一種用於衛星定位導航接收系統的數字非整數跟蹤環路的製作方法

2023-05-02 02:20:56 1

一種用於衛星定位導航接收系統的數字非整數跟蹤環路的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於衛星定位導航接收系統的數字非整數跟蹤環路，該方案為：接收信號和本地複製碼之間的相位偏移量可以劃分為整數偏移量和小數偏移量兩個部分，接收的中頻無線信號首先通過一個Farrow結構的濾波器做分數型內插，然後再移除信號中載波分量。假如存在一個整數偏移量，那麼本地複製碼按照此整數偏移量做平滑移位。本地複製碼的早遲副本分別和被內插的接收信號做相關運算。本發明通過內插接收信號，從而實現極細的時間分辨度，以及保持低採樣率。
【專利說明】一種用於衛星定位導航接收系統的數字非整數跟蹤環路
【技術領域】
[0001]本發明涉及衛星定位導航接收機系統，具體來說涉及GPS系統中跟蹤環路。本發明也支持其他衛星定位導航接收機系統諸如伽利略或者北鬥，或者多模衛星定位接收機
坐寸ο
【背景技術】
[0002]衛星定位導航系統使用多個衛星發送精確的導航信號，使得接收機能夠通過三角定位法確定其當前位置和速度。接收機估算信號從衛星到接收機的傳輸時間，然後計算出衛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的全功能全球定位導航系統。每顆衛星能夠在LI (1575.72MHz)和L2 (1227.6MHz)的頻點上同時發送信號。LI信號承載導航信息和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碼適用於民用，速率為1.023MHz，每毫秒包含1023碼片。同相部分採用BPSK調製方式，數據率為50bps。
[0004]一經收到導航信號，GPS接收機首先識別信號，產生與接收信號匹配的本地載波和碼信號，並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，然後信號跟蹤用於獲得進一步的精確估算。信號跟蹤模塊包含兩個部分:碼跟蹤環路連續調整本地參考信號以保證和接收PRN碼對齊，相位跟蹤環路用於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星到接收機的傳輸時間。估算方法基於測量本地PRN碼和接收PRN信號之間偏移量，然後接收機估算衛星和接收機之間的距離。如果獲得四顆或者四顆以上的衛星信號，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。通常碼跟蹤環路由數字延遲鎖定環(DLL，Delayed Locked Loop)實現，在DLL中，接收機生成碼信號的本地超前複製碼和滯後複製碼，並將這兩個本地複製碼信號和接收信號做相關運算。數字DLL提供了靈活的全數字時間對準環路，此環路不需要反饋數據給接收機的模擬前端。
[0006]然後，對於數字電路，時間對準的精確度和接收機的抽樣率有很大關聯。在以前的數字DLL實現中，僅僅靠單純的通過抽頭延遲線控制模塊來控制本地複製碼信號的平滑移位，以達到同步接收信號的要求。本地參考碼是由本地時鐘驅動，其採樣間隔限制了 DLL在時間上的解析度。為了提高偽距估算的精確度，一種方法是提高接收信號的採樣率，另一種方法是移位本地過採樣碼信號。在這些方法中，時間解析度仍然受到採樣率的限制，其主要缺點是在本地參考信號和接收信號做相關運算的時候，不能提供極細的時間解析度(temporal resolution)。另外，當採樣率很高的時候，電路實現的複雜度和成本會急速飆升。
[0007]如圖1所示，為現有技術的GPS接收機100的跟蹤環路系統結構圖。GPS接收機100包含了一個天線101去接收GPS衛星信號，並饋送給射頻前端102，一個下變頻模塊103把接收信號轉換到中頻，一個數模(A/D)轉換模塊104把模擬信號轉換成數位訊號，一個包含跟蹤環路117的數位訊號處理模塊實現接收信號的同步。
[0008]跟蹤環路模塊117包含了相位跟蹤環和碼跟蹤環，相位跟蹤環用於跟蹤接收信號的載波頻率和相位，而碼跟蹤環用於同步接收碼信號。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 (都卜勒)偏移從數字中頻信號中剔除，產生同相和正交信號。本地載波信號由載波NCOl 14、sin (正弦)映射單元116和cos (餘弦)映射單元115映射函數綜合生成。混頻器105和混頻器106產生的接收碼信號送入相關器組107中，所述相關器組107中的相關器的數量為六個，分別和本地的超前E、即時P和滯後L三個複製碼做相關運算。偽碼(PN,pseudorandom noise)發生器108產生本地超前和滯後複製碼。
[0009]相關器組107將本地即時複製碼和接收信號的相關輸出送入載波鑑相器110中，計算出本地載波和接收信號的相位偏差。該相位偏差經過一載波環路濾波器112和載波NCO(numerically controlled oscillator) 114,以產生精確的載波信號。載波 NC0114 的輸出被用來協助碼NCOl 13產生本地複製碼信號。GPS接收機中的載波跟蹤環路由載波鑑相器110、環路濾波器112、載波NC0114、sin映射單元116和cos映射單元115組成。
[0010]數字延遲鎖定環(DLL)是基於早-遲門結構。相關器組107也產生本地複製碼和接收信號的超前、滯後相關值。然後碼鑑相器109產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路濾波器111和碼NC0113進一步處理後，用於控制PN碼發生器108。
[0011]圖1所示的數字跟蹤環路，其驅動時鐘用來產生抽樣脈衝。PN碼發生器108由時鐘驅動的移位來產生即時本地複製碼，以保證和接收碼對齊。超前和滯後本地複製碼是即時本地碼的超前和滯後版本，其偏移量是抽樣間隔的整數倍。因此碼相位偏移的解析度依賴於時鐘的抽樣間隔。圖2是一個實例圖說明了在無噪聲條件下，碼鑑相器109輸出和碼相位偏移(Chip)的對應關係。五個可能的複製碼相位偏移標記為點21、22、23、24和25，其抽樣率為4.092MHzο在圖2中，點21、22、23、24和25分別對應了複製碼超前1/2、超前1/4、即時、滯後1/2和滯後1/4。
[0012]圖3是接收信號和本地複製碼之間的碼相位偏移實例圖。全偏移量306可以被劃分成整數基量301和小數偏移量302。整數基量301是整數偏移量，測量的是每一幀中本地複製碼的第一個樣點303和接收信號的起始樣點305之間的整數偏移量，以抽樣脈衝數的倍數。小數偏移量302是指每一幀中接收信號的起始樣點305到本地即時複製碼的第二樣點304之間的時間偏移量。

【發明內容】

[0013]本發明的目的在於提出一種用於衛星定位導航接收系統的數字非整數跟蹤環路，其能解決接收機需使用高採樣率的問題。
[0014]為了達到上述目的，本發明所採用的技術方案如下:
[0015]一種用於衛星定位導航接收系統的數字非整數跟蹤環路，其包括第一混頻器、第二混頻器、相關器組、碼鑑相器、碼環路濾波器、PN碼發生器、載波鑑相器、載波環路濾波器、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器組的第一輸入端連接，相關器組的第一輸出端通過碼鑑相器與碼環路濾波器連接，相關器組的第二輸出端通過載波鑑相器與載波環路濾波器連接，相關器組的第二輸入端與PN碼發生器的輸出端連接，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，其還包括小數內插濾波器、第一加法器、校準控制單元、t匕例因子單元、相位調整器和第二加法器；
[0016]其中，載波環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]所述校準控制單元，用於根據所述碼相位偏差量和公式一計算出整數偏移量和小數偏移量；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)為整數偏移量，σ (η)為小數偏移量，-1≤σ (η)≤I ;
[0018]所述小數內插濾波器，用於根據所述小數偏移量對一接收信號進行內插後輸出至第一混頻器和第二混頻器；
[0019]所述PN碼發生器，用於根據所述整數偏移量產生超前、即時和滯後本地複製碼；
[0020]所述相位調整器，用於根據所述小數偏移量和公式二計算出相位調整量；所述公式二為:y(n) = O (η)-O (η-1), y(η)為相位調整量；
[0021]所述第二加法器，用於將所述相位調整量和載波環路濾波器輸出的相位偏移量進行加法運算，並將運算結果輸出至所述載波NC0。
[0022]優選的，所述小數內插濾波器為Farrow結構的多項式濾波器。
[0023]所述小數內插濾波器的公式為:
[0024]
【權利要求】
1.一種用於衛星定位導航接收系統的數字非整數跟蹤環路，其包括第一混頻器、第二混頻器、相關器組、碼鑑相器、碼環路濾波器、PN碼發生器、載波鑑相器、載波環路濾波器、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器組的第一輸入端連接，相關器組的第一輸出端通過碼鑑相器與碼環路濾波器連接，相關器組的第二輸出端通過載波鑑相器與載波環路濾波器連接，相關器組的第二輸入端與PN碼發生器的輸出端連接，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，其特徵在於，還包括小數內插濾波器、第一加法器、校準控制單元、比例因子單元、相位調整器和第二加法器； 其中，載波環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； 所述校準控制單元，用於根據所述碼相位偏差量和公式一計算出整數偏移量和小數偏移量；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)為整數偏移量，σ (η)為小數偏移量，-1≤ σ (n) ≤1 ； 所述小數內插濾波器，用於根據所述小數偏移量對一接收信號進行內插後輸出至第一混頻器和第二混頻器； 所述PN碼發生器，用於根據所述整數偏移量產生超前、即時和滯後本地複製碼； 所述相位調整器，用於根據所述小數偏移量和公式二計算出相位調整量；所述公式二為:y(n) = σ (η)-σ (η-1), y(η)為相位調整量； 所述第二加法器，用於將所述相位調整量和載波環路濾波器輸出的相位偏移量進行加法運算，並將運算結果輸出至所述載波NC0。
2.如權利要求1所述的數字非整數跟蹤環路，其特徵在於，所述小數內插濾波器為Farrow結構的多項式濾波器。
3.如權利要求2所述的數字非整數跟蹤環路，其特徵在於，所述小數內插濾波器的公式為:
4.如權利要求1所述的數字非整數跟蹤環路，其特徵在於，所述PN碼發生器包括一個存儲PN碼樣點的緩存器和一個基於整數偏移量對PN碼樣點進行循環移位的循環移位器；所述循環移位器根據公式(Ia)和公式(Ib)產生每幀的即時本地複製碼；
【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 優先權日:2014年5月14日
【發明者】付寅飛, 楊樂, 李秀魁 申請人:付寅飛