一种用于卫星定位导航接收系统的数字非整数跟踪环路的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于卫星定位导航接收系统的数字非整数跟踪环路，该方案为：接收信号和本地复制码之间的相位偏移量可以划分为整数偏移量和小数偏移量两个部分，接收的中频无线信号首先通过一个Farrow结构的滤波器做分数型内插，然后再移除信号中载波分量。假如存在一个整数偏移量，那么本地复制码按照此整数偏移量做平滑移位。本地复制码的早迟副本分别和被内插的接收信号做相关运算。本发明通过内插接收信号，从而实现极细的时间分辨度，以及保持低采样率。
【专利说明】一种用于卫星定位导航接收系统的数字非整数跟踪环路
【技术领域】
[0001]本发明涉及卫星定位导航接收机系统，具体来说涉及GPS系统中跟踪环路。本发明也支持其他卫星定位导航接收机系统诸如伽利略或者北斗，或者多模卫星定位接收机
坐寸ο
【背景技术】
[0002]卫星定位导航系统使用多个卫星发送精确的导航信号，使得接收机能够通过三角定位法确定其当前位置和速度。接收机估算信号从卫星到接收机的传输时间，然后计算出卫星的位置以及它们与接收机之间的距离。
[0003]GPS是由美国国防部开发的全功能全球定位导航系统。每颗卫星能够在LI (1575.72MHz)和L2 (1227.6MHz)的频点上同时发送信号。LI信号承载导航信息和PRN(Pseudo Random Codes)码。LI的PRN码由同相支路上的C/A码和正交支路上的P (Y)码组成。C/A码适用于民用，速率为1.023MHz，每毫秒包含1023码片。同相部分采用BPSK调制方式，数据率为50bps。
[0004]一经收到导航信号，GPS接收机首先识别信号，产生与接收信号匹配的本地载波和码信号，并和接收信号保持同步以跟踪信号随时间的变化。信号捕获首先获得信号载波频率和码相位偏移的粗估计，然后信号跟踪用于获得进一步的精确估算。信号跟踪模块包含两个部分:码跟踪环路连续调整本地参考信号以保证和接收PRN码对齐，相位跟踪环路用于同步接收的载波信号。一旦成功同步GPS信号，接收机估算出信号从卫星到接收机的传输时间。估算方法基于测量本地PRN码和接收PRN信号之间偏移量，然后接收机估算卫星和接收机之间的距离。如果获得四颗或者四颗以上的卫星信号，接收机即可估算自身位置。
[0005]PRN码同步的精确程度和接收机伪距以及位置估算的精确度密切相关。通常码跟踪环路由数字延迟锁定环(DLL，Delayed Locked Loop)实现，在DLL中，接收机生成码信号的本地超前复制码和滞后复制码，并将这两个本地复制码信号和接收信号做相关运算。数字DLL提供了灵活的全数字时间对准环路，此环路不需要反馈数据给接收机的模拟前端。
[0006]然后，对于数字电路，时间对准的精确度和接收机的抽样率有很大关联。在以前的数字DLL实现中，仅仅靠单纯的通过抽头延迟线控制模块来控制本地复制码信号的平滑移位，以达到同步接收信号的要求。本地参考码是由本地时钟驱动，其采样间隔限制了 DLL在时间上的分辨率。为了提高伪距估算的精确度，一种方法是提高接收信号的采样率，另一种方法是移位本地过采样码信号。在这些方法中，时间分辨率仍然受到采样率的限制，其主要缺点是在本地参考信号和接收信号做相关运算的时候，不能提供极细的时间分辨率(temporal resolution)。另外，当采样率很高的时候，电路实现的复杂度和成本会急速飆升。
[0007]如图1所示，为现有技术的GPS接收机100的跟踪环路系统结构图。GPS接收机100包含了一个天线101去接收GPS卫星信号，并馈送给射频前端102，一个下变频模块103把接收信号转换到中频，一个数模(A/D)转换模块104把模拟信号转换成数字信号，一个包含跟踪环路117的数字信号处理模块实现接收信号的同步。
[0008]跟踪环路模块117包含了相位跟踪环和码跟踪环，相位跟踪环用于跟踪接收信号的载波频率和相位，而码跟踪环用于同步接收码信号。如图1所示，接收信号和本地载波信号相乘，可以将载波信号以及Doppler (多普勒)偏移从数字中频信号中剔除，产生同相和正交信号。本地载波信号由载波NCOl 14、sin (正弦)映射单元116和cos (余弦)映射单元115映射函数综合生成。混频器105和混频器106产生的接收码信号送入相关器组107中，所述相关器组107中的相关器的数量为六个，分别和本地的超前E、即时P和滞后L三个复制码做相关运算。伪码(PN,pseudorandom noise)发生器108产生本地超前和滞后复制码。
[0009]相关器组107将本地即时复制码和接收信号的相关输出送入载波鉴相器110中，计算出本地载波和接收信号的相位偏差。该相位偏差经过一载波环路滤波器112和载波NCO(numerically controlled oscillator) 114,以产生精确的载波信号。载波 NC0114 的输出被用来协助码NCOl 13产生本地复制码信号。GPS接收机中的载波跟踪环路由载波鉴相器110、环路滤波器112、载波NC0114、sin映射单元116和cos映射单元115组成。
[0010]数字延迟锁定环(DLL)是基于早-迟门结构。相关器组107也产生本地复制码和接收信号的超前、滞后相关值。然后码鉴相器109产生本地码和接收码之间的码相位偏差。此相位偏差将依次被码环路滤波器111和码NC0113进一步处理后，用于控制PN码发生器108。
[0011]图1所示的数字跟踪环路，其驱动时钟用来产生抽样脉冲。PN码发生器108由时钟驱动的移位来产生即时本地复制码，以保证和接收码对齐。超前和滞后本地复制码是即时本地码的超前和滞后版本，其偏移量是抽样间隔的整数倍。因此码相位偏移的分辨率依赖于时钟的抽样间隔。图2是一个实例图说明了在无噪声条件下，码鉴相器109输出和码相位偏移(Chip)的对应关系。五个可能的复制码相位偏移标记为点21、22、23、24和25，其抽样率为4.092MHzο在图2中，点21、22、23、24和25分别对应了复制码超前1/2、超前1/4、即时、滞后1/2和滞后1/4。
[0012]图3是接收信号和本地复制码之间的码相位偏移实例图。全偏移量306可以被划分成整数基量301和小数偏移量302。整数基量301是整数偏移量，测量的是每一帧中本地复制码的第一个样点303和接收信号的起始样点305之间的整数偏移量，以抽样脉冲数的倍数。小数偏移量302是指每一帧中接收信号的起始样点305到本地即时复制码的第二样点304之间的时间偏移量。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于提出一种用于卫星定位导航接收系统的数字非整数跟踪环路，其能解决接收机需使用高采样率的问题。
[0014]为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下:
[0015]一种用于卫星定位导航接收系统的数字非整数跟踪环路，其包括第一混频器、第二混频器、相关器组、码鉴相器、码环路滤波器、PN码发生器、载波鉴相器、载波环路滤波器、载波NC0、sin映射单元和cos映射单元，第一混频器和第二混频器的输出端与相关器组的第一输入端连接，相关器组的第一输出端通过码鉴相器与码环路滤波器连接，相关器组的第二输出端通过载波鉴相器与载波环路滤波器连接，相关器组的第二输入端与PN码发生器的输出端连接，第一混频器的第一输入端与sin映射单元的输出端连接，第二混频器的第一输入端与COS映射单元的输出端连接，sin映射单元的输入端和COS映射单元的输入端均与载波NCO的输出端连接，其还包括小数内插滤波器、第一加法器、校准控制单元、t匕例因子单元、相位调整器和第二加法器；
[0016]其中，载波环路滤波器输出的相位偏移量乘上比例因子单元提供的比例因子再通过第一加法器与码环路滤波器输出的码相位偏移量相加得到码相位偏差量；
[0017]所述校准控制单元，用于根据所述码相位偏差量和公式一计算出整数偏移量和小数偏移量；所述公式一为:r (n) = r (η-1) +e (η)、ρ (η) = Lint [y (η)]和 σ (η)=r(n)-|p(n) |,e(n)为码相位偏差量，r (η)为第η帧的码偏移量，ρ (η)为整数偏移量，σ (η)为小数偏移量，-1≤σ (η)≤I ;
[0018]所述小数内插滤波器，用于根据所述小数偏移量对一接收信号进行内插后输出至第一混频器和第二混频器；
[0019]所述PN码发生器，用于根据所述整数偏移量产生超前、即时和滞后本地复制码；
[0020]所述相位调整器，用于根据所述小数偏移量和公式二计算出相位调整量；所述公式二为:y(n) = O (η)-O (η-1), y(η)为相位调整量；
[0021]所述第二加法器，用于将所述相位调整量和载波环路滤波器输出的相位偏移量进行加法运算，并将运算结果输出至所述载波NC0。
[0022]优选的，所述小数内插滤波器为Farrow结构的多项式滤波器。
[0023]所述小数内插滤波器的公式为:
[0024]
【权利要求】
1.一种用于卫星定位导航接收系统的数字非整数跟踪环路，其包括第一混频器、第二混频器、相关器组、码鉴相器、码环路滤波器、PN码发生器、载波鉴相器、载波环路滤波器、载波NCO、sin映射单元和cos映射单元，第一混频器和第二混频器的输出端与相关器组的第一输入端连接，相关器组的第一输出端通过码鉴相器与码环路滤波器连接，相关器组的第二输出端通过载波鉴相器与载波环路滤波器连接，相关器组的第二输入端与PN码发生器的输出端连接，第一混频器的第一输入端与sin映射单元的输出端连接，第二混频器的第一输入端与COS映射单元的输出端连接，sin映射单元的输入端和COS映射单元的输入端均与载波NCO的输出端连接，其特征在于，还包括小数内插滤波器、第一加法器、校准控制单元、比例因子单元、相位调整器和第二加法器； 其中，载波环路滤波器输出的相位偏移量乘上比例因子单元提供的比例因子再通过第一加法器与码环路滤波器输出的码相位偏移量相加得到码相位偏差量； 所述校准控制单元，用于根据所述码相位偏差量和公式一计算出整数偏移量和小数偏移量；所述公式一为:r (n) = r(n-l)+e(n)、ρ(η) = Lint [r (η)]和 σ (η) = r (η) -1 ρ (η) |,e(n)为码相位偏差量，r(n)为第η帧的码偏移量，ρ (η)为整数偏移量，σ (η)为小数偏移量，-1≤ σ (n) ≤1 ； 所述小数内插滤波器，用于根据所述小数偏移量对一接收信号进行内插后输出至第一混频器和第二混频器； 所述PN码发生器，用于根据所述整数偏移量产生超前、即时和滞后本地复制码； 所述相位调整器，用于根据所述小数偏移量和公式二计算出相位调整量；所述公式二为:y(n) = σ (η)-σ (η-1), y(η)为相位调整量； 所述第二加法器，用于将所述相位调整量和载波环路滤波器输出的相位偏移量进行加法运算，并将运算结果输出至所述载波NC0。
2.如权利要求1所述的数字非整数跟踪环路，其特征在于，所述小数内插滤波器为Farrow结构的多项式滤波器。
3.如权利要求2所述的数字非整数跟踪环路，其特征在于，所述小数内插滤波器的公式为:
4.如权利要求1所述的数字非整数跟踪环路，其特征在于，所述PN码发生器包括一个存储PN码样点的缓存器和一个基于整数偏移量对PN码样点进行循环移位的循环移位器；所述循环移位器根据公式(Ia)和公式(Ib)产生每帧的即时本地复制码；
【文档编号】G01S19/37GK103983989SQ201410204363
【公开日】2014年8月13日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】付寅飞, 杨乐, 李秀魁 申请人:付寅飞