专利名称：不损失跟踪信息的载波跟踪环路的动态切换的制作方法
技术领域：
本发明的领域是信号载波跟踪，更具体的是，涉及在不损失跟踪信息情 况下载波跟踪环路的动态切换。
背景技术：
一种机械紧固件(例如，MS9880)拟用于建筑市场。 一种安装在推土机铲刀 每端的支柱上的装置。利用RTK,可以确定推土机的位置以及铲刀的空间方位 角。该信息用于更新操作者对基于建筑地盘的测绘所需调平的要求。
尽管推土机本身不会快速移动，但推土机铲刀似乎很重要，当其撞击掩埋 的石块或用于挖地时作短期动态活动。 一种机械紧固件(例如，MS9880),安 装在推土机铲刀每端的支柱上并承受有效动力，它们中的一些藉由支柱本身的 可挠性被增强。更特别的是，开发期间安装在MS980装置上的加速计，估计操 作时超过300 gm/s2的冲击脉冲。短时间加速会因此出现严重的颠簸行进的情 况。
常规的跟踪方法原本是为了静态接收器在出现动态时实现不平稳的情况 而设计的。
需要一种能够在出现动态特性时可靠执行的新跟踪技术。
发明内容
本发明揭示了一种无线电接收器，它包括多个载波跟踪环路。本发明还揭 示了一种动态切换多个载波跟踪环路,以优化出现动态特性时的接收器性能。
本发明的一个方面涉及一种无线电接收器内多个载波环路的动态切换方 法。每个频道包括多个载波跟踪环路，每个载波跟踪环路被配置成跟踪射频源。 每个载波跟踪环路具有预定累积周期。
在一实施方式中，本发明的方法包括以下步骤(A)通过使用载波跟踪环
路从射频源接收无线电信号；(B)大致上持续地估计接收自射频源的无线电信 号的信噪比(SNR); (C)如果接收自射频源的无线电信号的信噪比(SNR)高于初 始预定阈值，则由具有初始累积周期的初始载波跟踪环路执行接收到的载波信 号的载波跟踪；以及(D)如果接收自射频源的无线电信号的信噪比(SNR)降到低 于初始预定阈值，则从具有初始累积周期的初始载波跟踪环路切换成具有后续 累积周期的后续载波跟踪环路，并由具有后续累积周期的后续载波跟踪环路执 行接收到的载波信号的载波跟踪。当动态特性发生变化时最好重复上述步骤 (B-D)。
在本发明的一实施方式中,步骤(A)还包括以下步骤(Al)跟踪接收到的无 线电信号的射频源，其中射频源从由{ GPS卫星；GLONASS卫星；GALILEO 卫星；以及伪卫星}组成的组中选出。
在本发明的一实施方式中，步骤(B)还包括以下步骤(Bl)大致上持续地估 计接收自射频源的无线电信号的信噪比(SNR);以及(B2)基于估计的信噪比 (SNR),选择具有初始累积周期的初始载波跟踪环路。
在本发明的一实施方式中，步骤(B2)进一步包括以下步骤(B2， l)如果估 计的信噪比(SNR)高于第一预定阈值，则选择具有第一累积周期的第一载波跟 踪环路来实现具有初始累积周期的初始载波跟踪环路。
在本发明的一实施方式中，步骤(B2)进一步包括以下步骤(B2， 2)如果估 计的信噪比(SNR)降到低于第一预定阈值但高于第二预定阈值，则选择具有第 二累积周期的第二载波跟踪环路来实现具有初始累积周期的初始载波跟踪环 路。
在本发明的一实施方式中，步骤(B2)进一步包括以下步骤(B2， 3)如果估 计的信噪比(SNR)降到低于第二预定阈值但高于第三预定阈值，则选择具有第 三累积周期的第三载波跟踪环路来实现具有初始累积周期的初始载波跟踪环 路。
在本发明的一实施方式中，步骤(C)还包括以下步骤(Cl)通过使用图像抑 制混频器(Image Rejection Mixer),对接收到的无线电信号的I和Q采样与由载 波NCO产生的本地载波副本的I和Q组分执行标准正交混频操作(quadrature mixing operation),以产生I和Q基带采样；(C2)通过代码跟踪环路，使I和Q基
带采样与和接收到的无线电信号对准的代码信号的本地副本相关联，以产生I
和Q关联信号；(C3)将I和Q关联信号累积超过一段时间T; (C4)通过使用I 和Q累积信号来计算原始载波跟踪误差信号；(C5)通过使用环路滤波器滤波原 始载波跟踪误差信号，以获得经滤波的载波跟踪误差信号；(C6)将环路延迟t (loop delay t )插入经滤波的载波跟踪误差信号，以产生反馈误差信号；其中 环路延迟t表示载波跟踪环路的等待时间(latency);以及(C7)通过将反馈误差 应用到载波NCO的输入来闭合载波跟踪环路，以控制本地载波信号的频率。
在本发明的一实施方式中，将环路延迟插入经滤波的载波跟踪误差信号 的步骤(C6)进一步包括以下步骤(C6, l)将所述环路延迟控制为固定周期，以 使得与无线电频道内的多个载波跟踪环路的切换相关的瞬态噪声减至最小。
在本发明的一实施方式中，将环路延迟插入经滤波的载波跟踪误差信号 的步骤(C6)进一步包括以下步骤(C6, 2)从由{环路更新；第一跟踪环路的累 积周期；第二跟踪环路的累积周期；第三跟踪环路的累积周期)组成的组中选 择环路延迟。
在本发明的一实施方式中，从具有初始累积周期的初始载波跟踪环路切 换成具有后续累积周期的后续载波跟踪环路的步骤(D)还包括以下步骤(Dl) 将环路滤波器建模成三阶数字滤波器；其中三阶数字滤波器的分子包含先前载 波跟踪误差记忆；而三阶数字滤波器的分母包含用于更新载波NCO的先前环 路输出记忆；(D2)估计信噪比(SNR),并基于估计的信噪比(SNR)选择后续载波 跟踪环路；其中后续载波跟踪环路包括相应于估计的信噪比(SNR)的最短累积 周期；(D3)校验所选的载波环路是否不同于目前所用的环路；以及(D4)如果所 选的载波环路不同于目前所用的环路，则将分子项重置为0,并将分母项设定 为等于环路滤波器的最后输出值。
本发明的另 一方面涉及无线电接收器内多个载波环路的动态切换装置。 在一实施方式中，本发明的装置包括(A)用于接收来自射频源的无线电 信号的装置；(B)大致上持续地估计接收自射频源的无线电信号的信噪比(SNR) 的装置；(C)用于执行所接收载波信号的载波跟踪的装置；以及(D)用于从具有 初始累积周期的初始载波跟踪环路切换为具有后续累积周期的后续载波跟踪 环路的装置。
在本发明的一实施方式中，装置(A)还包括自射频源接收无线电信号的 接收装置(A1)。
在本发明的一实施方式中，装置(A1)进一步包括被配置成跟踪接收到的 信号的射频源的接收装置(Al, 1)，其中射频源选自由{ GPS卫星；GLONASS 卫星；GALILEO卫星；以及伪卫星}组成的组。
在本发明的一实施方式中，装置(B)还包括基于估计的信噪比(SNR),选 择具有初始累积周期的初始载波跟踪环路的装置(B1)。
在本发明的一实施方式中，装置(B1)进一步包括如果估计的信噪比 (SNR)高于第一预定阈值，则选择具有第一累积周期的第一载波跟踪环路来实 现具有初始累积周期的初始载波跟踪环路的装置(Bl, 1)。
在本发明的一实施方式中，装置(B1)进一步包括如果估计的信噪比 (SNR)降到低于第一预定阈值但高于第二预定阈值，则选择具有第二累积周期 的第二载波跟踪环路来实现具有初始累积周期的初始载波跟踪环路的装置(Bl,
2) 。
在本发明的一实施方式中，装置(B1)进一步包括如果估计的信噪比 (SNR)降到低于第二预定阈值但高于第三预定阈值，则选择具有第三累积周期 的第三载波跟踪环路来实现具有初始累积周期的初始载波跟踪环路的装置(B1，
3) 。
在本发明的一实施方式中，装置(C)还包括具有初始累积周期的初始载 波跟踪环路(C1)，它被配置为执行所接收载波信号的载波跟踪。
在本发明的一实施方式方案中,装置(C)还包括使本地载波信号与所接收 的载波信号对准的锁相环路(C2)。
在本发明的一实施方式中，装置(C)还包括执行接收到的无线电信号的I 和Q采样与由载波NCO产生的本地载波副本的I和Q组分的标准正交混频操 作，以产生I和Q基带采样的装置(C3);用于使I和Q基带采样与和接收信号 对准的代码信号的本地副本相关联，以产生I和Q关联信号的装置(C4);将I 和Q关联信号累积超过一段时间T的的装置(C5);通过使用I和Q累积信号计 算原始载波跟踪误差信号的装置(C6);通过使用环路滤波器滤波原始载波跟踪 误差信号以获得经滤波的载波跟踪误差信号的装置(C7);将环路延迟T (loop
delay t )插入经滤波的载波跟踪误差信号以产生反馈误差信号的装置(C8);其 中环路延迟t表示载波跟踪环路的等待时间(latency);以及通过将反馈误差应 用到载波NCO的输入来闭合载波跟踪环路，以控制本地载波信号的频率的装 置(C9)。
在本发明的一实施方式中，装置(C3)进一步包括图像抑制混频器(C3， 1), 它被配置成执行接收到的无线电信号的I和Q采样与由载波NCO产生的本地 载波副本的I和Q组分的标准正交混频操作，以产生I和Q基带采样。
在本发明的一实施方式中，装置(C4)进一步包括代码跟踪环路(C4， 1)， 用于使I和Q基带采样与和接收信号对准的代码信号的本地副本相关联，以 产生I和Q关联信号。
在本发明的一实施方式中，装置(C7)进一步包括环路滤波器(C7， 1)，用 于滤波原始载波跟踪误差信号以获得经滤波的载波跟踪误差信号。
在本发明的一实施方式中，装置(C8)进一步包括用于将环路延迟控制为 固定周期，以使得与无线电频道内的多个载波跟踪环路的切换相关的瞬态噪声 减至最小的装置(C8， 1)。
在本发明的一实施方式中，装置(C8)进一步包括从由{环路更新；第一 跟踪环路的累积周期；第二跟踪环路的累积周期；第三跟踪环路的累积周期} 组成的组中选择环路延迟的装置(C8， 2)。
在本发明的一实施方式中，装置(D)还包括三阶数字滤波器(D1);其中三 阶数字滤波器的分子包含先前载波跟踪误差记忆；而三阶数字滤波器的分母包 含用于更新所述载波NCO的先前环路输出记忆；用于估计信噪比(SNR)的装置 (D2);基于估计的信噪比(SNR)选择后续载波跟踪环路的装置(D3);其中后续 载波跟踪环路包括相应于估计的信噪比(SNR)的最短累积周期；以及如果所选 的载波环路不同于目前所用的环路，则将分子项重置为0,并将分母项设定为 等于环路滤波器的最后输出值的装置(D4)。
在本发明的一实施方式中，装置(D1)进一步包括实现三阶数字滤波器的 软件程序(Dl, 1);其中三阶数字滤波器的分子包含先前载波跟踪误差记忆；而 三阶数字滤波器的分母包含用于更新所述载波NCO的先前环路输出记忆。
本发明的上述优点以及其它优点，将透过下文参照附图对优选实施方式 作出的详细描述会变得更显而易见。
图1示出用于动态切换无线电接收器内多个载波环路的本发明装置。
图2示出用于本发明目的的1毫秒(ms)环路，5毫秒(ms)环路及10毫秒(ms) 环路之间的理论切换阈值，以及用于10毫秒(ms)跟踪环路的最小CNR。
具体实施例方式
现在将详细述及本发明的优选实施方式，参照附图对所举例子进行说明。 本发明是以优选的实施方式方式作出描述，应当理解，这并非旨在将本发明限 定在这些实施方式中。相反，本发明旨在涵盖可以包括在本发明保护范围内由 权利要求所限定的变型，改进以及等同物。而且，在下文对本发明的详细描述 中涉及大量的细节，是为了全面理解本发明。当然，这对本领域的普通技术人 员是显而易见的，没有这些细节，本发明也是可以实施的。在其它情况下，熟知 的各种方法，过程，部件/组分以及电路没有作详细描述，因为没必要混淆本发 明的方面。
在一实施方式中，图1示出本发明的装置10,它用于动态切换无线电接收 器内多个载波环路。对信号动态特性的代码跟踪本质上是更为稳健的(相比载 波跟踪)。因此，装置10利用标准现有技术的代码跟踪功能(图中未示出)。
通过装置10的射频(RF)部分18,在同相(1)12和正交相位移(Q)14组分中 对输入无线电信号16采样。在本发明的一实施方式中，无线电接收器被配置成 跟踪所接收无线电信号的射频源，其中射频源选自由{ GPS卫星;GLONASS卫 星；GALILEO卫星；以及伪卫星}组成的组。
全球导航卫星系统(GNSS)是通用的专门术语，它包含以下系统GPS,或
GLONASS,或GALILEO,或是GPS， GLONASS和GALILEO各系统的任何组 合。
全球定位系统(GPS)是一种发射信息的卫星信号发送系统，通过该系统， 观察者的当前位置和/或观察时间能够被确定。另一种称之为全球轨道导航系统 (GLONASS)的星基导航系统，能够用作为替代式或补充式系统。
美国国防部(DOD)在其NAVSTAR卫星程序下开发了 GPS。 一个完全操 作的GPS包括多于24颗环地轨道卫星，围绕6条圆形轨道大致均匀地散布，每 条轨道上有4颗卫星，其轨道相对赤道倾斜55度，且各轨道彼此的间隔为60 度经度的倍数。轨道半径为26,560公里，近似圆形。轨道与地球的相对位置保 持不变，轨道时间间隔为0.5恒星日(11.967小时)，因此，卫星相对下面的地球 定时移动。一般来说，从地球表面的很多地点可以看见4颗或更多的GPS卫星， 这可用于确定地球表面任何地方的观察者的位置。每颗卫星携带铯或铷原子钟， 为卫星发送的信号提供定时信息。每个卫星时钟都设有内部时钟校正。
每颗GPS卫星连续地发射两种扩频，L-波段载波信号频率为fl=1575.42 MHZ (大约19厘米载波波长)的Ll信号以及频率为￡2=1227.6 MHZ (大约24 厘米载波波长)的L2信号。这两种频率是fl=l，540 f0和f2=l,200 f0的整数倍， 基频f0=1.023 MHz。来自每颗卫星的Ll信号是由两种伪随机噪声(PRN)代码 以90 °相位差调制的二位相移键控(BPSK),称为C/A-码和P-码。来自每颗卫 星的L2信号是仅由P-码调制的BPSK。这些PRN的性质以及产生C/A-码和 P-码的认可方法提供在以下文献中[ICD-GPS-200: GPS Interface Control Document, ARINC Research, 1997， GPS Joint Program Office],将其全文引述到 这里作为参考。
GPS卫星比特流包括GPS卫星发射星历上的航行信息(包括发送的后续几 小时内有关发射卫星的轨道信息)以及GPS卫星的天文年历(包括有关所有卫星 的较少细节的轨道信息)。发射的卫星信息还包括为电杂层信号传播延迟(适用 于频率接收器)以及为卫星时钟时间和真实GPS时间之间的偏移时间提供较正 的参数。航行信息以50波特速率发射。
另一个星基导航系统是全球轨道导航卫星系统(GLONASS)，是前苏联布 设在轨道中的，目前由俄罗斯共和国维护。GLONASS使用24颗卫星，大致均 匀地分布在3个轨道平面中，每个轨道平面有8颗卫星。每个轨道平面相对地 球额定倾斜64.80度，3个轨道平面彼此间的间隔为1200经度的倍数。 GLONASS卫星的圆形轨道的半径约为25,510公里，卫星的回绕周期为8/17恒 星日(11.26小时)。GLONASS卫星和GPS卫星因此分别环绕地球每8天完成 17和16次回绕。GLONASS系统使用两种载波信号Ll，频率为fl=(1.602+9k/16)
GHz,和L2,其频率为G=(1.246+7k/16) GHz,其中k=(l, 2,…24)是频道或卫 星数量。这些频率的波带为1.597-1.617 GHz (Ll)和1,240-1,260 GHz (L2)。 LI 信号由C/A-码(码片速率-0.511 MHz)和P-码(码片速率-5.11 MHz)调制。L2信 号目前仅由P-码调制。GLONASS卫星还以50波特速率发射航行数据。由于 频道频率可彼此识别，因此每颗卫星的P-码相同，C/A-码相同。接收和解调 GLONASS信号的方法类似于使用GPS信号的方法。
如欧洲委员会在『欧洲运输政策2010年白皮书』中所透露，欧盟将开发 独立的卫星导航系统"伽利略"作为全球导航卫星基础设施(GNSS)的一部分。
伽利略(GALILEO)系统以30颗卫星群及地面站作为基础，在多方面提供 有关用户的位置信息，例如运输(车辆位置，路由搜索，速度控制，导向系统, 等)，社会服务(例如帮助伤残人士或长者)，司法系统和海关业务(嫌疑犯的位 置，边境控制)，公共建设工程(地理信息系统)，搜救系统，或休闲(海中或山中 的方位测定，等)。
GALILEO将提供几种服务级别，以下为由开放式访问至限制访问多种不 同的级别
(A) 开放式免费基础服务，主要包括一般公众的应用及一般兴趣的服务。 这种服务比得上民用GPS所提供的服务，这些应用都是免费的，但质量有改进 且可靠。
(B) 商用服务，其有利于专业应用的发展，相比基础服务其性能有所加强, 尤其是服务保证方面。
(C) "至关重要"的服务(生命安全服务)，具有很高的质量及安全关键应 用完整性，例如航空及海运。搜寻与救援服务比现有救援服务大为改进。
(D) 公共规范服务(PRS),具加密及抗干扰能力，主要为政府当局留用，负 责保护公民、国家安全及法律实施，要求高级别连续性。它能够保护将在欧盟 开发的应用，并将特别证明它对于改进欧盟用于防止非法出口和非法移民的设 备会是一个重要的工具。
在服务套餐特性被决定之前，尚需确定将来GALILEO使用者的真实需 要。各种标准化研究所和国际机构，例如国际民间航空组织，国际海事组织, 等，已完成了这方面的研究。
GALILEO服务范围为迎合实际目标和展望而设计，改善城市环境中开放 式访问的覆盖率(要覆盖95%的城区，相比目前单由GPS覆盖50。/。的城区而言)， 这将使欧洲1亿6仟万辆私家车受益，或是允许"室内"使用卫星导航应用软 件，例如在大厦内，甚至隧道内，甚或是基于识别呼叫者位置的移动电话服务。
这里涉及的RADPS引用全球定位系统，全球轨道导航卫星系统； GALILEO系统；以及任何其它提供信息的可兼容的全球导航卫星系统(GNSS) 星基系统，通过该系统，观察者的位置及观察时间能够被确定，它们全都符合 本发明的要求；以及地基无线电定位系统，诸如，含有一或多个伪卫星发射器 的系统。
RADPS接收器藉由解调发送的星历参数来确定i-th RADPS卫星的坐标后， RADPS接收器可就其未知的坐标(xO, y0, zO)以及未知的时间偏移误差获得联 立方程组的解决方案。RADPS接收器还可确定移动平台的速度。
伪卫星包括以任何调频操作的地基无线电定位系统，所述频率包括但不 限于GPS频率和ISM(工业安全手册)未经当局许可的操作波段，包括900 MHZ, 2.4 GHz,或5.8 GHz波段的ISM频带，或以无线电定位波段操作，诸如 (9.5-10) GHz波段。通过増加准确度，完整性及有效性，可用伪卫星来増强 GPS。
用GPS频带的伪卫星发射器的完整描述可在下述期刊中找到:Bradford W. Parkinson和James J. Spilker Jr.编辑的"全球定位系统应用理论；巻II",以 及
美国航空航天学会(AIAA)于1966年"PROGRESS IN ASTRONAUTICS AND AERONAUTICS"巻164中的发表。
尽管相同的方法可用于GLONASS接收器，GPS/GLONASS合成接收器， GALILEO接收器，或任何其它RADPS接收器，但以下的讨论集中于GPS接收 器。
仍然参见图1, GPS载波的本地副本(本地副本是指GPS接收器内部产生的 信号)的122和Q24组分是由NCO20产生的，并用于使112和Q14采样在图像 载波抑制混频器26中混频降至基带(O赫兹)。
本发明的装置IO(见图l)使用锁相环路，将NCO20产生的本地载波的I22
和Q24组分与所接收载波的112和Q14组分对准(align)。由于本地载波与所接 收载波在成功锁相时对准，本地载波的相位测量也会提供所接收载波的相位。 相位跟踪是RTK的要求。
更具体地，仍参见图1，在本发明的一实施方式中，装置IO包括图像载波 抑制混频器26，用于执行所接收信号16的112和Q14采样与载体NCO20产生 的本地载波副本122和Q24组分的标准正交混频操作，以产生128和Q30基带 采样。
在本发明的一实施方式中，装置10还包括I关联器32,用于使I基带采样 28与代码信号的本地复制相关联，以产生I关联信号33，所述代码信号与接收 的无线电信号对准;Q关联器34,用于使Q基带采样30与代码信号的本地复制 相关联，所述代码信号与接收的无线电信号对准，以产生Q关联信号35。
更特别的是，接收的和本地的载波之间的相误差可从相关联的已知PN码 获得，所述PN码用于带有I28和Q30基带信号的特定卫星。代码跟踪环路(图 中未示)处理接收的和本地的PN码副本之间的对准。简单的数学等式如下 I基带=A.cos("t+ V) (等式l) Q基带=A.sin(vt+ V) (等式2) 其中A为信号幅度，co为跟踪误差信号的频率，V为跟踪误差信号的相位。
仍参见图l,在本发明的一实施方式中，装置10还包括:I累积器36，用于 累积I关联信号33超过一段时间T，以及Q累积器38,用于累积Q关联信号 35超过相同的一段时间T。
在本发明的一实施方式中，装置10还包括arctan (Q/I)装置44,该装置利 用140和Q42累积信号来计算原始载波跟踪误差信号45。假设频率误差为0，则 相误差为
V 二arctan(Q基带/I基带) (等式3)
根据(Eq. 3),如果载波跟踪置所有信号能量于I-相基带采样中，则可获得 最小相误差(O)。
仍参见图l,在本发明的一实施方式中，装置10还包括环路滤波器46,用 于滤波原始载波跟踪误差(相误差)信号45,以获得经滤波的载波跟踪误差信号
47。
在本发明的一实施方式中，装置10还包括环路延迟块48,用于将环路延 迟t插入经滤波的载波跟踪误差信号47中，以产生反馈误差信号50。环路延 迟t表示载波跟踪环路的等待时间。
反馈误差信号50用于更新产生本地载波复制的数字NC020,所述本地载
波复制被锁相至接收器载波信号。
在常态跟踪操作期间，使代码相关性累积超过20毫秒(ms)， 一个GPS数 据比特。经滤波的载波跟踪误差和载波NCO也是这样被更新。在没有首次移 动数据比特的情况下，较长时间的累积是不可能的。而较短时间的累积则是可 能的，但是由arctan (Q/I)块44产生的误差信号45中有能量减少的损失，因此 使得跟踪环路更敏感而发出噪声，而因此限制可跟踪的信号。
在静态情况下，20毫秒累积是较佳的。然而，当在动态情况下，接收的载 波发生变化，该变化比能被锁相环路探测到并解析的变化更快。至于本地载波, 可见接收的信号使能量围绕I和Q基带釆样循环。结果是，由arctan (Q/I)块44 执行计算变得非常吵，而且可能导致不良的信号跟踪，甚至信号解锁。
一种处理动态増强的技术可用于较短累积周期。较短累积周期允许有较快 的环路更新率，对动态的快速反应以及在累积周期间I和Q基带采样的更小效 应的循环。这就是当前发明中使用的方法。
易于为GPS达成的较短累积周期是1毫秒，这是C/A代码周期。具有1 毫秒累积周期的载波跟踪环路提供的更新比具有20毫秒累积周期的标准载波 跟踪环路快20倍。但是，如果由具有1毫秒累积周期的载波跟踪环路来执行载 波跟踪，与由具有20毫秒累积周期的标准载波跟踪环路执行的载波跟踪相比， 前者产生的信噪比(SNR)比后者的低20倍。这会有13犯的损耗。因此，使用 具有l毫秒累积周期的载波跟踪环路执行的载波跟踪，与使用具有20毫秒累积
周期的标准载波跟踪环路执行的载波跟踪相比，会导致噪声测量，并増加较低 的可跟踪信号的CNR(规范至1赫兹带宽的SNR)界限。
为了克服这种缺陷，在本发明的一实施方式中，装置10使用3个独立的载 波跟踪环路，每个环路具有不同的累积周期。
在本发明的一实施方式中，所述3个载波跟踪环路是(A) 1毫秒环路；(B)
5毫秒环路；以及(C) 10毫秒环路。1毫秒环路具有最佳动态性能，但需要高 SNR来操作。5毫秒环路提供良好的动态性能，需要中等SNR来操作。10毫 秒环路具有较低动态性能，但却能在低SNR信号上进行操作。
对于特定信号，每次只有一个环路进行操作。软件基于接收的CNR中的 变化动态切换环路。
如图2所示，理论切换阈值大致为以下1毫秒环路82和5毫秒环路84 之间的88CNR阈值40 dB; 5毫秒环路84和10毫秒环路86之间的90CNR阈 值35 dB;将由10毫秒跟踪环路86跟踪的信号的92CNR较低界限30 dB。
在本发明的一实施方式中，基于最近估计的CNR选择将用于下一次累积 的跟踪环路。有需要执行环路间的切换。
然而，图2的理论阈值88，90和92不能用于实践中，这是因为动态导致跟 踪过程中须被估计的额外噪声。例如，用于MS980设备的阈值比理论阈值88, 90和92大3至4dB。
图2的理论阈值88, 90和92还包括成为阈值组成部分的2 dB滞后。因此, 对于待升级至带有较短周期的跟踪环路的当前所用环路，CNR必须是高于 CNR所需的2 dB,使当前所用的环路降级到带有较长周期的跟踪环路。这样做 是为了防止环路在CNR接近其中一阈值时快速切换。
本发明的装置IO(图l)应该在没有重大瞬变的情况下平稳地切换不同的环 路。确实，瞬变会导致周跳(导致卫星移动，因此需要额外处理暂时来自RTK 解决方案的跟踪跳变，把它再"固定"回到解决方案中)，会导致数据损失，或 会导致跟踪解锁。
在本发明的一实施方式中，装置IO(图l)利用硬件实现的1毫秒累积块36 和38,并通过实现软件中其它环路所需的累积逾5毫秒和10毫秒，来平稳地切 换不同的环路，而不会有重大瞬变的情况发生。
在本发明的一实施方式中，装置10(图1)包括连接在环路滤波器输出47之 间的环路延迟块48。环路延迟块48更新NC020。需要环路延迟t ,考虑将累 积器输出读入软件的等待时间以及由arctan (Q/I)块44和环路滤波器46取得 的时间，以执行必要的计算。
环路延迟块48形成图1的装置10的锁相环路的部分闭环传递函数。如果
允许延迟不受时间控制地或在跟踪频道间作出改变，则每个跟踪环路将显示出 非期望的，不同的以及未建模的状态。因此，为控制这种延迟期，关键是本发明 装置IO(图l)的机能。确实，控制延迟期可使得在最小限度的瞬变情况下切换 不同的跟踪环路。
正常控制GPS跟踪软件，以使环路延迟T为固定周期。
在本发明的一实施方式中，环路延迟T被标准化为T值，等于跟踪环路 的累积周期(和更新期)。
软件限制的意思是，用于1毫秒环路的最小的环路延迟是1毫秒。最佳的
5毫秒环路延迟应该用于5毫秒环路，最佳的10毫秒环路延迟应该用于10毫 秒环路。用于全部三个环路的普通标准化环路延迟T(用于1毫秒环路的T=l 毫秒；用于5毫秒环路的丁=5毫秒；用于10毫秒环路的丁=10毫秒)，会导致全 部三个跟踪环路有类似的死循环Z域表现(representation)。全部三个环路的死 循环Z域表现的类似性会使得在最小瞬变情况下平稳地切换环路。环路设计中 其它的类似性要求是每个环路的死循环宽带必须是相同的。
另一方面，全部三个环路使用相同的1毫秒环路延迟，会使得所有环路的 更新更快，而且会稍微达到5毫秒和IO毫秒环路的较佳动态性能。然而，按照 它们Z域表现的环路延迟差异(l毫秒环路为T, 5毫秒为T/5, 10毫秒为T/10), 可能会在执行环路切换时导致重大的瞬变。
仍参见图1,在本发明的一实施方式中，通过使用而实现的环路滤波器46 是标准的三阶数字滤波器。可将之表述如下
H(z)=(a2.z-2 + al .z-1 + a0) / (b2.z-2 + b 1 .z-1 + b0) (Eq. 4)
其中，ax和bx是环路系数。
分子含有先前载波跟踪误差记忆。分母含有先前环路输出记忆(用于更新 载波NCO的数值)。只要计算了新的CNR值，跟踪软件就会选择最佳跟踪环路, 该跟踪环路具有用于特定CNR的最短周期。所选环路使用至下一次环路闭合。
如果所选环路不同于目前所使用的环路，跟踪软件则应执行额外的任务， 在最小瞬变的情况下去切换环路。基本上这需要两个操作:(1)将分子项重置为 0,从而清除之前相误差的滤波器记忆；(2)将分母项全部设置为等于滤波器的 最后输出值，从而清除之前输出的滤波器记忆，同时保持所需信号频率的最佳
现行估计值，以维持锁相。对所有环路切换执行这两个操作。可将三个环路中
任一个切换为任一个其它环路。随着CNR的变化，除了在每次切换后的短时 间外，环路切换可以在任何时候发生，以让新环路稳定。
本发明的一个方面涉及无线电接收器内多个载波环路的动态切换方法。 在一实施方式中，本发明的方法包括以下步骤(图中未示)(A)利用载波跟 踪环路接收来自射频源的无线电信号；(B)大致连续地估计接收自射频源的无 线电信号的信噪比(SNR); (C)如果接收自射频源的无线电信号的信噪比(SNR) 高于初始预定阔值，由具有初始累积周期的初始载波跟踪环路执行所接收载波 信号的载波跟踪；以及(D)如果接收自射频源的无线电信号的信噪比(SNR)降到 低于初始预定阈值，从具有初始累积周期的初始载波跟踪环路切换成具有后续 累积周期的后续载波跟踪环路，并由具有后续累积周期的后续载波跟踪环路执 行所接收载波信号的载波跟踪。当动态特性发生变化时最好重复上述步骤 (B-D)。
在本发明的一实施方式中，所述步骤(A)进一步包括步骤(Al)跟踪接收到 的无线电信号的射频源，其中，射频源从由(GPS卫星；GLONASS卫星; GALILEO卫星；以及伪卫星}组成的组中选出。
在本发明的一实施方式中，所述步骤(B)还包括以下步骤(Bl)大致上持续 地估计接收自射频源的无线电信号的信噪比(SNR);以及(B2)基于估计的信噪 比(SNR),选择具有初始累积周期的初始载波跟踪环路。
在本发明的一实施方式中，所述步骤(B2)进一步包括以下步骤(B2, l)如 果估计的信噪比(SNR)高于第一预定阈值，选择具有第一累积周期的第一载波 跟踪环路来实现具有初始累积周期的初始载波跟踪环路。
在本发明的一实施方式中，所述步骤(B2)进一步包括以下步骤(B2, 2)如 果估计的信噪比(SNR)降到低于第一预定阈值但高于第二预定阈值，选择具有 第二累积周期的第二载波跟踪环路来实现具有初始累积周期的初始载波跟踪 环路。
在本发明的一实施方式中，所述步骤(B2)进一步包括以下步骤(B2， 3)如 果估计的信噪比(SNR)降到低于第二预定阈值但高于第三预定阈值，选择具有 第三累积周期的第三载波跟踪环路来实现具有初始累积周期的初始载波跟踪
环路。
在本发明的一实施方式中，所述步骤(C)还包括以下步骤(Cl)利用图像 抑制混频器(Image Rejection Mixer),对接收到的无线电信号的I和Q采样与由 载波NCO产生的本地载波副本的I和Q组分执行标准正交混频操作，以产生I 和Q基带采样；(C2)通过代码跟踪环路，使I和Q基带采样与代码信号的本地 副本相关联，所述代码信号与接收到的无线电信号对准，以产生I和Q关联信 号；(C3)将I和Q关联信号累积超过一段时间T; (C4)利用I和Q累积信号来计 算原始载波跟踪误差信号；(C5)利用环路滤波器滤波所述原始载波跟踪误差信 号，以获得经滤波的载波跟踪误差信号；(C6)将环路延迟t (loop delay t )插 入经滤波的载波跟踪误差信号，以产生反馈误差信号；其中所述环路延迟t表 示载波跟踪环路的等待时间(latency);以及(C7)藉由将反馈误差应用到载波 NCO的输入来闭合载波跟踪环路，以控制本地载波信号的频率。
在本发明的一实施方式中，所述将环路延迟插入经滤波的载波跟踪误差 信号的步骤(C6)进一步包括以下步骤(C6， l)将所述环路延迟控制为固定周期, 以使得与无线电频道内的多个载波跟踪环路的切换相关的瞬态噪声减至最小。
在本发明的一实施方式中，所述将环路延迟插入经滤波的载波跟踪误差 信号的步骤(C6)进一步包括以下步骤(C6， 2)从由{环路更新；第一跟踪环路 的累积周期；第二跟踪环路的累积周期；第三跟踪环路的累积周期}组成的组 中选择环路延迟。
在本发明的一实施方式中，从具有初始累积周期的初始载波跟踪环路切 换成具有后续累积周期的后续载波跟踪环路的步骤(D)进一步包括以下步骤: (Dl)将环路滤波器建模成三阶数字滤波器；其中三阶数字滤波器的分子包含先 前载波跟踪误差记忆；而三阶数字滤波器的分母包含用于更新所述载波NCO 的先前环路输出记忆；(D2)估计信噪比(SNR)，基于估计的信噪比(SNR)选择后 续载波跟踪环路；其中所述后续载波跟踪环路包括相应于所述估计的信噪比 (SNR)的最短累积周期；(D3)校验所选的载波环路是否不同于目前所用的环路; 以及(D4)如果所选的载波环路不同于目前所用的环路，将分子项重置为0,并 将分母项设成等于环路滤波器的最后输出值。
上文描述的本发明的具体实施方式
已呈现出来，是为了说明及描述。这些
具体实施方式
并非穷举，也不是为限制本发明而作的准确形式的公开。明显地， 根据上文的教导，作出很多改进和变型是可能的。所选择和描述的实施方式是 为了更好地解释本发明的原理及其实施应用，由此使本领域的其他技术人员能 够利用本发明，用各种改进作出各种各样的实施，应视为与预期的具体使用相 称。本发明旨在通过本文附加的权利要求及其等同物来限定本发明的保护范 围。
权利要求
1.一种无线电接收器内多个载波环路的动态切换方法，每个所述频道包括多个载波跟踪环路；每个所述载波跟踪环路被配置为跟踪射频源；每个所述载波跟踪环路具有预定累积周期；所述方法包括以下步骤(A)通过使用所述载波跟踪环路接收来自所述射频源的无线电信号；(B)大致连续地估计接收自所述射频源的所述无线电信号的信噪比(SNR)；(C)如果接收自所述射频源的所述无线电信号的所述信噪比(SNR)高于初始预定阈值，由具有初始累积周期的初始载波跟踪环路执行所述接收到的载波信号的载波跟踪；以及(D)如果接收自所述射频源的所述无线电信号的所述信噪比(SNR)降到低于所述初始预定阈值，则从具有所述初始累积周期的所述初始载波跟踪环路切换成具有后续累积周期的后续载波跟踪环路，并由具有所述后续累积周期的所述后续载波跟踪环路执行所述接收到的载波信号的载波跟踪。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括以下步骤(E) 重复所述步骤(B-D)。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(A)还包括以下步骤 (Al)跟踪所述接收到的无线电信号的所述射频源，其中所述射频源选自由{ GPS卫星；GLONASS卫星；GALILEO卫星；以及伪卫星}组成的组。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(B)还包括以下步骤 (Bl)大致上连续地估计接收自所述射频源的所述无线电信号的所述信噪比(SNR);以及(B2)基于所述估计的信噪比(SNR),选择具有所述初始累积周期的所述初 始载波跟踪环路。
5. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(B2)进一步包括以下步骤(B2, l)如果所述估计的信噪比(SNR)高于第一预定阈值，则选择具有第一 累积周期的第一载波跟踪环路来实现具有所述初始累积周期的所述初始载波 跟踪环路。
6. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(B2)进一步包括以下步骤(B2， 2)如果所述估计的信噪比(SNR)降到低于所述第一预定阈值但高于第 二预定阈值，则选择具有第二累积周期的第二载波跟踪环路来实现具有所述初 始累积周期的所述初始载波跟踪环路。
7. 如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤(B2)进一步包括以下步骤(B2, 3)如果所述估计的信噪比(SNR)降到低于所述第二预定阈值但高于第 三预定阈值，则选择具有第三累积周期的第三载波跟踪环路来实现具有所述初 始累积周期的所述初始载波跟踪环路。
8. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(C)还包括以下步骤 (Cl)通过使用图像抑制混频器，对所述接收到的无线电信号的I和Q采样与由载波NCO产生的本地载波副本的I和Q组分实现标准正交混频操作，以 产生I和Q基带采样；(C2)通过代码跟踪环路，使所述I和Q基带采样与和所述接收到的无线电 信号对准的代码信号的本地副本相关联，以产生I和Q关联信号；(C3)将所述I和Q关联信号累积超过一段时间T;(C4)通过使用所述I和Q累积信号来计算原始载波跟踪误差信号；(C5)通过使用环路滤波器滤波所述原始载波跟踪误差信号，以获得经滤波 的载波跟踪误差信号；(C6)将环路延迟t插入所述经滤波的载波跟踪误差信号，以产生反馈误差信号；其中所述环路延迟t表示所述载波跟踪环路的等待时间；以及(C7)通过将所述反馈误差应用到所述载波NCO的输入来闭合所述载波跟 踪环路，以控制所述本地载波信号的频率。
9. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述环路延迟t插入所述经 滤波的载波跟踪误差信号的所述步骤(C6)进一步包括以下步骤(C6， l)将所述环路延迟控制为固定周期。
10. 如权利要求8所述的方法，其特征在于，将所述环路延迟t插入所 述经滤波的载波跟踪误差信号的所述步骤(C6)进一步包括以下步骤 (C6, 2)从由{环路更新；所述第一跟踪环路的累积周期；所述第二跟踪环 路的累积周期；及所述第三跟踪环路的累积周期}组成的组中选择所述环路延 迟。
11. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，从具有所述初始累积周期 的所述初始载波跟踪环路切换成具有所述后续累积周期的所述后续载波跟踪 环路的所述步骤(D)还包括以下步骤(Dl)将所述环路滤波器建模成三阶数字滤波器；其中所述三阶数字滤波 器的分子包含所述先前载波跟踪误差记忆；而所述三阶数字滤波器的分母包含 用于更新所述载波NCO的所述先前环路输出记忆；(D2)估计所述信噪比(SNR),并基于所估计的所述信噪比(SNR)选择所述 后续载波跟踪环路；其中所述后续载波跟踪环路包括对应于所述估计的信噪比 (SNR)的最短累积周期；(D3)校验所述选出的载波环路是否不同于所述目前所用的环路；以及(D4)如果所述选出的载波环路不同于所述目前所用的环路，则将所述分 子项重置为0，并将所述分母项设成等于所述环路滤波器的最后输出值。
12. —种无线电接收器内多个载波环路的动态切换装置；每个所述频道 包括多个载波跟踪环路；每个所述载波跟踪环路被配置为跟踪射频源；每个所 述载波跟踪环路具有预定累积周期；所述装置包括(A) 用于接收来自所述射频源的无线电信号的装置；(B) 用于大致连续地估计接收自所述射频源的所述无线电信号的信噪比 (SNR)的装置；(C) 用于实现所述接收到的载波信号的载波跟踪的装置；以及(D) 用于从具有所述初始累积周期的所述初始载波跟踪环路切换成具有后 续累积周期的后续载波跟踪环路的装置。
13. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置(A)还包括 (Al)配置成接收来自所述射频源的无线电信号的接收装置。
14. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置(A1)进一步包括(Al， l)配置成跟踪所述接收的无线电信号的所述射频源的接收装置(Al, 1)，其中所述射频源从由(GPS卫星；GLONASS卫星；GALILEO卫星；以及伪 卫星}组成的组中选出。
15. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置(B)还包括 (Bl)基于所述估计的SNR选择具有所述初始累积周期的所述初始载波跟踪环路的装置。
16. 如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置(B1)进一步包括: (Bl， 1)如果所述估计的信噪比(SNR)高于第一预定阈值，则选择具有第一累积周期的第一载波跟踪环路来实现具有所述初始累积周期的所述初始载 波跟踪环路的装置。
17. 如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置(B1)进一步包括: (Bl， 2)如果所述估计的信噪比(SNR)降到低于所述第一预定阈值但高于第二预定阈值，则选择具有第二累积周期的第二载波跟踪环路来实现具有所述初 始累积周期的所述初始载波跟踪环路的装置。
18. 如权利要求15所述的装置，其特征在于，所述装置(B1)进一步包括: (B1, 3)如果所述估计的信噪比(SNR)降到低于所述第二预定阈值但高于第三预定阈值，则选择具有第三累积周期的第三载波跟踪环路来实现具有所述初 始累积周期的所述初始载波跟踪环路的装置。
19. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置(C)还包括 (Cl)配置成执行所述接收的载波信号的载波跟踪的具有初始累积周期的初始载波跟踪环路。
20. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置(C)还包括 (C2)配置成使本地载波信号与所述接收的载波信号对准的锁相环路。
21. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置(C)还包括 (C3)用于执行所述接收到的无线电信号的I和Q采样与由载波NCO产生的本地载波副本的I和Q组分的标准正交混频操作，以产生I和Q基带采样的 装置；(C4)用于使所述I和Q基带采样与和所述接收信号对准的代码信号的本地 副本相关联，以产生I和Q关联信号的装置；(C5)将所述I和Q关联信号累积超过一段时间T的的装置； (C6)通过使用所述I和Q累积信号计算原始载波跟踪误差信号的装置； (C7)用于滤波所述原始载波跟踪误差信号以获得经滤波的载波跟踪误差 信号的装置；(C8)将环路延迟t插入所述经滤波的载波跟踪误差信号以产生反馈误差 信号的装置；其中所述环路延迟t表示所述载波跟踪环路的等待时间；以及(C9)通过将所述反馈误差应用到所述载波NCO的输入来闭合所述载波跟 踪环路，以控制所述本地载波信号的频率的装置。
22. 如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述装置(C3)进一步包括: (C3, l)图像抑制混频器，用于执行所述接收到的无线电信号的I和Q采样与由载波NCO产生的本地载波副本的I和Q组分的标准正交混频操作，以产 生I和Q基带采样。
23. 如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述装置(C4)进一步包括: (C4, l)代码跟踪环路，被配置成使所述I和Q基带采样与和所述接收信号对准的代码信号的本地副本相关联，以产生I和Q关联信号。
24. 如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述装置(C7)进一步包括: (C7, l)环路滤波器,被配置成滤波所述原始载波跟踪误差信号以获得经滤波的载波跟踪误差信号。
25. 如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述装置(C8)进一步包括: (C8, l)将所述环路延迟控制为固定周期的装置。
26. 如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述装置(C8)进一步包括: (C8， 2)用于从由{环路更新；所述第一跟踪环路的累积周期；所述第二跟踪环路的累积周期；及所述第三跟踪环路的累积周期}组成的组中选择所述环 路延迟的装置。
27. 如权利要求12所述的装置，其特征在于，所述装置(D)还包括 (Dl)三阶数字滤波器；其中所述三阶数字滤波器的分子包含所述先前载波跟踪误差记忆；而所述三阶数字滤波器的分母包含用于更新所述载波NCO 的所述先前环路输出记忆；(D2)用于估计所述信噪比(SNR)的装置；(D3)基于所述估计的信噪比(SNR)选择所述后续载波跟踪环路的装置；其 中所述后续载波跟踪环路包括相应于所述估计的信噪比(SNR)的最短累积周期;以及(D4)如果所述选出的载波环路不同于所述目前所用的环路，则将所述分 子项置0,并将所述分母项设定为等于所述环路滤波器的最后输出值的装置。 28.如权利要求27所述的装置，其特征在于，所述装置(D1)进一步包括(Dl,l)实现所述三阶数字滤波器的软件程序。
全文摘要
一种无线电接收器上多个载波环路的动态切换方法，其中，每个频道包括多个载波跟踪环路；且每个载波跟踪环路被配置成跟踪射频源。每个载波跟踪环路具有预定累积周期。该方法包括以下步骤(A)通过使用载波跟踪环路接收来自射频源的无线电信号(16)；(B)大致连续地估计接收自射频源的无线电信号的信噪比(SNR)；(C)如果接收自射频源的无线电信号的信噪比(SNR)高于初始预定阈值，则由具有初始累积周期的初始载波跟踪环路执行接收到的载波信号的载波跟踪；以及(D)如果接收自射频源的无线电信号(16)的信噪比(SNR)降到低于初始预定阈值，则从具有初始累积周期的初始载波跟踪环路切换成具有后续累积周期的后续载波跟踪环路，并由具有后续累积周期的后续载波跟踪环路执行接收到的载波信号的载波跟踪。
文档编号H03D3/18GK101366170SQ200680049911
公开日2009年2月11日 申请日期2006年11月7日 优先权日2005年12月29日
发明者A·P·J·卡特梅尔 申请人:天宝导航有限公司