[發明專利]一種基于FPGA的GPS軟件接收機信號跟蹤方法及其系統

無效

• 申請號: 201210075771.8
• 申請日: 2012-03-20
• 公開（公告）號: CN102621563A
• 公開（公告）日: 2012-08-01
• 發明（設計）人: 潘樹國;王慶;胡剛
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01S19/29
• 分類號: G01S19/29
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司 32112
• 代理人: 湯志武

技術領域

本發明涉及GPS接收機的跟蹤技術，尤其涉及一種基于FPGA的GPS軟件接收機信號跟蹤方法及其系統，屬于GPS軟件接收機基帶處理技術領域。

背景技術

目前世界各大衛星導航系統都在蓬勃發展，但是最成熟，市場占有率最大的就是GPS系統。GPS系統主要由空間星座部分，地面監控部門和用戶設備部門組成。其中用戶部門具有巨大的市場前景和商業利益。現代標準GPS軟件接收機都是采用ASIC芯片進行基帶信號處理的，如果要對其進行性能的升級或者改造，就需要重新設計ASIC芯片，其代價很高。隨著近幾年來FPGA技術以及制作工藝上的進步，出現了現代大容量，高速的的FPGA芯片。現場可編程門陣列(FPGA)既繼承了專用集成電路(ASIC)的大規模、高集成度、高可靠性的優點，又克服了普通ASIC設計周期長、投資大、靈活性差的缺點，逐步成為復雜數字電路設計的理想首選。FPGA生產廠商也推出了一些面向DSP的開發工具和能夠有效應用于數字通信系統的IP?core。因此它不僅為現代數字信號處理提供了新的實現方式，而且其在開發設計費用，耗費設計周期以及靈活度方面也有很大的改進。此外由于FPGA的開發設計思想更加貼進物理底層，所以在通信系統的實現和相關算法的硬件驗證上FPGA有更大的優勢。它為通信相關算法的硬件驗證提供了一個很好的物理平臺。尤其是其可采用流水線結構對數據流進行同步處理，從而可以避免事后數據運算所帶來的實時性問題。因此，基于FPGA的GPS軟件接收機具有廣闊的應用前景，它解決了從硬件上實現GPS軟件接收機所帶來的種種不便，為GPS衛星定位技術的進一步發展注入新的活力。

GPS接收機在完成了信號的捕獲之后，就對信號的載波頻率和偽碼相位有了粗略的估計。一般來說，根據信號捕獲的結果，對載波頻率的估計精度在幾百Hz左右，而偽碼相位的估計精度在±0.5個碼片范圍之內。這個精度不足以實現導航電文數據的解調，因為解調數據一般必須在進入穩定的跟蹤狀態以后才可以進行。同時隨著衛星和接收機的相對運動，天線接收到的信號的載波頻率和偽碼相位還在時刻發生變化，而且更為棘手的是，接收機本地的時鐘的鐘漂和隨機抖動也會影響對已捕獲信號的鎖定。所以GPS信號的跟蹤是接收機的核心技術之一，也是影響接收機性能的主要因素。GPS信號跟蹤的目的有兩個，一個是實現對GPS信號中的載波分量的跟蹤；另一個是實現對偽碼分量的跟蹤。為了跟蹤GPS信號中的載波頻率和碼相位，現有技術采用兩個跟蹤環(載波頻率跟蹤環及碼相位跟蹤環)分別跟蹤GPS的載波頻率和碼相位。

發明內容

本發明利用FPGA可對數據進行實時處理的特點，解決了跟蹤算法在PC平臺上常遇到的實時性問題，同時為了保持對GPS信號的鎖定，需要跟蹤環路來進一步確定載波頻率和碼相位并實時調整電路。

本發明采用的技術解決方案為：一種基于FPGA的GPS軟件接收機跟蹤方法，其特征在于：碼相位跟蹤環采用超前-滯后跟蹤環的延遲鎖定環來跟蹤GPS信號中CA碼的相位，載波跟蹤環采用鎖頻環和Costas鎖相環交替工作的方式，當GPS軟件接收機跟蹤開始時，輸入的數字中頻信號分為兩路，和載波發生器的I、Q兩路相乘后進入碼相關器，分別和E、P、L三路偽碼進行相關，得到六路相關結果，在載波跟蹤環路中，取六路相關輸出中的I_P、Q_P進入相位判決器，當相位偏移滿足Δθ＞θ_H，采用載波鑒頻器進行鑒頻運算，使相位偏移不斷縮小直到Δθ＜θ_H時，采用載波鑒相器進行鑒相運算，結果經載波環路濾波器濾波后進入載波發生器中來調整載波頻率；在碼跟蹤環路中，取I_E、I_L、Q_E、Q_L進入碼環路鑒別器進行鑒相運算，結果經過碼環路濾波器濾波后進入CA碼發生器來調整CA碼的相位；兩個環路交叉耦合，對載波頻率和碼相位進行同步跟蹤，使本地復現的載波和碼與信號對準，后級積分累加判決器對I_P進行積分判決后，得到導航數據位。

實現上述基于FPGA的GPS軟件接收機跟蹤方法的系統，設有碼相位跟蹤環及載波頻率跟蹤環兩個交叉耦合的跟蹤環路，其中：

碼相位跟蹤環包括