專利名稱：全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統及方法
技術領域：
本發明涉及一種全球導航衛星系統(GlcAal Navigation Satellite System, GNSS)接收機，特別涉及一種全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統及方法。
技術背景
目前國內大部分全球導航衛星系統接收機設計公司均使用傳統鎖相環和叉積鑒頻結合的方式完成載波跟蹤，在保證一定動態范圍的前提下，其跟蹤靈敏度不優于-155daii。如圖1所示，現有全球導航衛星系統接收機包括環路濾波器、乘法器等。可以說，現有全球導航衛星系統接收機的性能是在高動態與高靈敏度之間取一個折中， 由于載波跟蹤系統缺乏魯棒性，這種折中的性能損失是較為嚴重的。部分國外廠商如 SIRF, UBLOX公司等運用高魯棒性接收機結構，在保證一定動態的情況下可將靈敏度優化至-16(T-162dBm。
全球導航衛星系統高魯棒性接收機結構，尤其是高魯棒性載波跟蹤結構可以由 PSK (移相鍵控)頻偏估計的最大似然函數導出。稍后我們將分析其在克拉美羅界上的性能極限。由于全球導航衛星系統接收機的特性決定了在特定觀測時刻，接收機只能獲取衛星發射信號的中心頻率、擴頻碼相位及速率、調制數據的碼速率，因此所使用的最大似然函數基本遵循未知調制數據內容的最大似然函數。
目前主要使用的頻偏估計方式有如下兩種第一種方式從時域上看，最大似然函數的結果相當于連續時域上掃頻操作在掃至某個特定頻點出現能量增益的最大值時，該頻點即為頻偏估計值。出現這種增益大小發生改變的根本原因是，在特定積分時間內，載波頻偏與積分能量增益之間存在sine函數衰減的關系。由于實際使用中為了進行穩定的環路跟蹤，不可能進行掃頻操作檢驗sine函數衰減，因此引入了三組載波(如載波形式)進行頻偏估計，如圖2所示，以20ms相干積分時間為例，將三組載波頻率置數分別設置為中心頻率fs，左偏IOHz :f左=fs-10Hz，以及右偏 IOHz :f右=fs+10Hz。當載波輸出頻率與實際輸入的載波頻率完全對齊時，左右頻偏的增益，Af左-Af右=0 Hz ；當載波輸出頻率大于實際輸入的載波頻率時，Af左-Af右>0 Hz ； 當載波輸出頻率小于實際輸入的載波頻率時，Af左-Af右<0 Hz，將Af左-Af右的差值送入環路濾波器作為鑒頻信號，即可完成頻率跟蹤，結構框圖如圖3所示，三組載波進行頻偏估計系統包括環路濾波器等元件。
第二種方式從頻域上考慮，若后端數據處理能將調制數據帶來的載波相位翻轉補償，則最大相干積分長度可突破20ms限制，此時單純的長積分快速傅立葉轉換運算即可求得載波頻偏。
上述方式均存在一定的不足第一種方式的實現需要依賴三組載波，在現場可編程門陣列或專用集成電路實現中，將使數字電路規模急劇增大，電路結構復雜。第二種方式依賴于后端數據處理程序配合用以消除數據調制引起的相位翻轉，使系統耦合度增加，結構復雜。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統及方法，其可以在復雜情況下進行定位與導航，而且減小數字電路規模。為解決所述技術問題，本發明提供了一種全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統，其包括控制寄存器、下變頻模塊、相干累加模塊、數據存儲模塊、快速傅立葉變換模塊、非相干累加模塊、環路濾波器、鑒頻模塊，控制寄存器與下變頻模塊、相干累加模塊、快速傅立葉變換模塊、非相干累加模塊、鑒頻模塊連接，環路濾波器與鑒頻模塊連接，數據存儲模塊連接在相干累加模塊和快速傅立葉變換模塊之間，控制寄存器將載波頻率及碼偏發送給下變頻模塊，控制寄存器將累加長度發送給相干累加模塊，控制寄存器將快速傅立葉變換點數發送給快速傅立葉變換模塊，控制寄存器將非相干累加次數發送給非相干累加模塊，控制寄存器將高動態與高靈敏度切換信號發送給鑒頻模塊，環路濾波器將鑒頻結果發送給下變頻模塊。優選地，所述數據存儲模塊為隨機存取存儲器。本發明還提供一種全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤方法，該方法采用上述的全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統，該方法包括以下步驟下變頻模塊將采樣進來的模擬數字轉換數據進行下變頻，進行下變頻后相干累加模塊進行相干累加操作，相干累加次數滿之后，將累加值送入數據存儲模塊存儲；累加值數量達到快速傅立葉變換點數之后，發送給快速傅立葉變換模塊進行快速傅立葉變換；快速傅立葉變換所得的點按照非相干累加模塊設定的次數進行非相干累加后送入鑒頻模塊；控制寄存器將高動態與高靈敏度切換信號發送給鑒頻模塊，環路濾波器將鑒頻結果發送給下變頻模塊。優選地，所述鑒頻模塊中設置了兩種模式，當需要較大動態時，鑒頻模塊在快速傅立葉變換輸出點中找到最大值，然后將最大值左右兩個頻點的增益相減形成鑒頻信號；當需要較高靈敏度時，鑒頻模塊默認當前時刻載波大致無頻偏，也就是快速傅立葉變換點的零頻點位置必然為載波所在位置，此時用零頻點左右頻偏頻點的能量值進行鑒頻，即可在輸入信號功率較小的時候完成高靈敏度跟蹤。本發明的積極進步效果在于本發明確保本地載波頻率與接收信號頻率一致，保證導航電文解析，碼跟蹤環穩定工作，可以穩定跟蹤衛星信號，并持續進行位置計算，輸出正確的位置信息。另外，本發明簡化原有高魯棒性接收機結構，減小數字電路規模。
圖1為現有全球導航衛星系統接收機的原理框圖。圖2為三組載波進行頻偏估計時的波形圖。圖3為三組載波進行頻偏估計系統的結構框圖。圖4為本發明全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統的原理框圖。圖5為本發明全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤方法的流程示意圖。圖6為本發明估計誤差分析后的波形圖。
具體實施方式
下面舉個較佳實施例，并結合附圖來更清楚完整地說明本發明。
如圖4所示，本發明全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統包括控制寄存器、下變頻模塊、相干累加模塊、數據存儲模塊(比如Random Access Memory，隨機存取存儲器等)、快速傅立葉變換(FFT變換)模塊、非相干累加模塊、環路濾波器、鑒頻模塊，控制寄存器與下變頻模塊、相干累加模塊、快速傅立葉變換模塊、非相干累加模塊、鑒頻模塊連接，環路濾波器與鑒頻模塊連接，數據存儲模塊連接在相干累加模塊和快速傅立葉變換模塊之間。控制寄存器將載波頻率及碼偏發送給下變頻模塊，控制寄存器將累加長度發送給相干累加模塊，控制寄存器將快速傅立葉變換點數發送給快速傅立葉變換模塊，控制寄存器將非相干累加次數發送給非相干累加模塊，控制寄存器將高動態與高靈敏度切換信號發送給鑒頻模塊，環路濾波器將鑒頻結果發送給下變頻模塊。
如圖5所示，本發明全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤方法包括以下步驟下變頻模塊將采樣進來的模擬數字轉換(ADC)數據進行下變頻，進行下變頻后相干累加模塊進行相干累加操作，相干累加次數滿(每累加若干次)之后，將累加值送入數據存儲模塊存儲；累加值數量達到快速傅立葉變換點數之后，發送給快速傅立葉變換模塊進行快速傅立葉變換；快速傅立葉變換所得的點按照非相干累加模塊設定的次數進行非相干累加后送入鑒頻模塊；控制寄存器將高動態與高靈敏度切換信號發送給鑒頻模塊，環路濾波器將鑒頻結果發送給下變頻模塊。在鑒頻模塊中，系統設置了兩種模式，當系統需要較大動態時，鑒頻模塊在快速傅立葉變換輸出點中找到最大值，然后將最大值左右兩個頻點的增益相減形成鑒頻信號；當系統需要較高靈敏度時，鑒頻模塊默認當前時刻載波大致無頻偏， 也就是快速傅立葉變換點的0頻點位置必然為載波所在位置，此時用0頻點左右頻偏頻點的能量值進行鑒頻，即可在輸入信號功率較小的時候完成高靈敏度跟蹤。鑒頻信號輸出至環路濾波器，最后反饋至下變頻模塊，形成閉環，即可完成高魯棒性載波跟蹤。本發明全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統可以在復雜情況下進行定位與導航，而且減小數字電路規模，確保本地載波頻率與接收信號頻率一致，保證導航電文解析，碼跟蹤環穩定工作。如圖6所示，圖6所示為跟蹤系統采用IOms相干積分與20次非相干積分的結果在克拉美羅界上的性能反映。可以看到，即使在-160daii情況下，載波跟蹤結果的標準差處于7Hz附近，完全可以用于載波跟蹤，并為碼跟蹤提供高可靠性的頻偏保障。通過增加積分長度，可以使得在大噪聲情況下信號的跟蹤誤差更小。同時，在大信號情況下，跟蹤誤差近乎趨近于克拉美羅界，也就是頻率估計的極限，因此可以認為，本發明的系統結構是有效且可靠的。
本發明獲得最大似然函數原型的原理如下全球導航衛星系統接收機射頻輸入至基帶的采樣信號為一個帶有殘余頻差的中頻載波信號，其信號內包含了數字調制(例如GPS Ll中的BPSK調制)的擴頻信號與導航電文信號。其復信號表達式如下式(1)所示r[n| = /^DnCner:::fflCfr s+e。· AWGN .......................................式⑴其式(1)中，Pc表示為輸入載波功率，Dn表示η時刻的調制數據，其值為士 1 ；Cn表示 η時刻擴頻碼，其值為士 1 ；Tcoh為相干積分時間，θ c為載波起始相位，AWGN為加性高斯白噪聲。
在AWGN信道中，可以寫出頻偏的條件概率密度函數為
權利要求
1.一種全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統，其特征在于，其包括控制寄存器、下變頻模塊、相干累加模塊、數據存儲模塊、快速傅立葉變換模塊、非相干累加模塊、環路濾波器、鑒頻模塊，控制寄存器與下變頻模塊、相干累加模塊、快速傅立葉變換模塊、非相干累加模塊、鑒頻模塊連接，環路濾波器與鑒頻模塊連接，數據存儲模塊連接在相干累加模塊和快速傅立葉變換模塊之間，控制寄存器將載波頻率及碼偏發送給下變頻模塊，控制寄存器將累加長度發送給相干累加模塊，控制寄存器將快速傅立葉變換點數發送給快速傅立葉變換模塊，控制寄存器將非相干累加次數發送給非相干累加模塊，控制寄存器將高動態與高靈敏度切換信號發送給鑒頻模塊，環路濾波器將鑒頻結果發送給下變頻模塊。
2.如權利要求1所述的全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統，其特征在于，所述數據存儲模塊為隨機存取存儲器。
3.—種全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤方法，該方法采用如權利要求1 所述的全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統，其特征在于，該方法包括以下步驟下變頻模塊將采樣進來的模擬數字轉換數據進行下變頻，進行下變頻后相干累加模塊進行相干累加操作，相干累加次數滿之后，將累加值送入數據存儲模塊存儲；累加值數量達到快速傅立葉變換點數之后，發送給快速傅立葉變換模塊進行快速傅立葉變換；快速傅立葉變換所得的點按照非相干累加模塊設定的次數進行非相干累加后送入鑒頻模塊；控制寄存器將高動態與高靈敏度切換信號發送給鑒頻模塊，環路濾波器將鑒頻結果發送給下變頻模塊。
4.如權利要求3所述的全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤方法，其特征在于，所述鑒頻模塊中設置了兩種模式，當需要較大動態時，鑒頻模塊在快速傅立葉變換輸出點中找到最大值，然后將最大值左右兩個頻點的增益相減形成鑒頻信號；當需要較高靈敏度時，鑒頻模塊默認當前時刻載波大致無頻偏，也就是快速傅立葉變換點的零頻點位置必然為載波所在位置，此時用零頻點左右頻偏頻點的能量值進行鑒頻，即可在輸入信號功率較小的時候完成高靈敏度跟蹤。
全文摘要
本發明公開了一種全球導航衛星系統接收機的高魯棒性載波跟蹤系統及方法，該系統包括控制寄存器等，控制寄存器與下變頻模塊、相干累加模塊、快速傅立葉變換模塊、非相干累加模塊、鑒頻模塊連接，環路濾波器與鑒頻模塊連接，數據存儲模塊連接在相干累加模塊和快速傅立葉變換模塊之間，控制寄存器將載波頻率及碼偏發送給下變頻模塊，控制寄存器將累加長度發送給相干累加模塊，控制寄存器將快速傅立葉變換點數發送給快速傅立葉變換模塊，控制寄存器將非相干累加次數發送給非相干累加模塊，控制寄存器將高動態與高靈敏度切換信號發送給鑒頻模塊，環路濾波器將鑒頻結果發送給下變頻模塊。本發明可以在復雜情況下進行定位與導航，而且減小數字電路規模。
文檔編號G01S19/29GK102495417SQ201110403808
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月7日 優先權日2011年12月7日
發明者侯斌, 吳駿, 李科奕 申請人:無錫德思普科技有限公司