帧同步模块搜索出来的帧头，使得送给L2-P(Y)辅助的是正确积分值+W ? D，然后再通过接收机中L2-P(Y)的积分值符号来解除载波相位测量半周模糊，具体步骤为:首先比较双频接收机中Ll-C/Α码帧同步模块搜索出来的帧头和GPS系统ICD帧头，如果不相同则对Ll-P (Y)积分值取反后去辅助L2-P (Y)，此时对Ll-C/Α码载波相位测量值进行减半周运算得到正确测量值，如果相同则直接用Ll-P⑴积分值去辅助L2-P⑴，此时Ll-C/Α码载波相位测量值为正确测量值；在保