一种GPS卫星信号载波环跟踪方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术适用于无线通信领域，提供了一种GPS卫星信号载波环跟踪方法和装置。所述方法包括：获取卫星信号的载噪比，当所述卫星信号的载噪比大于或者等于第一阈值时，载波环采用锁频环辅助锁相环算法对所述卫星信号进行跟踪，所述载波环包括鉴频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器；当所述卫星信号的载噪比小于所述第一阈值时，载波环采用卡尔曼滤波算法结合锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟踪，所述载波环包括鉴频器、鉴相器、卡尔曼滤波器、压控振荡器。本发明专利技术实现了载波环根据卫星信号的载噪比动态调整载波环的工作模式，提高了跟踪的灵敏度和动态性，在动态性较大的情况下可以很好地跟踪较弱的卫星信号。

【技术实现步骤摘要】
-种GPS卫星信号载波环跟踪方法和装置
本专利技术属于无线通信领域，尤其涉及一种GPS卫星信号载波环跟踪方法和装置。
技术介绍
全球定位系统（GlobalPositioningSystem,GPS)是美国建立的全球卫星定位系 统，近年来已经得到越来越广的应用，它能够提供全球范围内全天候的、准确可靠的三维定 位和测速信息，已在航空、航海及陆地车辆导航中获得越来越广泛的应用，其作用已经几乎 渗透到社会的各个领域。 通用的接收机只要能接收到4颗以上的卫星信号，就可以方便地进行3D定位，但 在某些特殊环境，如高楼林立的城市中心，林木遮挡的森林公路，高架桥的下层道路等等， 由于卫星信号非常微弱，传统的GPS信号处理技术将不能有效实时地处理这些微弱信号， 造成定位困难。 对于GPS接收机来说，卫星信号的捕获、跟踪、解调是定位导航的基础，其关键技 术之一就是载波跟踪环路的设计。目前常用的载波环跟踪方法有以下四种方式：（1)锁相 环跟踪算法；（2 )锁频环跟踪算法；（3 )Kalman(卡尔曼）载波环跟踪算法；（4 )锁频环辅助 锁相环跟踪算法。 锁相环跟踪算法采用较窄的噪声带宽，能紧密地跟踪信号，但是它对动态应力的 容忍性较差。当噪声较强或者所需环路带宽较大时，锁相环就有可能对信号锁定发生困难， 造成信号失锁。锁频环跟踪算法采用较宽的噪声带宽，动态性能好，能跟踪信噪比更低的信 号，但是对数据比特跳变不敏感，环路噪声较高，数据解调过程中所发生的比特错误率也较 高。Kalman滤波能对高动态信号的变化趋势进行即时预测。因此有人提出了Kalman载波 环跟踪算法和锁频环辅助锁相环跟踪算法。Kalman载波环跟踪算法是将锁相环中的环路滤 波器用卡尔曼滤波器代替，提高了信号跟踪的动态应力。但是Kalman的观测变量仅仅是锁 相环的鉴相器的鉴相结果，只是根据鉴相结果来调整各状态量，还是有一定的局限性，导致 在低信噪比和动态应力较大时，还是不能很好地跟踪锁定信号。锁频环辅助锁相环跟踪算 法使得载波环在动态性较低的情况下能像锁相环那样精确地跟踪和测量载波信号，而在动 态性较高的情况下能像锁频环那样牢固的锁定信号，提高信号跟踪的动态应力，但由于环 路滤波器的局限性，使得在信噪比更低以及动态性能更高的情况下，跟踪灵敏度比较差，还 是不能很好地跟踪信号。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种根据载噪比动态调整载波环的工作模式且在低载噪 比下采用卡尔曼滤波算法结合锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟踪的GPS卫星信号载 波环跟踪方法和装置，旨在解决如何根据载噪比动态调整载波环的工作模式，并且在低信 噪比和动态应力较大时，不能很好地跟踪锁定信号，跟踪的灵敏度和动态性较差的问题。 本专利技术提供了一种GPS卫星信号载波环跟踪方法，包括： 获取卫星信号的载噪比； 当所述卫星信号的载噪比大于或者等于第一阈值时，载波环采用锁频环辅助锁相 环算法对所述卫星信号进行跟踪，所述载波环包括鉴频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡 器； 当所述卫星信号的载噪比小于所述第一阈值时，载波环采用卡尔曼滤波算法结合 锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟踪，所述载波环包括鉴频器、鉴相器、卡尔曼滤波器、 压控振荡器。 进一步的，所述方法还包括： 在采用卡尔曼滤波算法结合锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟踪的过程中，如 果卫星信号的载噪比增强到第二阈值，则载波环切换至锁频环辅助锁相环算法对信号进行 跟踪。 本专利技术提供了还一种GPS卫星信号载波环跟踪装置，包括： 获取模块，锁频环辅助锁相环模块，卡尔曼滤波结合锁频环辅助锁相环模块； 所述获取模块，用于获取卫星信号的载噪比； 所述锁频环辅助锁相环算法模块，用于当所述卫星信号的载噪比大于或者等于第 一阈值时，载波环采用锁频环辅助锁相环算法对所述卫星信号进行跟踪，所述载波环包括 鉴频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器； 所述卡尔曼滤波结合锁频环辅助锁相环模块，用于当所述卫星信号的载噪比小于 所述第一阈值时，载波环采用卡尔曼滤波算法结合锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟 踪，所述载波环包括鉴频器、鉴相器、卡尔曼滤波器、压控振荡器。 进一步的，所述装置还包括： 切换模块，用于在采用卡尔曼滤波算法结合锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟 踪的过程中，如果卫星信号的载噪比增强到第二阈值，则载波环切换至锁频环辅助锁相环 算法对信号进行跟踪。 在本专利技术，通过获取信号的载噪比，在载噪比比较高的时候，载波环采用锁频环辅 助锁相环算法对所述卫星信号进行跟踪，在载噪比比较低的时候，载波环采用卡尔曼滤波 算法结合锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟踪，而且在采用卡尔曼滤波算法结合锁频环 辅助锁相环算法对信号进行跟踪的过程中，如果卫星信号的载噪比增强到第二阈值，则载 波环切换至锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟踪，这样使得载波环能根据卫星信号的载 噪比动态调整载波环的工作模式，由于卡尔曼滤波计算复杂，在载噪比增强到第二阈值时， 再切换至锁频环辅助锁相环算法，能在提高跟踪性能的同时也节省硬件资源。进一步的在 低载噪比的时候，载波环采用卡尔曼滤波算法结合锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟 踪，结合了卡尔曼滤波能对高动态信号的变化趋势进行即时预测以及锁频环辅助锁相环跟 踪算法在动态性较高的情况下能像锁频环那样牢固的锁定信号的优点，提高了跟踪的灵敏 度和动态性，在动态性较大的情况下可以很好地跟踪信号较弱的卫星信号。 【附图说明】 图1是本专利技术实施例一提供的GPS卫星信号载波环跟踪方法的实现流程图； 图2是本专利技术实施例二提供的载波环采用卡尔曼滤波算法结合锁频环辅助锁相 环算法对卫星信号进行跟踪的实现流程图； 图3是本专利技术实施例三提供的GPS卫星信号载波环跟踪装置的结构框图。 【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并 不用于限定本专利技术。 图1示出了本专利技术实施例一提供的一种GPS卫星信号载波环跟踪方法的实现流 程，详述如下： 步骤101、获取卫星信号的载噪比。 计算卫星信号的载噪比，并获取计算后的载噪比。载噪比是指经调制的信号的平 均功率，也就是载波功率与加性噪声的平均功率之比。 步骤102、判断载噪比是否大于或等于第一阈值，如果是，则执行步骤103,如果 否，则执行步骤104。 所述第一阈值为预设的值，可以根据经验预设，例如可以预设所述第一阈值为 33dB，将获取的载噪比与该阈值比较，定性判断卫星信号的载噪比高低。 步骤103、载波环采用锁频环辅助锁相环算法对所述卫星信号进行跟踪，所述载波 环包括鉴频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器； 以车载导航仪为例，当捕获模块捕获到卫星信号后，注册跟踪，进入频率牵引阶 段，频率牵引完成之后进入锁定阶段，在锁定阶段找出导航比特的起始点。找到导航比特的 起始点之后进入同步阶段。在同步阶段，当所述卫星信号的载噪比大于或者等于第一阈值 时，载波环采用锁频环辅助锁相环算法对所述卫本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GPS卫星信号载波环跟踪方法，其特征在于，包括：获取卫星信号的载噪比；当所述卫星信号的载噪比大于或者等于第一阈值时，载波环采用锁频环辅助锁相环算法对所述卫星信号进行跟踪，所述载波环包括鉴频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器；当所述卫星信号的载噪比小于所述第一阈值时，载波环采用卡尔曼滤波算法结合锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟踪，所述载波环包括鉴频器、鉴相器、卡尔曼滤波器、压控振荡器。

【技术特征摘要】
1. 一种GPS卫星信号载波环跟踪方法，其特征在于，包括： 获取卫星信号的载噪比； 当所述卫星信号的载噪比大于或者等于第一阈值时，载波环采用锁频环辅助锁相环算 法对所述卫星信号进行跟踪，所述载波环包括鉴频器、鉴相器、环路滤波器、压控振荡器； 当所述卫星信号的载噪比小于所述第一阈值时，载波环采用卡尔曼滤波算法结合锁频 环辅助锁相环算法对信号进行跟踪，所述载波环包括鉴频器、鉴相器、卡尔曼滤波器、压控 振荡器。2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括： 在采用卡尔曼滤波算法结合锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟踪的过程中，如果 卫星信号的载噪比增强到第二阈值，则载波环切换至锁频环辅助锁相环算法对信号进行跟 1?示。3. 如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述载波环采用卡尔曼滤波算法结合锁 频环辅助锁相环算法对所述卫星信号进行跟踪，包括： 根据接收信号的模型和复现载波信号模型，选取接收信号与复现信号之间的相位差 值、接收信号的多普勒频移和接收信号多普勒频移变化率作为卡尔曼滤波模型的状态向 量，根据所述状态向量得到卡尔曼滤波的状态方程； 将鉴频器的鉴频结果和鉴相器的鉴相结果作为卡尔曼滤波观测向量的两个观测变量， 根据所述的观测向量以及状态向量得到卡尔曼滤波的观测方程； 根据所述的状态方程和观测方程以及卡尔曼滤波的一步状态预测方程、一步误差协方 差预测方程、滤波增益矩阵、状态最优估计方程、最优估计误差协方差方程计算得到当前时 刻所述卡尔曼滤波器输出的状态最优估计值，并将所述状态最优估计值发送给所述的压控 振荡器； 所述压控振荡器根据卡尔曼滤波器输出的状态最优估计值，调整输出的复现载波信号 频率，对接收的卫星信号进行跟踪。4. 如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述的状态方程中，k-1时刻的系统状态向0 e (k-1)、fd (k-1)、a d (k-1)分别表示 k-1 时刻接 收信号与复现信号之间的相位差值、接收信号的多普勒频移、接收信号的多普勒频移变化 率，0 e、fd、a d初始值分别为最近保存的n个接收信号与复现信号之间的相位差异、接收信 号的多普勒频移、接收信号的多普勒频移变化率的平均值。5. 如权利要求3或4所述的方法，其特征在于，所述的观测方程为：,其中Z(k)表示k时刻的观测 向量，表示鉴相结果，0^表示鉴频结果，QjkhfdQO、ad(k)分别表示k时刻接收信号 与复现信号之间的相位差值、接收信号的多普勒频移、接收信号的多普勒频移变化率， 为上一时刻的多普勒频率估计值，、vSj分别表示鉴频结果与鉴相结果中的观测噪声， T表示相干积分时间。6. -种GPS卫星信号载波环跟踪装置，其特征在于，包括： 获取模块，锁频环辅助锁相环模...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨崇艳，冯云庆，胡胜发，
申请(专利权)人：安凯广州微电子技术有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44