一种功能可扩展型GNSS芯片

本发明涉及gnss卫星导航终端，特别是一种功能可扩展型gnss芯片。

背景技术：

1、随着智慧城市、精准导航等研究领域的飞速发展，基于定位服务(location basedservices，lbs)的行业标准及要求也越来越高。作为一种基于卫星无线电导航的绝对定位系统，全球卫星导航系统(global navigation satellite system,gnss)可以为全球用户提供全天候、高精度的位置、速度以及时间等重要信息，并且定位误差也不会随着时间而积累，因此在车载导航、测绘、地质勘探、目标跟踪、精细农业、军事等领域都有广泛的应用。虽然gnss在开阔地带能够提供高精度定位信息，满足大部分的作业要求，但是在一些具有挑战性的环境中(高动态，遮挡，干扰，欺骗，多路径等)，基于gnss的单一定位导航系统表现就会大打折扣，甚至无法完成定位服务。

2、在传统gnss芯片设计中，标量跟踪环路一直被惯用至今，它的设计注重单维的参数估测控制，通常采用二阶锁频环辅助的三阶锁相环路，从而保证对gnss信号载波频率、载波相位、码相位的持续估计，已达到定位、定速及授时等功能。目前市场所有gnss芯片基本全是独立封装的，不支持任何外扩nco控制信号输入，这就大大限制了gnss芯片功能可扩展能力，在城市环境、高动态等挑战场景，传统的gnss芯片受限于传统跟踪环路的设计方案，无法正常完成定位服务能力。因此，为了强化gnss芯片处理能力，多种先进gnss基带处理算法相应被提出，其中包括矢量式gnss基带处理算法，通过对本地nco额外的辅助控制，实现调整场景的下的持续导航服务能力。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种功能可扩展型gnss芯片，本发明大大提高了gnss芯片的可扩展能力，通过外扩码nco、载波nco的控制接口提高挑战场景下的参数的估测精度及动态适应范围，为基于gnss芯片的组合导航系统提供了强大的平台支撑。

2、本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

3、根据本发明提出的一种功能可扩展型gnss芯片，包括前端模块、捕获模块、跟踪模块、码nco模块、载波nco模块、pvt模块、载波频率控制开关、码相位控制开关、外扩码相位控制接口、外扩载波频率控制接口、码相位控制模式选择接口、载波频率控制模式选择接口、信号跟踪信息输出接口及位置/速度/时间输出接口；跟踪模块包括码相位鉴别器、载波相位鉴别器、载波频率鉴别器和状态空间模型跟踪环路滤波器；其中，

4、前端模块，用于对输入卫星信号进行下变频、滤波及低噪声放大功能，输出卫星中频信号至捕获模块；

5、捕获模块，用于通过本地信号与卫星中频信号的两维度的相关操作，获取各个可见卫星信号的多普勒与码相位估计并传递给跟踪模块；

6、码相位鉴别器，用于通过比较本地信号与输入的卫星中频信号码相位、来实时估计本地信号码相位与输入的卫星中频信号码相位的偏差，作为状态空间模型跟踪环路滤波器的观测信息；

7、载波相位鉴别器，用于通过比较本地信号载波相位与输入的卫星中频信号载波相位、来实时估计本地信号载波相位与输入的卫星中频信号载波相位的偏差，作为状态空间模型跟踪环路滤波器的观测信息；

8、载波频率鉴别器，用于通过比较本地信号载波频率与输入的卫星中频信号载波频率、来实时估计本地信号载波频率与输入的卫星中频信号载波频率的偏差，作为状态空间模型跟踪环路滤波器的观测信息；

9、状态空间模型跟踪环路滤波器，用于通过状态空间模型将卫星中频信号参数中的载波相位、载波频率、码相位关联，并通过码相位鉴别器、载波频率鉴别器、载波相位鉴别器输出的码相位偏差、载波频率偏差及载波相位偏差，进行参数优化估计获得当前载波相位控制量、载波频率控制量及码相位控制量，当前载波相位控制量、载波频率控制量及码相位控制量分别经载波频率控制开关输入至载波nco模块，当前载波相位控制量、载波频率控制量及码相位控制量分别经码相位控制开关输入至码nco模块，载波nco模块和码nco模块用于更新本地信号、并同时输出伪距、伪距率至pvt模块；

10、载波频率控制开关，通过载波频率控制模式选择接口来选择本地载波频率控制或者外扩载波频率控制接口来进行载波nco的频率控制；

11、码相位控制开关，通过码相位控制模式选择接口来选择本地码相位控制或者外扩码相位控制接口来进行码nco的相位控制；

12、载波nco模块，用于生成不同卫星对应的载波；

13、码nco模块，用于生成不同卫星对应的伪随机码；其中，码nco模块的频率fcode_nco由载波nco模块的频率fcarri_nco来进行控制，fcode_nco＝k·fcarri_nco，其中k为单位cycle转为单位chip的比例系数；

14、pvt模块，用于通过跟踪模块输出的参数，该参数包括伪距、伪距率、本地信号与卫星中频信号的两维度的相关操作后的结果，计算gnss终端的位置、速度和时间参数；

15、载波频率控制模式选择接口，用于选择载波nco模块的频率更新模式，模式分为本地更新及外扩更新；

16、码相位控制模式选择接口，用于选择码nco模块的相位更新模式，模式分为本地更新及外扩更新；

17、外扩码相位控制接口，用于外扩码相位控制输入，当码相位控制模式选择接口配置为外扩更新模式时，码nco模块的相位将接收外扩码相位控制接口输入信号，对码nco模块的相位进行调整；

18、外扩载波频率控制接口，用于外扩载波频率控制输入，当载波频率控制模式选择接口配置为外扩更新模式时，载波nco模块的频率将接收外扩载波频率控制接口输入信号，对载波nco模块的频率进行调整；

19、信号跟踪信息输出接口，用于输出载波相位信息、伪距信息和信噪比信息；

20、位置/速度/时间输出接口，用于输出最后gnss芯片处理结果，结果包括gnss终端位置、速度及时间信息。

21、作为本发明所述的一种功能可扩展型gnss芯片进一步优化方案，在状态空间模型中，

22、

23、

24、其中，状态量包括码相位误差δτ、载波相位误差δθ、载波频率误差δf、载波频率变化率误差δα，观测量包括码相位偏差载波相位偏差载波频率偏差w'k为状态空间模型误差，v'k为量测误差，下标k为时刻k，下标k+1为k+1时刻，t为跟踪环路周期。

25、作为本发明所述的一种功能可扩展型gnss芯片进一步优化方案，在载波nco模块中，载波相位控制由本地跟踪环路滤波输出的载波相位误差δθ来进行控制更新，载波频率由本地或者外扩信息控制；

26、在码nco模块中，码nco模块频率由载波nco模块中的频率进行控制，码相位由本地环路的输出δτ或者外扩信息控制。

27、作为本发明所述的一种功能可扩展型gnss芯片进一步优化方案，还包括通道完好性模块，通道完好性模块是用于将码相位鉴别器、载波相位鉴别器、载波频率鉴别器的输出结果作为输入，然后对这三个鉴别器输出噪声采用高斯白噪或者混合高斯白噪模型进行拟合，得到对应的误差概率密度统计；当误差概率密度统计均值偏离零时，就对状态空间模型中的量测方差进行放大调整；当误差概率密度统计方差大于预设阈值时，告知状态空间模型跟踪环路量测不可信。

28、作为本发明所述的一种功能可扩展型gnss芯片进一步优化方案，码相位控制模式选择接口是通过高低信号来确定码nco控制是选择外扩还是本地控制信号；

29、载波频率控制模式选择接口也是通过高低信号来确定载波nco控制是选择外扩还是本地控制信号；

30、外扩码相位控制接口是接收外扩码相位控制字实现本地码相位的补偿；

31、外扩载波频率控制接口是接收外扩载波频率控制字实现本地载波nco频率的补偿。

32、本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

33、(1)设计了基于状态空间系统滤波的跟踪环路设计，以码相位鉴别器输出载波相位鉴别器输出载波频率鉴别器输出作为量测信息输入，通过耦合系统方式来实现通道参数的估计，大大增强了精度和可靠性；

34、(2)每个跟踪通道设计了新型完好性模块，这样可以识别信号故障及系统参数故障，从而实现了整个跟踪过程的自适应能力，保证了持续跟踪能力；

35、(3)增加了扩展功能接口，包括芯片工作模式选取接口，nco控制接口，码相位开关控制接口，载波频率控制接口实现了gnss芯片的功能扩展，特别面向gnss/ins深组合系统、gnss/lidar组合系统、gnss/视觉组合系统等，该扩展接口大大提高了组合系统深度及可靠性。