[發明專利]一種用于衛星定位導航接收系統的數字非整數跟蹤環路

有效

• 申請號: 201410204363.7
• 申請日: 2014-05-14
• 公開（公告）號: CN103983989A
• 公開（公告）日: 2014-08-13
• 發明（設計）人: 付寅飛;楊樂;李秀魁
• 申請（專利權）人: 付寅飛
• 主分類號: G01S19/37
• 分類號: G01S19/37;G01S19/30
• 代理公司: 廣州市越秀區哲力專利商標事務所(普通合伙) 44288
• 代理人: 李悅;張鵬

技術領域

本發明涉及衛星定位導航接收機系統，具體來說涉及GPS系統中跟蹤環路。本發明也支持其他衛星定位導航接收機系統諸如伽利略或者北斗，或者多模衛星定位接收機等。

背景技術

衛星定位導航系統使用多個衛星發送精確的導航信號，使得接收機能夠通過三角定位法確定其當前位置和速度。接收機估算信號從衛星到接收機的傳輸時間，然后計算出衛星的位置以及它們與接收機之間的距離。

GPS是由美國國防部開發的全功能全球定位導航系統。每顆衛星能夠在L1(1575.72MHz)和L2(1227.6MHz)的頻點上同時發送信號。L1信號承載導航信息和PRN(Pseudo?Random?Codes)碼。L1的PRN碼由同相支路上的C/A碼和正交支路上的P(Y)碼組成。C/A碼適用于民用，速率為1.023MHz,每毫秒包含1023碼片。同相部分采用BPSK調制方式，數據率為50bps。

一經收到導航信號，GPS接收機首先識別信號，產生與接收信號匹配的本地載波和碼信號，并和接收信號保持同步以跟蹤信號隨時間的變化。信號捕獲首先獲得信號載波頻率和碼相位偏移的粗估計，然后信號跟蹤用于獲得進一步的精確估算。信號跟蹤模塊包含兩個部分：碼跟蹤環路連續調整本地參考信號以保證和接收PRN碼對齊，相位跟蹤環路用于同步接收的載波信號。一旦成功同步GPS信號，接收機估算出信號從衛星到接收機的傳輸時間。估算方法基于測量本地PRN碼和接收PRN信號之間偏移量，然后接收機估算衛星和接收機之間的距離。如果獲得四顆或者四顆以上的衛星信號，接收機即可估算自身位置。

PRN碼同步的精確程度和接收機偽距以及位置估算的精確度密切相關。通常碼跟蹤環路由數字延遲鎖定環(DLL，Delayed?Locked?Loop)實現，在DLL中，接收機生成碼信號的本地超前復制碼和滯后復制碼，并將這兩個本地復制碼信號和接收信號做相關運算。數字DLL提供了靈活的全數字時間對準環路，此環路不需要反饋數據給接收機的模擬前端。

然后，對于數字電路，時間對準的精確度和接收機的抽樣率有很大關聯。在以前的數字DLL實現中，僅僅靠單純的通過抽頭延遲線控制模塊來控制本地復制碼信號的平滑移位，以達到同步接收信號的要求。本地參考碼是由本地時鐘驅動，其采樣間隔限制了DLL在時間上的分辨率。為了提高偽距估算的精確度，一種方法是提高接收信號的采樣率，另一種方法是移位本地過采樣碼信號。在這些方法中，時間分辨率仍然受到采樣率的限制，其主要缺點是在本地參考信號和接收信號做相關運算的時候，不能提供極細的時間分辨率(temporal?resolution)。另外，當采樣率很高的時候，電路實現的復雜度和成本會急速飆升。

如圖1所示，為現有技術的GPS接收機100的跟蹤環路系統結構圖。GPS接收機100包含了一個天線101去接收GPS衛星信號，并饋送給射頻前端102，一個下變頻模塊103把接收信號轉換到中頻，一個數模(A/D)轉換模塊104把模擬信號轉換成數字信號，一個包含跟蹤環路117的數字信號處理模塊實現接收信號的同步。

跟蹤環路模塊117包含了相位跟蹤環和碼跟蹤環，相位跟蹤環用于跟蹤接收信號的載波頻率和相位，而碼跟蹤環用于同步接收碼信號。如圖1所示，接收信號和本地載波信號相乘，可以將載波信號以及Doppler(多普勒)偏移從數字中頻信號中剔除，產生同相和正交信號。本地載波信號由載波NCO114、sin(正弦)映射單元116和cos(余弦)映射單元115映射函數綜合生成。混頻器105和混頻器106產生的接收碼信號送入相關器組107中，所述相關器組107中的相關器的數量為六個，分別和本地的超前E、即時P和滯后L三個復制碼做相關運算。偽碼(PN，pseudorandom?noise)發生器108產生本地超前和滯后復制碼。

相關器組107將本地即時復制碼和接收信號的相關輸出送入載波鑒相器110中，計算出本地載波和接收信號的相位偏差。該相位偏差經過一載波環路濾波器112和載波NCO(numerically?controlled?oscillator)114，以產生精確的載波信號。載波NCO114的輸出被用來協助碼NCO113產生本地復制碼信號。GPS接收機中的載波跟蹤環路由載波鑒相器110、環路濾波器112、載波NCO114、sin映射單元116和cos映射單元115組成。