一种GPSL5信号的接收装置及方法与流程

本发明涉及高精度卫星导航接收机，特别是一种GPS L5信号的接收装置及方法。

背景技术：

目前，在卫星导航接收机中，普遍需要接收GPS的L1CA和L2C两个信号。L1CA和L2C信号的扩频频率均为1.023MHz，单点单频的伪距定位精度为300米以内。2013年，美国GPS官方发布了L5信号的接口标准，L5信号的扩频频率为10.23MHz，所对应的单点单频伪距定位精度为30米内，比L1CA和L2C信号伪距定位精度高出十倍。因此，利用L5信号是高精度单点定位的重要手段和方式。

目前GPS多频信号接收机采用的是直接捕获L5信号，然后同时跟踪导频通道的方法。这种方法需要在捕获阶段产生至少10230个相关通道，利用遍历的方式对比所有码相位下的相干积分值，进而判决当前是否存在L5信号。该方法比L1信号的捕获方法的复杂度和占用的存储空间要高10倍以上。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种GPS L5信号的接收装置及方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种GPS L5信号的接收装置，包括：

天线：用于接收空间辐射的卫星信号；

L1CA射频通道：用于将卫星信号的L1CA信号从射频变换到中频；

L5射频通道：用于将卫星信号的L5信号从射频变换到中频；

L1CA捕获模块：用于对中频L1CA信号进行捕获，得到多普勒和码相位；

跟踪模块：用于对捕获的中频L1CA信号进行跟踪、位同步、帧同步以及电文译码；对中频L5信号进行导频通道跟踪，输出L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距；

定位解算模块：用于利用跟踪模块输出的L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距进行双频定位解算，得到接收机位置。

本发明还提供了一种GPS L5信号的接收方法，包括以下步骤：

1)通过射频通道分别将L1CA和L5的射频信号下变频到中频信号；

2)利用捕获模块对L1CA信号进行捕获，得到L1CA信号的码相位和多普勒；

3)对L1CA信号进行位同步和帧同步，找到L1CA信号数据帧头位置；

4)生成L5信号的本地伪码，等待L5信号启动跟踪；

5)在L1CA信号帧头到来时刻，启动L5信号通道，进行同步数据接收；

6)在L1CA信号被跟踪锁定上以后，启动L5信号的跟踪，L5的初始码相位为跟踪后L1CA信号的码相位乘以10减去一个固定值(此固定值由L1CA信号和L5信号的传输延迟与硬件电路延迟决定的，在装置启动前通过大规模搜索对比的方法找到固定值的准确位置)，L5的多普勒利用L1CA信号捕获的多普勒；

7)对L1CA信号进行电文译码，输出L1CA信号伪距和导航电文；与此同时，当L5信号被锁定跟踪后，判断锁定后本地伪码状态，以此状态作为L5信号的伪距输出。

步骤5)中，在L1CA信号帧头到来时刻直接启动L5信号的跟踪。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明只捕获GPS L1CA信号，然后利用L1CA信号的捕获结果直接引导L5信号进入跟踪，省掉了L5CA信号的捕获，从而降低了捕获模块的实现复杂度和存储空间。在L5的跟踪阶段，只跟踪导频通道，去掉电文处理环节，从而大幅降低跟踪阶段的实现复杂度。

附图说明

图1为本发明装置结构图；

图2为本发明装置的工作原理图；

图3为L5信号的生成原理图；

图4为本地伪码生成原理图。

具体实施方式

本发明的装置结构如图1所示。

整个装置包括：天线、L1CA射频通道、L5射频通道、L1CA捕获模块、跟踪模块以及定位解算模块。天线与L1CA射频通道以及L5射频通道连接，L1CA射频通道与L1CA捕获模块连接，L1CA捕获模块以及L5射频通道与跟踪模块连接，跟踪模块与定位解算模块连接。

本发明装置的工作原理如图2所示：

天线接收的信号同时送给L1CA和L5射频通道。L1CA射频通道将L1CA射频信号下变频为L1CA中频信号，L5射频通道将L5射频信号下变频为L5中频信号。在L1CA捕获模块中，对L1CA信号进行捕获，得到L1CA的多普勒和码相位。在跟踪模块中，对L1CA信号进行跟踪、位同步、帧同步以及电文译码，输出L1CA伪距以及导航电文。根据捕获得到的L1CA多普勒，并且在L1CA数据帧头到来时刻启动引导L5信号进行Q支路的导频通道跟踪，直接输出L5的Q支路信号的伪距，由于L5的Q支路信号有调制NH位同步码，因此需要对L5的Q支路信号进行位同步操作。在L5的Q支路信号被跟踪上之后，将NH码与经过码相位偏移的本地码做异或，再与接收数据进行相干积分以达到更加高精度的信号跟踪。定位解算模块利用跟踪模块输出的L1CA伪距、L5伪距以及L1CA导航电文进行双频定位解算。

各模块的工作内容为：

天线：接收空间辐射的卫星信号；

L1CA射频通道：将L1CA信号从射频变换到中频；

L5射频通道：将L5信号从射频变换到中频；

L1CA捕获模块：对L1CA信号进行捕获，得到多普勒和码相位；

跟踪模块：对L1CA信号进行跟踪、位同步、帧同步以及电文译码；对L5信号进行导频通道跟踪。输出L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距；定位解算模块：利用跟踪模块输出的L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距进行双频定位解算，得到接收机位置。

L5导频信号的接收方法的实施步骤为：

步骤1：通过射频通道分别将L1CA和L5的射频信号下变频到中频信号；

步骤2：利用捕获模块对L1CA信号进行捕获，得到L1CA的码相位和多普勒；

步骤3：对L1CA信号进行位同步和帧同步，找到L1CA信号数据帧头位置；

步骤4：生成L5信号的本地伪码，等待L5信号启动跟踪；

步骤4：在L1CA信号帧头到来时刻，启动L5信号通道，进行同步数据接收。

步骤5：在L1CA信号被跟踪锁定上以后，启动L5信号的跟踪，L5的初始码相位为跟踪后L1CA信号的码相位乘以10减去一个固定值，L5的多普勒利用L1CA信号捕获的多普勒；

步骤6：对L1CA信号进行电文译码，输出L1CA伪距和导航电文；

步骤7：输出L5伪距。

本发明提出的L5导频信号接收方法的原理为：

1、L5引导启动时刻的选择：

L5伪码周期为1.5秒，其周期起始时间与L1CA信号电文的帧头对齐，因此可以在L1CA信号帧头到来时刻直接启动L5信号的跟踪。此时L5码相位为0，多普勒可直接利用L1CA信号捕获得到的多普勒。

2、L5信号本地伪码的生成：

L5信号是导频和数据通道的数据通过QPSK调制中I支路和Q支路正交复用得到的，导频通道和数据通道的数据也相互正交。因此为了只跟踪导频通道，需要在产生本地伪码时产生导频通道的伪码即可。L5信号的生成原理如图3所示。其中，数据通道将要发送的电文数据先做CRC校验，差错控制编码，接着与NH码进行异或操作实现位同步，最后与伪码相关运算。而导频通道没有传输电文数据，伪码直接与NH码进行异或操作位同步。最后，数据通道和导频通道的数据分别通过I支路和Q支路正交复用的QPSK调制。本发明中的本地伪码为未经过与NH码异或处理的导频通道伪码，如图4所示。经过上述处理的L5伪码与接收信号进行相关累加运算即可消除数据通道，只保留导频通道。由于L1CA信号已经包含了GPS卫星的导航电文，此电文与L5信号上的导航电文内容是完全一致的，定位解算模块可利用L1CA的导航电文进行双频定位解算。因此只跟踪L5的导频通道，不进行电文处理不影响接收机的正常工作。

3、L5信号的跟踪处理：

在L1CA信号帧头到来时刻，启动L5信号通道，进行同步数据接收。由于L5信号的伪码片宽度是L1CA信号伪码片宽度的10分之一，L1CA信号一个码相位偏移的误差会导致L5信号10个码相位的偏移误差，而信号跟踪模块最多使用N(N<10)个码片宽度的采样信号进行跟踪处理。如果在L1CA信号捕获之后就进行L5信号的跟踪处理，容易导致L5信号无法准确跟踪的问题。因此，在L1CA信号还没有被跟踪锁定之前，暂时不对L5信号进行跟踪。在L1CA信号被跟踪锁定上以后，启动L5信号的跟踪，L5的多普勒利用L1CA信号捕获的多普勒除以一个固定值得到；L5的初始码相位为跟踪锁定后的L1CA信号的码相位乘以10减去一个固定值。