[发明专利]一种用于卫星定位导航接收系统的数字非整数跟踪环路

说明书

技术领域

本发明涉及卫星定位导航接收机系统，具体来说涉及GPS系统中跟踪环路。本发明也支持其他卫星定位导航接收机系统诸如伽利略或者北斗，或者多模卫星定位接收机等。

背景技术

卫星定位导航系统使用多个卫星发送精确的导航信号，使得接收机能够通过三角定位法确定其当前位置和速度。接收机估算信号从卫星到接收机的传输时间，然后计算出卫星的位置以及它们与接收机之间的距离。

GPS是由美国国防部开发的全功能全球定位导航系统。每颗卫星能够在L1(1575.72MHz)和L2(1227.6MHz)的频点上同时发送信号。L1信号承载导航信息和PRN(Pseudo Random Codes)码。L1的PRN码由同相支路上的C/A码和正交支路上的P(Y)码组成。C/A码适用于民用，速率为1.023MHz,每毫秒包含1023码片。同相部分采用BPSK调制方式，数据率为50bps。

一经收到导航信号，GPS接收机首先识别信号，产生与接收信号匹配的本地载波和码信号，并和接收信号保持同步以跟踪信号随时间的变化。信号捕获首先获得信号载波频率和码相位偏移的粗估计，然后信号跟踪用于获得进一步的精确估算。信号跟踪模块包含两个部分：码跟踪环路连续调整本地参考信号以保证和接收PRN码对齐，相位跟踪环路用于同步接收的载波信号。一旦成功同步GPS信号，接收机估算出信号从卫星到接收机的传输时间。估算方法基于测量本地PRN码和接收PRN信号之间偏移量，然后接收机估算卫星和接收机之间的距离。如果获得四颗或者四颗以上的卫星信号，接收机即可估算自身位置。

PRN码同步的精确程度和接收机伪距以及位置估算的精确度密切相关。通常码跟踪环路由数字延迟锁定环(DLL，Delayed Locked Loop)实现，在DLL中，接收机生成码信号的本地超前复制码和滞后复制码，并将这两个本地复制码信号和接收信号做相关运算。数字DLL提供了灵活的全数字时间对准环路，此环路不需要反馈数据给接收机的模拟前端。

然后，对于数字电路，时间对准的精确度和接收机的抽样率有很大关联。在以前的数字DLL实现中，仅仅靠单纯的通过抽头延迟线控制模块来控制本地复制码信号的平滑移位，以达到同步接收信号的要求。本地参考码是由本地时钟驱动，其采样间隔限制了DLL在时间上的分辨率。为了提高伪距估算的精确度，一种方法是提高接收信号的采样率，另一种方法是移位本地过采样码信号。在这些方法中，时间分辨率仍然受到采样率的限制，其主要缺点是在本地参考信号和接收信号做相关运算的时候，不能提供极细的时间分辨率(temporal resolution)。另外，当采样率很高的时候，电路实现的复杂度和成本会急速飙升。

如图1所示，为现有技术的GPS接收机100的跟踪环路系统结构图。GPS接收机100包含了一个天线101去接收GPS卫星信号，并馈送给射频前端102，一个下变频模块103把接收信号转换到中频，一个数模(A/D)转换模块104把模拟信号转换成数字信号，一个包含跟踪环路117的数字信号处理模块实现接收信号的同步。

跟踪环路模块117包含了相位跟踪环和码跟踪环，相位跟踪环用于跟踪接收信号的载波频率和相位，而码跟踪环用于同步接收码信号。如图1所示，接收信号和本地载波信号相乘，可以将载波信号以及Doppler(多普勒)偏移从数字中频信号中剔除，产生同相和正交信号。本地载波信号由载波NCO114、sin(正弦)映射单元116和cos(余弦)映射单元115映射函数综合生成。混频器105和混频器106产生的接收码信号送入相关器组107中，所述相关器组107中的相关器的数量为六个，分别和本地的超前E、即时P和滞后L三个复制码做相关运算。伪码(PN，pseudorandom noise)发生器108产生本地超前和滞后复制码。

相关器组107将本地即时复制码和接收信号的相关输出送入载波鉴相器110中，计算出本地载波和接收信号的相位偏差。该相位偏差经过一载波环路滤波器112和载波NCO(numerically controlled oscillator)114，以产生精确的载波信号。载波NCO114的输出被用来协助码NCO113产生本地复制码信号。GPS接收机中的载波跟踪环路由载波鉴相器110、环路滤波器112、载波NCO114、sin映射单元116和cos映射单元115组成。