一种可变增益的高灵敏度GPS接收机基带频率跟踪方法

一种可变增益的高灵敏度GPS接收机基带频率跟踪方法专利01专利背景附图说明实施方式发明内容权利要求荣誉表彰目录0305020406基本信息《一种可变增益的高灵敏度GPS接收机基带频率跟踪方法》是中国科学院微电子研究所于2006年4月5日申请的发明专利，该专利的申请号为94，公布号为CN，公布日为2007年10月10日，发明人是李金海、陈杰、牟荣增，该专利涉及全球定位技术领域。《一种可变增益的高灵敏度GPS接收机基带频率跟踪方法》通过对载波跟踪环路中锁频环鉴频算法和锁相环鉴相算法的选择，使得载波跟踪环路在快速收敛的同时能够消除由数据调制造成的相位估计误差。在载波跟踪的各阶段利用软件改变载波跟踪环路中鉴频器增益、鉴相器增益和数字控制振荡器的增益，使得接收机灵敏度得到显著提高并降低了频率跟踪误差的标准差。载波跟踪过程中进行两次改进的比特同步，从而提高了低信噪比下全球卫星定位系统（GPS）卫星信号的比特同步成功率。2014年11月6日，《一种可变增益的高灵敏度GPS接收机基带频率跟踪方法》获得第十六届中国专利优秀奖。（概述图为《一种可变增益的高灵敏度GPS接收机基带频率跟踪方法》摘要附图）专利背景专利背景常用的GPS（全球卫星定位系统）接收机在完成对GPS信号的捕获后，多采用多路相关器实现对卫星信号的跟踪和对导航数据的解调。导航卫星传送的GPS信号都是直接序列扩展频谱信号，载波频率为1.吉赫，粗码（C/A）码的码速率为1.023码片/秒。C/A码序列的码长为1023，对应的时间周期为1毫秒。每颗卫星发射不同的C/A码，在接收机端实现码分多址，因此接收机接收到的各卫星信号间几乎没有干扰。导航电文按50bps的速率以BPSK方式调制在各卫星信号上，各导航数据的位边界与C/A码周期的开头对齐；每数据位周期内有20个C/A码周期。由于卫星与用户之间的相对运动等，造成接收机接收到的GPS信号的载波频率存在多普勒频移，同时因为接收机与卫星之间无法理想同步，所以接收机中本地复现码一般与接收到的GPS信号C/A码不同步。为了精确的解算用户接收机的位置和用户的速度，必须实现载波同步和码同步。另外，还必须找到每比特数据的其实码周期以实现比特同步。在接收到的GPS信号信噪比较低的情况下，载波同步和比特同步都很困能。因此，需要一种简单有效的方法实现低信噪比下完成GPS信号的载波同步与比特同步。

发明内容技术方案专利目的发明内容专利目的《一种可变增益的高灵敏度GPS接收机基带频率跟踪方法》给出了一种在GPS接收机基带提高GPS接收机接收灵敏度的方法，该方法简单有效易于实现。在该发明的方法中，相关器输出值直接送入鉴频器和鉴相器进行频率误差和相位误差的估计，无需进行任何形式的累加，因此环路的更新时间仍然是一个C/A码周期。相关器是该技术领域为人所熟知的一种技术，可从与该技术领域相关的站或其他资料中查到详细介绍。鉴频算法和鉴相算法都采用四象限反正切，整个载波跟踪环路具有很高的收敛速度。该发明仅通过对鉴频器增益和数字控制振荡器增益的调整，其他环路参数均无需改变，即可实现高灵敏度的GPS信号跟踪。

技术方案《一种可变增益的高灵敏度GPS接收机基带频率跟踪方法》其特征在于，包括以下步骤：在实现对GPS信号的捕获之后，先利用具有高增益鉴频器和低增益数字控制振荡器的由锁频环辅助的锁相环进行一定时间的载波跟踪，使残余的频率误差降到一定的范围之内，之后在按该方法分别降低鉴频器和数字控制振荡器的增益继续进行载波跟踪，同时在一定时间内进行第一次比特同步，第一次比特同步完成后根据比特同步结果对系统进行必要的修正，进一步降低上述增益后进行第二次比特同步，如果第二次比特同步的结果满足算法的要求则继续进行跟踪，并进行数据解调，否则将重新进行GPS信号的捕获。所述的鉴频器增益和数字控制振荡器的增益的渐变方式。所述的比特同步中采用的直方图算法是仅通过取最大值而获得比特同步并通过综合比较两次比特同步的结果判断是否比特同步成功。附图说明附图说明图1是该发明中载波跟踪环路的方框图。图2是该发明给出的载波跟踪方案进行GPS信号载波跟踪时的方法流程图。

权利要求权利要求1、《一种可变增益的高灵敏度GPS接收机基带频率跟踪方法》其特征在于，包括以下步骤：在实现对GPS信号的捕获之后，先利用具有高增益鉴频器和低增益数字控制振荡器的由锁频环辅助的锁相环进行一定时间的载波跟踪，使残余的频率误差降到一定的范围之内，之后在按该方法分别降低鉴频器和数字控制振荡器的增益继续进行载波跟踪，同时在一定时间内进行第一次比特同步，第一次比特同步完成后根据比特同步结果对系统进行必要的修正，进一步降低上述增益后进行第二次比特同步，如果第二次比特同步的结果满足算法的要求则继续进行跟踪，并进行数据解调，否则将重新进行GPS信号的捕获。2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的比特同步中采用的直方图算法是仅通过取最大值而获得比特同步并通过综合比较两次比特同步的结果判断是否比特同步成功。

实施方式实施方式图1为该发明中载波跟踪环路的方框图，图中各信号含义如下。101为传统GPS接收机中Prompt路相关器输出，该信号可利用中断或软件查询的方式从硬件寄存器获得。每次获得的相关器新输出值101被分别送入一个四象限反正切鉴频器和一个四象限反正切鉴相器，可分别得到频率误差估计信号102和相位误差估计信号103。102和103经过环路滤波器后处理后得到数字控制振荡器的控制信号104，该信号控制着数字控制振荡器产生的本地复现载波的频率，105为数字控制振荡器的输出信号。图2为利用该发明给出的方案进行GPS信号载波跟踪时的方法示意图。在实现了对GPS信号的正确捕获后，进行数据解调之前，进行GPS信号载波跟踪时，1）使用一个由锁频环辅助的锁相环实现对GPS信号载波的初始跟踪，鉴频器增益选取较高值但不宜过大，数字控制振荡器增益稍小于1，在环路工作了一段预先设定的时间后转入第二步；2）继续使用上述环路进行跟踪，用直方图法进行比特同步，该阶段鉴频器增益、数字控制振荡器增益的选取相对前一阶段有所降低；3）继续上述跟踪过程，并用相同的方法再次进行比特同步，经过一段时间后，取出直方图中最大值的位置作为一个比特周期的起始位置，如果最大值出现在直方图的第一个位置则认