[发明专利]全球导航卫星系统接收机的高鲁棒性载波跟踪系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System，GNSS）接收机，特别涉及一种全球导航卫星系统接收机的高鲁棒性载波跟踪系统及方法。

 

背景技术

目前国内大部分全球导航卫星系统接收机设计公司均使用传统锁相环和叉积鉴频结合的方式完成载波跟踪，在保证一定动态范围的前提下，其跟踪灵敏度不优于-155dBm。如图1所示，现有全球导航卫星系统接收机包括环路滤波器、乘法器等。可以说，现有全球导航卫星系统接收机的性能是在高动态与高灵敏度之间取一个折中，由于载波跟踪系统缺乏鲁棒性，这种折中的性能损失是较为严重的。部分国外厂商如SIRF、UBLOX公司等运用高鲁棒性接收机结构，在保证一定动态的情况下可将灵敏度优化至-160~-162dBm。

全球导航卫星系统高鲁棒性接收机结构，尤其是高鲁棒性载波跟踪结构可以由PSK（移相键控）频偏估计的最大似然函数导出。稍后我们将分析其在克拉美罗界上的性能极限。由于全球导航卫星系统接收机的特性决定了在特定观测时刻，接收机只能获取卫星发射信号的中心频率、扩频码相位及速率、调制数据的码速率，因此所使用的最大似然函数基本遵循未知调制数据内容的最大似然函数。

目前主要使用的频偏估计方式有如下两种：

第一种方式：从时域上看，最大似然函数的结果相当于连续时域上扫频操作在扫至某个特定频点出现能量增益的最大值时，该频点即为频偏估计值。出现这种增益大小发生改变的根本原因是，在特定积分时间内，载波频偏与积分能量增益之间存在sinc函数衰减的关系。由于实际使用中为了进行稳定的环路跟踪，不可能进行扫频操作检验sinc函数衰减，因此引入了三组载波（如载波形式）进行频偏估计，如图2所示，以20ms相干积分时间为例，将三组载波频率置数分别设置为中心频率fs，左偏10Hz：f左=fs-10Hz，以及右偏10Hz：f右=fs+10Hz。当载波输出频率与实际输入的载波频率完全对齐时，左右频偏的增益，Af左-Af右=0 Hz；当载波输出频率大于实际输入的载波频率时，Af左-Af右>0 Hz；当载波输出频率小于实际输入的载波频率时，Af左-Af右<0 Hz，将Af左-Af右的差值送入环路滤波器作为鉴频信号，即可完成频率跟踪，结构框图如图3所示，三组载波进行频偏估计系统包括环路滤波器等元件。

第二种方式：从频域上考虑，若后端数据处理能将调制数据带来的载波相位翻转补偿，则最大相干积分长度可突破20ms限制，此时单纯的长积分快速傅立叶转换运算即可求得载波频偏。

上述方式均存在一定的不足：第一种方式的实现需要依赖三组载波，在现场可编程门阵列或专用集成电路实现中，将使数字电路规模急剧增大，电路结构复杂。第二种方式依赖于后端数据处理程序配合用以消除数据调制引起的相位翻转，使系统耦合度增加，结构复杂。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种全球导航卫星系统接收机的高鲁棒性载波跟踪系统及方法，其可以在复杂情况下进行定位与导航，而且减小数字电路规模。

为解决所述技术问题，本发明提供了一种全球导航卫星系统接收机的高鲁棒性载波跟踪系统，其包括控制寄存器、下变频模块、相干累加模块、数据存储模块、快速傅立叶变换模块、非相干累加模块、环路滤波器、鉴频模块，控制寄存器与下变频模块、相干累加模块、快速傅立叶变换模块、非相干累加模块、鉴频模块连接，环路滤波器与鉴频模块连接，数据存储模块连接在相干累加模块和快速傅立叶变换模块之间，控制寄存器将载波频率及码偏发送给下变频模块，控制寄存器将累加长度发送给相干累加模块，控制寄存器将快速傅立叶变换点数发送给快速傅立叶变换模块，控制寄存器将非相干累加次数发送给非相干累加模块，控制寄存器将高动态与高灵敏度切换信号发送给鉴频模块，环路滤波器将鉴频结果发送给下变频模块。

优选地，所述数据存储模块为随机存取存储器。

本发明还提供一种全球导航卫星系统接收机的高鲁棒性载波跟踪方法，该方法采用上述的全球导航卫星系统接收机的高鲁棒性载波跟踪系统，该方法包括以下步骤：下变频模块将采样进来的模拟数字转换数据进行下变频，进行下变频后相干累加模块进行相干累加操作，相干累加次数满之后，将累加值送入数据存储模块存储；累加值数量达到快速傅立叶变换点数之后，发送给快速傅立叶变换模块进行快速傅立叶变换；快速傅立叶变换所得的点按照非相干累加模块设定的次数进行非相干累加后送入鉴频模块；控制寄存器将高动态与高灵敏度切换信号发送给鉴频模块，环路滤波器将鉴频结果发送给下变频模块。