專利名稱：一種全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)及其跟蹤方法
技術領域：
本發(fā)明涉及全球衛(wèi)星定位與導航領域，特別是一種用于全球定位系 統(tǒng)接收機的跟蹤技術領域。
背景技術：
全球衛(wèi)星定位與導航系統(tǒng)，例如全球定位系統(tǒng)(GPS),包括一組發(fā)送 GPS信號的一個衛(wèi)星星座(又被稱為Navstar衛(wèi)星)，該GPS信號能被接收 機用來確定該接收機的位置。衛(wèi)星軌道被安排在多個平面內(nèi)，以便在地球 上任何位置都能從至少四顆衛(wèi)星接收該種信號。更典型的情況是，在地球 上絕大多數(shù)地方都能從六顆以上衛(wèi)星接收該種信號。
每一顆GPS衛(wèi)星所傳送的GPS信號都是直接序列擴頻信號。商業(yè)上使 用的信號與標準定位服務(SPS)有關，而且被稱之為粗碼(C/A碼)的直 接序列二相擴頻信號，在1575.42MHz的載波下，具有每秒1.023兆碼片的 速率。偽隨機噪聲(PN)序列長度是1023個碼片，對應于1毫秒的時間周 期。每一顆衛(wèi)星發(fā)射不同的PN碼(Gold碼)，使得信號能夠從幾顆衛(wèi)星同 時發(fā)送，并由一接收機同時接收，相互間幾乎無干擾。術語"衛(wèi)星星號"和這 個PN碼相關，可以用以標示不同的GPS衛(wèi)星。
GPS的調(diào)制信號是導航電文(又被稱為D碼)和PN碼的組合碼。導航電 文的速率為每秒50比特。D碼的基本單位是一個1500比特的主幀，主幀 又分為5個300比特的子幀。其中子幀一包含了標識碼，星種數(shù)據(jù)齡期， 衛(wèi)星時鐘修正參數(shù)信息。子幀二和子幀三包含了實時的GPS衛(wèi)星星歷 (ephemeris),星歷是當前導航定位信息的最主要內(nèi)容。利用子幀一至子幀 三的信息即可以實現(xiàn)定位，完成定位的基本任務。子幀四和子幀五包含了 1-32顆衛(wèi)星的健康狀況，UTC校準信息和電離層修正參數(shù)及1-32顆衛(wèi)星的歷書(almanac )。歷書是衛(wèi)星星歷參數(shù)的簡化子集，用于預測相對于接收 機的可見衛(wèi)星及其多普勒頻偏。歷書每12.5分鐘廣播一次，壽命為一周， 可延長至2個月。
對某顆衛(wèi)星的信號實現(xiàn)跟蹤是全球定位系統(tǒng)接收機進行偽距測量進而 實現(xiàn)定位解算的前提。跟蹤靈敏度是度量全球定位系統(tǒng)接收機跟蹤能力乃 至全球定位系統(tǒng)接收機整體性能的重要指標。GPS系統(tǒng)設計保證了在空曠 天空的情況下，GPS接收機接收到的衛(wèi)星信號大于-130dBm。但是城市峽谷、 密林、高架乃至室內(nèi)等衛(wèi)星信號遮擋嚴重情況下，衛(wèi)星信號的強度往往低 于-155dBm甚至-160dBm。然而跟蹤靈敏度的高低直接決定了全球定位系統(tǒng) 接收機在上述下定位的性能甚至是否可用。早期的商用GPS接收機的跟蹤 靈敏度大概在-150dBm左右。而現(xiàn)代接收才幾的最高水平在-157dBm ~ -161dBm，且達到這樣的指標往往是以百萬計的相關器的硬件規(guī)模為代價 的。如何提高跟蹤靈敏度同時保證硬件規(guī)模在可以接收的范圍內(nèi)是全球定 位系統(tǒng)接收機的 一個核心l支術。
GPS基帶芯片是GPS接收機中處理基帶信號的芯片，是整個GPS接收 機的核心。本發(fā)明的各種方法均在GPS基帶芯片中實現(xiàn)。為方便起見，本 發(fā)明中"接收機"均指"GPS基帶芯片，，。
圖1描述了一個典型的全球定位系統(tǒng)接收機實現(xiàn)定位解算的方法。已 知四顆衛(wèi)星的位置101以及這四顆衛(wèi)星和接收機之間的偽距102，即可以通 過所謂"偽距觀測方程，，計算出接收機的位置103和接收機時間相對衛(wèi)星時 間的誤差值，完成了定位解算的工作。
圖2描述了 一個典型的GPS接收機定位流程。圖2所示過程是從接收 機上電初始化201開始，直至解算出接收機位置206結(jié)束。通常接收機上 電后進入捕獲狀態(tài)202,搜索視線內(nèi)的衛(wèi)星、該衛(wèi)星的載波頻率和PN碼的 碼相位。這個狀態(tài)下對載波頻率的搜索是粗糙的，通常在數(shù)百赫茲的量級。 之后進入頻率牽引狀態(tài)203，把本地頻率牽引到和衛(wèi)星載波頻率相差幾個赫 茲的量級。完成頻率牽引后，接收機進入跟蹤狀態(tài)204,完成幀同步，進而
7進入解調(diào)電文狀態(tài)205。本發(fā)明專注的自輔助跟蹤方法適用于跟蹤204過程。 進一步地，將載波上調(diào)制的電文解調(diào)出來用于在隨后的解算狀態(tài)206下計 算接收機位置。
圖3描述了一個經(jīng)典的DLL載波環(huán)和碼環(huán)的結(jié)構。這種結(jié)構可以比較 清楚的分成載波環(huán)和碼環(huán)兩個部分。從GPS射頻前端獲取的中頻信號進入 GPS基帶模塊后被分成兩路，經(jīng)過乘法器301/302和由載波數(shù)控振蕩器(以 下稱載波NCO) 305復現(xiàn)的本地載波通過Sin映射單元303和Cos映射單 元304映射生成的兩路互相正交的載波信號分量分別相乘，進行下變頻。 其結(jié)果輸入到相關器組306中，和由碼發(fā)生器311生成的本地C/A碼進行 相關。相關的具體過程本領域內(nèi)熟知人員都應了解，在此不再贅述。進一 步地，相關器組的結(jié)果輸出給碼鑒相器307進行鑒相。鑒相值經(jīng)過碼濾波 器308濾波，和載波環(huán)的輸出乘以比例因子312相加后輸出給碼NCO 310, 以控制本地C/A碼的頻率，即控制碼發(fā)生器313的生成本地C/A的速率。 可見相關器組、碼鑒相器、碼濾波器、碼NCO和碼發(fā)生器共同組成了碼環(huán)。 比例因子312為1/1540，這是由載波頻率和C/A頻率之間的比例關系決定 的。
另一方面，相關器組的結(jié)果同時輸出給載波鑒相器314進行鑒相。其 鑒相結(jié)果(如相位誤差)通過載波濾波器313進行濾波，進而輸出給載波 NCO 305控制本地復現(xiàn)載波的頻率。而本地復現(xiàn)載波的頻率改變通過 Sin/Cos映射單元304生成的正交載波分量和接收中頻信號進行相乘，從而 完成對環(huán)路的調(diào)整?？梢娤嚓P器組306、載波鑒相器314、載波濾波器313、 載波NCO 305、 Sin/Cos映射單元303/304和乘法器301/302共同組成了載 波環(huán)。
這種結(jié)構筒單實用，因而被很多經(jīng)典接收機所采用。雖然有很多改型， 但基本都是對碼濾波器308和載波濾波器313的階數(shù)和系數(shù)針對不同的應 用進行微調(diào)，基本的結(jié)構都是類似的。但是該結(jié)構由于鎖相環(huán)本身的性能 限制，導致其在極低信噪比時的跟蹤能力有限。通常使用這種結(jié)構的接收機的跟蹤靈敏度很難超過-152dBm。
圖4描述了利用FFT頻率估計實現(xiàn)載波跟蹤的已有設計結(jié)構?？梢钥?到該結(jié)構和圖3所示的結(jié)構很類似。特別是由相關器組406、碼鑒相器407、 碼濾波器408、碼NCO 410 (碼數(shù)控振蕩器)和碼發(fā)生器411共同組成的碼 環(huán)和圖3所示的碼環(huán)是完全相同的。不同處在于該結(jié)構利用FFT 413對相 關器組的輸出進行快速傅立葉變換(FFT)，從而獲得對載波頻率的估計， 進而以載波頻率估計值更新載波NCO 405頻率。其他部分和圖3所示結(jié)構 均相同。
這種結(jié)構能夠很好的改善接收機的跟蹤靈敏度，通常使用這種結(jié)構接 收機的跟蹤靈敏度能夠達到-157dBm。但是這種環(huán)路結(jié)構復雜，快速傅立 葉變換(FFT)運算需要大量的硬件資源，功耗也相當可觀。同時長時間積 分引入的多普勒誤差會惡化頻率估計的精度，導致跟蹤靈敏度不能進一步 提高。另外該方法無法獲得載波相位信息，定位精度不高。
圖5描述了一個利用擴展卡爾曼濾波實現(xiàn)載波跟蹤已有設計的結(jié)構示 意圖。該方案是已有設計中性能比較突出的一種?？梢钥吹皆摻Y(jié)構和圖3、 圖4所示的結(jié)構很類似。特別是由相關器組506、碼鑒相器507、碼濾波器 508、碼NC0510 (碼數(shù)控振蕩器)和碼發(fā)生器511共同組成的碼環(huán)和圖3、 圖4所示的碼環(huán)是完全相同的。不同處在于該結(jié)構利用擴展卡爾曼濾波器 (EKF)511對相關器組的輸出進行濾波和估計，獲得載波的頻率和相位的 估計，進而以這些估計值更新載波NC0 505的頻率，其他部分和圖3、圖4 所示結(jié)構都相同。
這種結(jié)構能夠4艮好的改善接收機的跟蹤靈敏度，通常使用這種結(jié)構接 收機的跟蹤靈敏度能夠達到_ 157dBm甚至更高。同時該結(jié)構可以對載波相 位進行測量，也可以解調(diào)導航電文，相對圖3、圖4的結(jié)構優(yōu)勢明顯。但是 這種環(huán)路結(jié)構復雜，EKF包含大量的矩陣運算，硬件難以實現(xiàn)，功耗也相 當可觀。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種對全球定位系統(tǒng)接收機自輔助跟蹤 系統(tǒng)，以提高跟蹤通道在極低信噪比下的進行自輔助跟蹤性能。
本發(fā)明的又一 目的在于提供一種對全球定位系統(tǒng)接收機自輔助跟蹤 的方法，以提高跟蹤通道在極低信噪比下的進行自輔助跟蹤性能。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題是采用以下技術方案來實現(xiàn)的。依 據(jù)本發(fā)明提出的一種全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，所述自輔
助跟蹤方法包含以下步驟依據(jù)衛(wèi)星星歷計算衛(wèi)星位置和速度；利用接 收機獲取用戶位置和速度；依據(jù)所述衛(wèi)星位置和速度以及所述用戶位置 和速度來計算目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏；依據(jù)跟蹤狀態(tài)衛(wèi)星的跟蹤多 普勒頻偏和所述預測多普勒頻偏計算預測多普勒頻偏的修正值；依據(jù)所 述預測多普勒頻偏的修正值修正所述目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏；依據(jù) 修正的所述目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏更新載波數(shù)控振蕩器頻率，并獲 得碼環(huán)輔助量以輔助碼環(huán)跟蹤。
其中所述衛(wèi)星星歷是從所述衛(wèi)星導航電文中解調(diào)獲得。 其中所述衛(wèi)星星歷通過外部輔助網(wǎng)絡GSM或CDMA或WIFI通信
網(wǎng)絡獲取的導航電文中獲得。
其中所述用戶位置和速度在有效衛(wèi)星大于等于三顆時由接收機直接
解算獲得，在有效衛(wèi)星小于三顆時由接收機利用先前有效定位的位置和
速度外推獲得。
其中所述用以用戶外置和速度在有效衛(wèi)星小于三顆時，利用外部輔 助傳感器獲得。
其中所述用以計算目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏是通過計算衛(wèi)星和用 戶的相對速度獲得。
其中計算所述預測多普勒修正值至少需要 一 顆衛(wèi)星處于跟蹤狀態(tài)。 其中所述計算預測多普勒修正值包含以下步驟計算所有處于跟蹤衛(wèi)星的載噪比；獲取所述載噪比最高的衛(wèi)星；根據(jù)本地栽波的頻率計算 所述衛(wèi)星的跟蹤多普勒頻偏；依據(jù)所述衛(wèi)星位置和速度以及所述用戶位 置和速度計算所述衛(wèi)星的預測多普勒頻偏；計算該衛(wèi)星的跟蹤多普勒頻 偏和所述預測多普勒頻偏的差值；將所述差值進行平滑處理，獲得預測 多普勒頻偏修正值。
其中所述平滑處理利用的平滑緩存的長度和預測多普勒頻偏的修正 <直成正比。
其中對所述差值求平均值進行平滑處理，或?qū)λ霾钪颠M行加權平 均處理，其中權值和跟蹤的載噪比成正比。
其中用預測載波多普勒頻偏直接更新載波數(shù)控振蕩器頻率的更新速 率值和環(huán)路穩(wěn)定度成正比和功耗成反比。
其中利用所述預測載波多普勒頻偏值對載波數(shù)控振蕩器更新的更新 頻率值是由所述預測多普勒頻偏更新值根據(jù)更新速率插值獲得。
其中所述碼環(huán)的輔助量由相鄰兩次載波多普勒頻率的差值獲得，或 由預測載波多普勒頻偏變化率乘以比例因子獲得。
其中所述的比例因子為偽隨機碼速率和載波頻率之比值。
其中進一步包括將所述差值存入平滑緩存前對進行差值保護，若預 測多普勒頻偏和跟蹤多普勒差值超過門限則將其拋棄。
本發(fā)明的目的及解決其技術問題還可采用以下技術措施進一步實 現(xiàn)。 一種全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)，包括 一多普勒預測 器，依據(jù)衛(wèi)星星歷獲取的衛(wèi)星位置和速度，以及利用接收機獲取的用戶 位置和速度來預測多普勒頻偏； 一載波數(shù)控振蕩器，接收所述多普勒頻 偏，生成相應的本地載波多普勒頻偏，所述本地載波多普勒頻偏經(jīng)由映 射單元后與兩路正交信號相乘進行載波剝離； 一相關器組接收載波剝離 后的偽隨機碼信號和本地偽隨機碼相關以產(chǎn)生相關值；所述相關值依次 經(jīng)過碼鑒相器鑒相和碼濾波器濾波后，獲得跟蹤目標衛(wèi)星偽隨機碼和本 地偽隨機碼之間的相位誤差估計； 一碼數(shù)控振蕩器，接收相位誤差估計說明書第7/14頁
以及由比例因子處理的載波多普勒頻偏，產(chǎn)生和跟蹤目標衛(wèi)星的偽隨機 碼頻率相位 一致的本地偽隨機碼。
其中所述多普勒預測器依據(jù)跟蹤狀態(tài)衛(wèi)星的跟蹤多普勒頻偏和所述
預測多普勒頻偏計算預測多普勒頻偏的修正值；
其中所述多普勒預測器依據(jù)所述預測多普勒頻偏的修正值修正所述 目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏；
其中所述多普勒預測器依據(jù)修正的所述目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏 更新載波數(shù)控振蕩器頻率，并獲得碼環(huán)輔助量以輔助碼環(huán)跟蹤。
其中所述衛(wèi)星星歷是從所述衛(wèi)星導航電文中解調(diào)獲得。
其中所述衛(wèi)星星歷通過外部輔助網(wǎng)絡GSM或CDMA或WIFI通信 網(wǎng)絡獲取的導航電文中獲得。
其中所述用戶位置和速度在有效衛(wèi)星大于等于三顆時由接收機直接 解算獲得，在有效衛(wèi)星小于三顆時由接收機利用先前有效定位的位置和 速度外推獲得。
其中所述用以用戶外置和速度在有效衛(wèi)星小于三顆時，利用外部輔 助傳感器獲得。
其中所述用以計算目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏是通過計算衛(wèi)星和用
戶的相對速度獲得。
其中計算所述預測多普勒修正值至少需要一顆衛(wèi)星處于跟蹤狀態(tài)。 其中所述的比例因子為偽隨機碼速率和載波頻率之比值。 借由上述技術方案，本發(fā)明多通道跟蹤方法至少具有下列優(yōu)點 本發(fā)明由于在預先獲取衛(wèi)星導航電文的前提下，僅需要一顆處于跟
蹤狀態(tài)的衛(wèi)星進行多普勒修正，不需要其他外部傳感器輔助，所以結(jié)構
簡單系統(tǒng)成本低。
本發(fā)明由于使用預測多普勒并加以修正的方法更新載波環(huán)，避免了 極低信噪比是引入大量噪聲，所以對于動態(tài)不高的信號的跟蹤靈敏度可 以大大提高。實驗證明對于動態(tài)不高的信號可以實現(xiàn)超過-160dBm的跟
12蹤靈敏度。
本發(fā)明由于使用預測多普勒并加以修正的方法更新載波環(huán)，避免了 引入擴展卡爾曼等方法的大量實時計算，所以環(huán)路結(jié)構簡單，計算量小， 方便移植到已有設計中，功耗也大大降低。
本發(fā)明由于對預測多普勒進行了修正，所以降低了對預測多普勒的 精度要求，方便實現(xiàn)，同時跟蹤的精度和靈敏度大大提高。
上述說明僅是本發(fā)明技術方案的概述，為了能夠更清楚了解本發(fā)明 的技術手段，而可依照說明書的內(nèi)容予以實施，并且為了讓本發(fā)明的上 述和其他目的、特征和優(yōu)點能夠更明顯易懂，以下特舉較佳實施例，并 配合附圖，詳細說明如下。


圖1是典型的全球定位系統(tǒng)接收機實現(xiàn)解算定位的示意圖2是典型的GPS接收機定位流程；
圖3是經(jīng)典的DLL載波環(huán)和碼環(huán)的結(jié)構示意圖4是利用FFT頻率估計實現(xiàn)載波跟蹤的已有設計結(jié)構示意圖5是利用擴展卡爾曼濾波實現(xiàn)載波跟蹤已有設計的結(jié)構示意圖6是本發(fā)明提出的自輔助跟蹤的結(jié)構示意圖7是本發(fā)明實現(xiàn)自輔助跟蹤的流程圖8是本發(fā)明計算預測多普勒修正值的流程圖。
具體實施例方式
為更進一步闡述本發(fā)明為達成預定發(fā)明目的所采取的技術手段及功效, 以下結(jié)合附圖及較佳實施例，對依據(jù)本發(fā)明提出的無線定位方法的具體實 施方式、結(jié)構、特征及其功效，詳細說明如后。
圖6描述本發(fā)明提出的自輔助跟蹤的結(jié)構。和圖3、圖4以及圖5 所示的結(jié)構類似，相關器組606、碼鑒相器607、碼濾波器608、碼NCO 610和碼發(fā)生器611共同組成了碼環(huán)。這部分結(jié)構和功能和圖3、圖4以及圖5所示的碼環(huán)是完全相同的。但是不同于圖3、圖4以及圖5所 示的結(jié)構，充當載波環(huán)功能的是一個獨立的多普勒預測器613和一個載 波數(shù)控振蕩器(載波NCO) 605。
接收機接收到的信號首先和載波NCO 605產(chǎn)生的本地載波經(jīng)過sin 603單元和Cos 604單元映射之后的兩路正交信號相乘601/602后完成載 波剝離。其載波剝離后的結(jié)果輸入給相關器組606和碼發(fā)生器611產(chǎn)生 的本地偽隨機碼進行相關。相關值經(jīng)過碼鑒相器607和碼濾波器608獲 得接收跟蹤衛(wèi)星偽隨機碼和本地復現(xiàn)偽隨機碼之間的相位誤差的估計， 進而反4t控制碼NCO 610〗吏之產(chǎn)生和接收偽隨才幾碼頻率相位均一致的 本地偽隨機碼序列。而載波NCO 605是由多普勒預測單元613預測估計 出的載波多普勒頻偏直接控制的，其載波NCO產(chǎn)生的本地載波的頻率 和載波多普勒頻偏的估計值直接相關。同時，載波多普勒頻偏的估計值 還進一步通過一個比例因子處理后和所述相位誤差的估計一起控制控制
碼數(shù)控振蕩器(碼NCO) 610。比例因子是偽隨機碼速率和載波頻率之比 值，對于Ll頻率和C/A碼而言，比例因子為1/1540。
雖然上述的結(jié)構表面上和圖3、圖4和圖5所示的結(jié)構類似，實際 上該結(jié)構的載波環(huán)是開環(huán)的。其多普勒預測單元613不是通過相關器組 的輸出經(jīng)過不同類型的濾波和估計獲得載波環(huán)更新量，而是通過計算衛(wèi) 星和用戶之間的相對速度并加以修正之后獲得該衛(wèi)星的載波多普勒，進 而利用載波多普勒直接控制載波NCO 605生成包含相應多普勒的本地 載波。多普勒預測單元613所需信息都是接收機在一定條件下自助獲得 的，不需要額外的傳感器輔助，因此被稱為自輔助跟蹤。多普勒預測單 元613的具體工作細節(jié)將在圖7中詳細描述。
圖7描述了本發(fā)明提出的自輔助跟蹤的實現(xiàn)流程。首先利用星歷計 算衛(wèi)星的位置和速度701。利用星歷計算衛(wèi)星位置和速度的方法在GPS 的用戶接口文檔(GPS-ICD-200 )中已經(jīng)有詳細的敘述，在此不再贅述。 用以計算星歷可以是由通過解調(diào)該衛(wèi)星的導航電文獲得。由于星歷的有效期為四個小時，在四個小時內(nèi)獲取該衛(wèi)星的導航電文并將其保存下來 是易于實現(xiàn)的。在某些極端的情況下直接解調(diào)該衛(wèi)星的導航電文比較困 難，如接收機剛剛開機，某些衛(wèi)星由于遮擋嚴重信噪比極低而導致電文
無法解調(diào)。在這種情況下，^接收^L仍可以通過外部輔助網(wǎng)絡，如GSM、 CDMA、 WIFI等通信網(wǎng)絡輔助獲取導航電文。
進一步地，獲取用戶的位置和速度702。如果當前有效衛(wèi)星數(shù)目大 于等于3時，接收機則可以通過定位解算精確獲得用戶的位置和速度。 若當前有效衛(wèi)星小于3時，接收機可以通過上次定位時獲得的用戶位置 和速度進行外推來獲得當前用戶的位置和速度(如該外推可采用現(xiàn)有的 稱為dead reckoning的算法)。特別的，當4妾收才幾動態(tài)不高時，如用戶 處于步行狀態(tài)，用戶速度可以近似認為是零。用戶位置和速度的精度對 自輔助跟蹤的性能有一定影響，但是這種影響較小，即一定范圍內(nèi)的誤 差是可以忍受的。如果存在額外的速度傳感器進行輔助，則能夠進一步 改善自輔助跟蹤的精度，但是這類的外部速度傳感器不是必須的。
進一步地，計算目標衛(wèi)星的預測多普勒703。已知衛(wèi)星位置和速度 以及用戶的位置和速度計算衛(wèi)星多普勒頻偏有很多種方法。例如方法一 直接利用衛(wèi)星的速度獲得衛(wèi)星多普勒頻偏，如下式
x5.2514
其中&為用戶速度矢量，^為衛(wèi)星接收矢量，〖為用戶到衛(wèi)星的方向 矢量，該矢量可以由衛(wèi)星位置和用戶位置獲得。
或者如方法二，根據(jù)相鄰時刻衛(wèi)星和用戶的相對距離的變化獲得衛(wèi) 星多普勒頻偏。設tl時刻的衛(wèi)星位置為satxl、 satyl、 satzl，用戶位置 為xul、 yul、 zul。則tl時刻的衛(wèi)星與用戶的距離為
rl = "^aZxl - xwl)2 + (s鄉(xiāng)l - >>wl)2 + —tel - zwl)2 t2時刻的衛(wèi)星位置為satx2、 saty2、 satz2，用戶位置為xu2、 yu2、zu2， t2時刻的衛(wèi)星與用戶的距離為
= V(s敏2 - jcw2)2 + (sfl(y2 —戸2)2 + (s加2 — zw2)2 則tl到t2時刻，衛(wèi)星與用戶的平均相對速度為v /(,2-,1)
多普勒頻偏為力=二/ = ^^".2514
第一種方法計算量稍大，但預測的多普勒較為精確。而第二種方法 計算簡單，不需要計算衛(wèi)星速度，但預測多普勒精度稍差，特別是實時 性較差。本發(fā)明的一個較優(yōu)實施例使用方法一預測多普勒，本發(fā)明的一 個較優(yōu)實施例使用方法二預測多普勒。
進一步地，計算預測多普勒修正值704。接收機至少需要一顆處于 跟蹤狀態(tài)的衛(wèi)星用以計算預測多普勒修正值。該步驟的基本思想是計算 處于跟蹤狀態(tài)衛(wèi)星的跟蹤多普勒和預測多普勒的差值經(jīng)過平滑后作為預 測多普勒的修正值。這里平滑處理即可以簡單的求平均值，也可以加權 平均，其中權值和跟蹤的載噪比成正比。具體如本發(fā)明的一個較佳實施 例使用簡單的求所有處于跟蹤狀態(tài)衛(wèi)星在多個檢測時間點上的跟蹤多普 勒和預測多普勒的差值的平均的方法實現(xiàn)平滑。本發(fā)明的另一個較佳實 施例首先每個檢測時間點上的尋找跟蹤信噪比最高的衛(wèi)星跟蹤多普勒和 預測多普勒的差值，進而求多個時間點的跟蹤多普勒和預測多普勒的差 值時域平均的方法進行平滑。本發(fā)明的另 一個較佳實施例首先每個檢測 時間點上的以跟蹤衛(wèi)星的信噪比為權重求所有跟蹤衛(wèi)星的跟蹤多普勒和 預測多普勒的加權平均值，進而求多個4企測時間點上的加權平均值再做 時域平均的方法進行平滑。接收機至少需要一顆處于跟蹤狀態(tài)衛(wèi)星進行 修正值的計算。這樣的要求對于絕大多數(shù)接收機應用場合是易于實現(xiàn)的。 計算預測多普勒修正值的詳細過程將在圖8中詳細描述。
進一步地，利用預測多普勒修正值修正各個目標衛(wèi)星的預測多普勒 705。這里進行修正就是簡單的將其差值減去，例如對于參考衛(wèi)星而言， 跟蹤出的多普勒為1000Hz，預測出的多普勒為1200Hz，則修正值為 200Hz,對于其他衛(wèi)星，如果預測出的多普勒為800Hz，則修正后的預 測多普勒為600Hz。隨后利用修正后的預測多普勒直接控制載波NCO 605生成包含預測多普勒的本地載波，同時生成碼環(huán)的輔助量來輔助碼 環(huán)跟蹤706。碼環(huán)的輔助量由相鄰兩次載波多普勒頻率的差值或由預測 的載波多普勒變化率乘以比例系數(shù)獲得。比例系數(shù)對于L1波段C/A碼而言為1/1540，對于其他波段其他碼率的信號，可以用碼頻率/載波頻率 獲得。更新的速率可調(diào)，更新量(包括栽波更新量和碼環(huán)輔助量)根據(jù) 不同的更新速率內(nèi)插獲得，具體而言若更新速率為1Hz/s即每秒更新一 次目標衛(wèi)星的預測多普勒，某次預測的多普勒增量為2Hz，則在每lms 的更新環(huán)路過程中，更新的多普勒增量為2/1000=0.002Hz。提高更新速 度能夠一定程度上改善環(huán)路的穩(wěn)定性，即對于相同信噪比的信號而言， 提高更新速度能夠一定程度上改善碼環(huán)相位(或頻率)振動誤差，延長 維持跟蹤的時間，但也會帶來功耗的提高。本發(fā)明的一個較優(yōu)實施例使 用lms的更新間隔，著重提高環(huán)路穩(wěn)定度。本發(fā)明的另一個較優(yōu)實施例 使用20ms的更新間隔，降低功耗。完成一次^修正后即進入下一輪的環(huán) 路更新的運算。
圖8描述了本發(fā)明計算預測多普勒修正值的流程。首先計算所有處 于跟蹤狀態(tài)的衛(wèi)星的載噪比801。術語"載噪比"被定義為載波與噪聲譜 密度之比("carrier-to-noise density ratio",即載波功率與噪聲功率譜密度 的比)C/N0
C / JV0 = (SiW )(5)[ra//o — Hz]
由于擴頻信號的信噪比SNR在解擴前后差別很大，因而，將信噪比 SNR歸一化到1 Hz帶寬內(nèi)，從而得到一個與帶寬相關聯(lián)的信噪比作為 衡量信號強度的標準。適用于GPS接收機的載噪比估計有很多方法，在 本發(fā)明的一個較優(yōu)實施例中是通過如下的公式進行估計，但并不限定必 須采用下述方法
,尸,(》/,2 + 02))4
1
a/ 2m 2
腫，雔 i k
A 4=1
iV。 ，M-
其中I為某通道同向采樣信號，Q為某通道正交項采樣信號，K = 50，
17M = 20。
進一步地，尋找載噪比最高的衛(wèi)星802，并計算該衛(wèi)星的跟蹤多普 勒頻偏803。跟蹤多普勒可以通過其跟蹤環(huán)路復現(xiàn)的本地載波的頻率獲 得(這里載波NCO產(chǎn)生的多普勒頻偏即是復現(xiàn)的本地載波)。進而計 算該衛(wèi)星的預測多普勒頻偏803。計算預測多普勒頻偏的過程和圖7中 所示的701-703過程是完全一致的。
進一步地，計算跟蹤多普勒頻偏和預測多普勒頻偏的差值805，并 經(jīng)過差值保護806后存儲平滑緩存807。差值保護是將跟蹤多普勒頻偏 和預測多普勒頻偏的差值限定在一定的范圍內(nèi)，其中所述誤差保護范圍 跟晶振的最大頻移(其真實頻率和標稱頻率之間的差值)成正比。例如假 設晶振的最大頻偏為500Hz,則可將跟蹤多普勒頻偏和預測多普勒頻偏 的差值限定在正負lKHz之內(nèi)，拋棄掉由于預測多普勒頻偏錯誤造成的 奇異值，該奇異值是和真實值偏離較大的值，如超過了可能的多普勒頻 偏范圍(如正負5KHz)。平滑緩存FIFO用以存儲計算獲得的跟蹤多普 勒頻偏和預測多普勒頻偏的差值，用以平滑獲得最后的修正值。平滑緩 存的長度越長(即開辟的存儲空間)則預測多普勒修正值越精確，但是 占用的硬件資源也越多。
最后對平滑緩存中存儲的跟蹤多普勒頻偏和預測多普勒頻偏進行平 滑，獲得最終的預測多普勒修正值。完成一次修正量的計算之后即進入 下一輪的修正量的運算。
盡管本發(fā)明的方法和裝置是參照GPS衛(wèi)星來描述的，但應當理解， 這些原理同樣適用于采用假衛(wèi)星(pseudolites )或衛(wèi)星與假衛(wèi)星的組合的 定位系統(tǒng)。假衛(wèi)星是一種基于地面的發(fā)射機，它傳播調(diào)制在L頻段在波 信號上PN碼(與GPS信號相似)，并且通常是與GPS時間同步的。每 一發(fā)射機可以凈皮賦予一個獨特的PN碼，從而允許由遠端接收機進行識 別。假衛(wèi)星用在這樣的情況下，即，來自軌道衛(wèi)星的GPS信號缺失，如 隧道、礦山、建筑物或者其他的封閉區(qū)及明顯遮擋。這里所使用的術語"衛(wèi) 星"包括假衛(wèi)星或假衛(wèi)星的等效，而這里所使用的術語GPS信號包括來 自假衛(wèi)星或者假衛(wèi)星等效的類似GPS的信號。
在前面的討論中，本發(fā)明是參照美國全球定位系統(tǒng)(GPS)來描述 的。然而，應當理解，這些方法同樣適用于類似的衛(wèi)星定位系統(tǒng)，如俄 羅斯的格洛納斯(Glonass)系統(tǒng)，歐洲的伽利略(Galileo)系統(tǒng)和中國的北斗1及北斗2系統(tǒng)。所使用的術語"GPS"還包括這樣一些衛(wèi)星定位 系統(tǒng)，如俄羅斯的格洛納斯(Glonass )系統(tǒng)，歐洲的伽利略(Galileo ) 系統(tǒng)和中國的北斗l及北斗2系統(tǒng)。術語"GPS信號"包括來自另一些衛(wèi) 星定位系統(tǒng)的信號。
上文中，已經(jīng)描述了用于全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤的實現(xiàn) 方法。盡管本發(fā)明是參照特定實施例來描述的，4旦4艮明顯，本領域熟練 人員，在不偏移權利要求書所限定的發(fā)明范圍和精神的情況下，還可以 對這些實施例作各種修改和變更。因此，說明書和附圖是描述性的，而 不是限定性的。
權利要求
1、一種全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，所述自輔助跟蹤方法包含以下步驟依據(jù)衛(wèi)星星歷計算衛(wèi)星位置和速度；利用接收機獲取用戶位置和速度；依據(jù)所述衛(wèi)星位置和速度以及所述用戶位置和速度來計算目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏；依據(jù)跟蹤狀態(tài)衛(wèi)星的跟蹤多普勒頻偏和所述預測多普勒頻偏計算預測多普勒頻偏的修正值；依據(jù)所述預測多普勒頻偏的修正值修正所述目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏；依據(jù)修正的所述目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏更新載波數(shù)控振蕩器頻率，并獲得碼環(huán)輔助量以輔助碼環(huán)跟蹤。
2、 根據(jù)權利要求l所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，其 特征在于，所述衛(wèi)星星歷是從所述衛(wèi)星導^^電文中解調(diào)獲得。
3、 根據(jù)權利要求l所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，其 特征在于，所述衛(wèi)星星歷通過外部輔助網(wǎng)絡GSM或CDMA或WIFI通信網(wǎng) 絡獲取的導航電文中獲得。
4、 根據(jù)權利要求l所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，其 特征在于，所述用戶位置和速度在有效衛(wèi)星大于等于三顆時由接收機直接 解算獲得，在有效衛(wèi)星小于三顆時由接收機利用先前有效定位的位置和速 度外推獲得。
5、 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，其 特征在于，所述用以用戶外置和速度在有效衛(wèi)星小于三顆時，利用外部輔 助傳感器獲得。
6、 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，其特征在于，所述用以計算目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏是通過計算衛(wèi)星和用 戶的相對速度獲得。
7、 根據(jù)權利要求l所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，其 特征在于，計算所述預測多普勒修正值至少需要一顆衛(wèi)星處于跟蹤狀態(tài)。
8、 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，其 特征在于，所述計算預測多普勒修正值包含以下步驟計算所有處于跟蹤衛(wèi)星的載噪比；獲取所述載-喿比最高的衛(wèi)星；根據(jù)本地載波的頻率計算所述衛(wèi)星的跟蹤多普勒頻偏； 依據(jù)所述衛(wèi)星位置和速度以及所述用戶位置和速度計算所述衛(wèi)星的預 測多普勒頻偏；計算該衛(wèi)星的跟蹤多普勒頻偏和所述預測多普勒頻偏的差值； 將所迷差值進行平滑處理，獲得預測多普勒頻偏修正值。
9、 根據(jù)權利要求8所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，其 特征在于，所述平滑處理利用的平滑緩存的長度和預測多普勒頻偏的修正 值成正比。
10、 根據(jù)權利要求9所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法， 其特征在于，對所述差值求平均值進行平滑處理，或?qū)λ霾钪颠M行加權 平均處理，其中權值和跟蹤的載噪比成正比。
11、 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法， 其特征在于，用預測載波多普勒頻偏直接更新載波數(shù)控振蕩器頻率的更新 速率值和環(huán)路穩(wěn)定度成正比和功耗成反比。
12、 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法， 其特征在于，利用所述預測載波多普勒頻偏值對載波數(shù)控振蕩器更新的更 新頻率值是由所述預測多普勒頻偏更新值根據(jù)更新速率插值獲得。
13、 根據(jù)權利要求1所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法，其特征在于，所述碼環(huán)的輔助量由相鄰兩次載波多普勒頻率的差值獲得， 或由預測載波多普勒頻偏變化率乘以比例因子獲得。
14、 根據(jù)權利要求13所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法， 其特征在于，所述的比例因子為偽隨機碼速率和載波頻率之比值。
15、 根據(jù)權利要求8所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤方法， 其特征在于，進一步包括將所述差值存入平滑緩存前對進行差值保護，若 預測多普勒頻偏和跟蹤多普勒差值超過門限則將其拋棄。
16、 全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)，包括 一多普勒預測器，依據(jù)衛(wèi)星星歷獲取的衛(wèi)星位置和速度，以及利用接收機獲取的用戶位置和速度來預測多普勒頻偏；一載波數(shù)控振蕩器，接收所述多普勒頻偏，生成相應的本地載波多普 勒頻偏，所述本地載波多普勒頻偏經(jīng)由映射單元后與兩路正交信號相乘進 4亍載波剝離；一相關器組接收載波剝離后的偽隨機碼信號和本地偽隨機碼相關以產(chǎn) 生相關值；所述相關值依次經(jīng)過碼鑒相器鑒相和碼濾波器濾波后，獲得跟蹤目標 衛(wèi)星偽隨機碼和本地偽隨機碼之間的相位誤差估計；一碼數(shù)控振蕩器，接收相位誤差估計以及由比例因子處理的載波多普 勒頻偏，產(chǎn)生和跟蹤目標衛(wèi)星的偽隨機碼頻率相位一致的本地偽隨機碼。
17、 根據(jù)權利要求16所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于，所述多普勒預測器依據(jù)跟蹤狀態(tài)衛(wèi)星的跟蹤多普勒頻偏和所 述預測多普勒頻偏計算預測多普勒頻偏的修正值。
18、 根據(jù)權利要求17所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于，所述多普勒預測器依據(jù)所述預測多普勒頻偏的修正值修正所 述目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏。
19、 根據(jù)權利要求18所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于，所述多普勒預測器依據(jù)修正的所述目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏更新載波數(shù)控振蕩器頻率，并獲得碼環(huán)輔助量以輔助碼環(huán)跟蹤。
20、 根據(jù)權利要求16所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于，所述衛(wèi)星星歷是從所述衛(wèi)星導航電文中解調(diào)獲得。
21、 根據(jù)權利要求16所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于，所述衛(wèi)星星歷通過外部輔助網(wǎng)絡GSM或CDMA或WIFI通信 網(wǎng)絡獲取的導航電文中獲得。
22、 根據(jù)權利要求16所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于，所述用戶位置和速度在有效衛(wèi)星大于等于三顆時由接收機直 接解算獲得，在有效衛(wèi)星小于三顆時由接收機利用先前有效定位的位置和 速度外推獲得。
23、 根據(jù)權利要求16所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于，所述用以用戶外置和速度在有效衛(wèi)星小于三顆時，利用外部 輔助傳感器獲得。
24、 根據(jù)權利要求16所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于，所述用以計算目標衛(wèi)星的預測多普勒頻偏是通過計算衛(wèi)星和 用戶的相對速度獲得。
25、 根據(jù)權利要求16所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于，計算所述預測多普勒修正值至少需要一顆衛(wèi)星處于跟蹤狀態(tài)。
26、 根據(jù)權利要求16所述的全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)， 其特征在于，所述的比例因子為偽隨機碼速率和載波頻率之比值。
全文摘要
一種用于全球定位系統(tǒng)接收機的自輔助跟蹤系統(tǒng)及其跟蹤方法，其方法包括預測目標衛(wèi)星的多普勒頻偏，利用處于跟蹤衛(wèi)星的信息對預測的多普勒和預測多普勒頻偏變化率進行修正，利用修正后的預測多普勒頻偏控制載波NCO代替載波跟蹤環(huán)結(jié)合碼環(huán)實現(xiàn)對目標衛(wèi)星的跟蹤。這種自輔助跟蹤方法在預先獲取衛(wèi)星導航電文的前提下，僅需要一顆處于跟蹤狀態(tài)的衛(wèi)星進行多普勒修正，不需要其他信息輔助，在整體計算量增加不大的基礎上，能夠大幅度提高跟蹤靈敏度。真實數(shù)據(jù)測試表明，本方法對于動態(tài)不高的信號的跟蹤靈敏度可以超過-160dBm。且結(jié)構簡單，所需硬件資源非常有限，易于實現(xiàn)和移植。
文檔編號G01S5/02GK101441259SQ20081024027
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月18日 優(yōu)先權日2008年12月18日
發(fā)明者睿 鄭, 杰 陳 申請人:中國科學院微電子研究所