GPS接收机及检测GPS接收机跟踪环路状态的方法

摘要

本发明公开了一种GPS接收机及检测GPS接收机跟踪环路状态的方法，包括估计GPS信号强度的方法，其中，估计GPS信号强度的方法包括：利用预先设定的本地参考信号，将数字信号分成同相分量和正交分量；将同相分量和正交分量分别与预先设定的本地伪随机噪声码执行相关运算，得到一个同相分量信号和一个正交分量信号；以及基于同相分量信号和正交分量信号，估算与GPS信号有关的第一估计值和第二估计值，以计算出GPS信号的强度。基于GPS信号强度，判断跟踪环路是处于锁定模式或失锁重捕获模式或状态保持模式。本发明基于GPS信号强度的估计值检测跟踪环路的状态，可以实时监控跟踪环路状态，并及时地对跟踪环路做出调整。

说明书

技术领域

本发明涉及一种GPS接收机及处理GPS信号的方法，特别是涉及一种可以提供GPS信号强度估算的GPS接收机及检测GPS接收机跟踪环路状态的方法。

背景技术

GPS信号是由GPS卫星在L1或L2频率发送的扩频信号。民用GPS接收机通常使用L1频率(1575.42MHZ)。L1载波上发送的几个信号为：粗捕获码(C/A码)、P码和导航数据。卫星轨道的详细数据包含在导航数据中。C/A码是一种伪随机噪声码(PRN码)，主要用于民用接收机中的定位用途。每个卫星都有唯一的一个C/A码，并且反复循环该C/A码。C/A码是一个0和1(二进制)序列。每个0或1被认为是一个“码片”。C/A码有1023码片长，并以每秒1.023兆码片的速率发送，即C/A码的一个周期持续1毫秒。本领域的普通技术人员可以认为“码片”是数据长度或时间长度的单元。导航数据也是一个0和1(二进制)序列，并以每秒50比特的速率发送。

为实现定位，GPS接收机需要捕获来自至少四颗卫星的GPS信号，解调出四个GPS信号的导航数据。来自不同卫星的GPS信号通过不同的通道传播。通常，GPS接收机处理来自几个通道的GPS信号。每个GPS信号都具有不同起始时间的C/A码和不同的多普勒频移。因此，为搜索某个卫星信号，GPS接收机通常进行二维搜寻，在每个可能的频率上对每个起始时间不同的C/A码进行搜索。GPS接收机包括天线、射频前端以及基带信号处理单元。GPS卫星发射的GPS信号由天线接收后传送给射频前端。射频前端将接收到的射频信号转换为具有期望输出频率的信号，并以预定采样频率将转换的信号数字化。经转换并且数字化的信号被认为是中频信号。接着，该中频信号传送到基带信号处理单元的捕获模块。在捕获模块，通过中频信号和本地C/A码以及本地载波进行的相关运算来搜索C/A码的起始点以及载波的频率，特别是GPS信号的多普勒频移。如果搜索模块捕获到GPS信号，例如载波的频率误差在1Hz以内，C/A码相位误差为1/2码片，基带信号处理单元的跟踪模块则进入跟踪状态，使本地C/A码和本地载波跟踪GPS信号中的C/A码和载波的变化，从而获取精确的C/A码相移和多普勒频移。跟踪模块包括载波跟踪环和C/A码跟踪环，分别对GPS信号中的载波和C/A码进行实时跟踪，以解调出GPS信号中包含的导航数据。

现有C/A码跟踪环和载波跟踪环的参数设置是固定的，参数主要包括积分时间和滤波带宽，也就是说，积分时间和滤波带宽在跟踪环路对GPS信号进行跟踪过程中都是恒定的。然而，由于各种干扰，从天线接收下来的射频信号包括有用信号和噪声。有用信号是从GPS卫星向接收机发送的GPS信号，以有助于接收机完成定位等功能。信号的强度在一种方式下可以用信噪比(SNR)来表示，信噪比是指有用信号的功率除以噪声的功率，一般用分贝作为单位。当信噪比较高时，表示GPS信号较强，此时接收机应该是位于室外及天空开阔度较佳的环境下，多普勒频移和多普勒频移的变化率较大。反之，当信噪比较低时，表示GPS信号微弱，此时接收机应该是位于室内或其他信号屏蔽的环境下，多普勒频移和多普勒频移的变化率较小。由于信号强度的不同，若跟踪环路在对GPS信号进行跟踪时，始终采用同一带宽和积分时间，在信号较强时，有可能会导致环路调节速度过慢，不能跟踪GPS信号的变化，引起环路失锁；另外，在信号较弱时，会导致环路滤波效果差、无法跟踪微弱信号。因此，需要对接收机接收到的GPS信号的强度进行估计，基于GPS信号强度的估计值，调整跟踪环路的参数。

跟踪环路在对GPS信号进行跟踪的过程中，由于各种因素(如噪声)的影响而有可能导致跟踪环路失锁，无法继续跟踪GPS信号。因此，需要检测跟踪环路的状态，即判定跟踪环路是处于锁定模式还是失锁模式，以便对跟踪环路进行及时的调整。如果跟踪环路处于锁定模式，则可以利用跟踪到的GPS信号，获得GPS接收机的当前位置和速度等信息；若跟踪环路失锁，则需要对GPS信号进行重新捕获和跟踪。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种对GPS信号的强度提供估计的方法及GPS接收机，以基于GPS信号的强度来检测GPS跟踪环路的状态。

本发明另一个要解决的技术问题在于提供一种对GPS信号的强度提供估计的方法及GPS接收机，以基于GPS信号的强度来实时切换跟踪环路的参数，从而使跟踪环路有效地跟踪GPS信号。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种估计GPS信号强度的方法，GPS信号被转换为数字信号，该方法包括：利用预先设定的本地参考信号，将数字信号分成同相分量和正交分量；将同相分量和正交分量分别与本地伪随机噪声码进行相关运算，得到一个同相分量信号和一个正交分量信号，该本地伪随机噪声码与GPS信号中的伪随机噪声码的相位相同；基于所述同相分量信号和正交分量信号，估算与GPS信号有关的第一估计值和第二估计值；以及基于所述第一估计值和第二估计值，计算GPS信号的强度。

本发明还提供了一种对接收到的GPS信号的强度提供估计的GPS接收机，该GPS接收机包括对GPS信号进行跟踪的跟踪模块，该跟踪模块接收由GPS信号转换后的数字信号。该跟踪模块包括多普勒频移去除模块、积分模块和信号强度计算模块。多普勒频移去除模块将数字信号分成同相分量和正交分量。积分模块将同相分量和正交分量分别与本地伪随机噪声码执行相关运算，得到一个同相分量信号和一个正交分量信号，该本地伪随机噪声码与GPS信号中的伪随机噪声码的相位相同。信号强度计算模块根据积分模块输出的同相分量信号和正交分量信号，估算出与GPS信号有关的第一估计值和第二估计值，并基于该第一估计值和第二估计值，计算出GPS信号的强度。

本发明进一步提供了一种基于GPS信号强度来检测跟踪环路状态的方法，该方法包括：基于与GPS信号有关的所述第一估计值和第二估计值，检测跟踪环路的状态。

作为上述方案的改进，检测跟踪环路的状态的步骤包括：对所述第一估计值和第二估计值进行滤波；将滤波后的第二估计值乘以一个因子，得到第三估计值；比较所述第一估计值和第三估计值；如果第一估计值大于或等于第三估计值，将第一计数器的值与预先设定的第一门限进行比较；如果第一计数器的值等于第一门限，输出指示跟踪环路进入锁定状态的信号；如果第一计数器的值小于第一门限，对第一计数器的值加1；如果第一估计值小于第三估计值，将第二计数器的值与预先设定的第二门限进行比较；以及如果第二计数器的值等于第二门限，输出指示跟踪环路进入失锁状态的信号。

本发明还进一步提供了一种基于GPS信号强度来设置GPS接收机跟踪环路参数的方法，该方法包括以下步骤：基于GPS信号强度的估计值，从预先设置好的若干组参数中选择一组参数；以及把该组参数设置为跟踪环路的参数。

与现有技术相比，本发明对GPS信号的强度进行估计，并基于GPS信号强度的估计值，来检测跟踪环路的状态，以便实时监控跟踪环路，并根据相应的状态及时地对跟踪环路做出调整。此外，可以利用GPS信号强度的估计值来实时调整跟踪环路的参数，使跟踪环路有效地跟踪不同环境下的GPS信号。

以下结合附图和具体实施例对本发明的技术方案进行详细的说明，以使本发明的特性和优点更为明显。

附图说明

图1是本发明GPS接收机的跟踪模块的结构框图。

图2是图1中的信号强度计算模块在一个实施例中对GPS信号的强度进行估计的方框图。

图3是本发明状态机利用信号强度计算模块估算出的GPS信号强度对跟踪环路状态进行检测的流程图。

具体实施方式

GPS接收机包括射频前端以及基带信号处理单元。射频前端将接收到的GPS信号转换为具有期望输出频率的信号，并以预定采样频率将转换的信号数字化。经转换并且数字化的信号被认为是中频信号。该中频信号接着传送到基带信号处理单元的捕获模块。在捕获模块，搜索C/A码的起始点以及载波的频率，特别是GPS信号的多普勒频移。如果搜索模块确认捕获到GPS信号，基带信号处理单元的跟踪模块则进入跟踪状态。由于本发明GPS接收机中的射频前端和捕获模块的结构和功能与现有GPS接收机的一致，为简明起见，这里不再赘述。

图1是本发明GPS接收机的跟踪模块的结构框图。GPS信号被射频前端转换为中频信号，输入给跟踪模块100。跟踪模块100包括载波跟踪环和C/A码跟踪环，分别对当前通道中GPS信号的载波和C/A码进行实时跟踪，以解调出GPS信号中包含的导航数据。C/A码跟踪环采用提前-迟后锁相环(early-late环)，其包括积分模块102、码鉴相器104、码滤波器106、码数字控制振荡器(Numerical Controlled Oscillator；NCO)108和码产生器110。码产生器110基于捕获模块输出的C/A码相移，产生具有预定相位差的两个信号，即提前(early)和迟后(late)C/A码，预定相位差可以设置为一个码片。提前和迟后C/A码与输入的中频信号在积分模块102中完成相关运算后输出两路信号，这两路信号经过码鉴相器104和码滤波器106的处理，产生一个控制信号来调节码NCO 108产生的时钟信号，以控制码产生器110产生本地C/A码的速率，使本地C/A码的相位与接收到的GPS信号中的C/A码相位保持同相，此时的本地C/A码是即时(prompt)C/A码。该即时C/A码提供给载波跟踪环。

载波跟踪环包括多普勒移去除模块120、积分模块102、本地载波产生器122、载波鉴相器124和载波滤波器126。本地载波产生器122基于捕获模块输出的多普勒频移，产生本地载波。利用本地载波产生器122输出的本地载波在多普勒频移去除模块120中将中频信号变换到基带，得到同相分量I和正交分量Q。本地载波产生器122输出两个本地正交载波信号：一个正弦信号和一个余弦信号。两个载波信号的其中一个(又称第一本地参考信号)由载波NCO 123产生。另一个载波信号(又称第二本地参考信号)通过对第一本地参考信号的移相得到。移相操作由π/2相移模块125执行。同相分量和正交分量分别与即时C/A码在积分模块102中进行积分。积分模块102的输出经过载波鉴相器124和载波滤波器126的处理，产生一个控制信号来调节载波NCO 123的频率，以产生与GPS信号中载波同步的本地载波。

跟踪模块100还包括在跟踪阶段对GPS信号的强度提供估计的信号强度计算模块20。如上所述，GPS信号由射频前端转换为中频信号后输入跟踪模块，并被多普勒频移去除模块120变换到基带，得到同相分量I和正交分量Q，再由积分模块102将同相分量I和正交分量Q分别与即时(prompt)C/A码在预定时间长度内执行相关运算，来完成对同相分量I和正交分量Q的积分，从而得到同相分量信号I(P)和正交分量信号Q(P)。该同相分量信号I(P)和正交分量信号Q(P)作为信号强度计算模块20的输入。在本发明的一个实施例中，信号强度计算模块20对GPS信号的强度进行估计的具体实现框图如图2所示。信号强度计算模块20基于下列公式(1)，来估算GPS信号的强度。

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{SL}={\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{I}_i\right)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{Q}_i\right)}^2\\ \mathrm{NL}=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}(I_i^2+Q_i^2)\end{array}\right)---\left(1\right)$

上式中，M是同相分量信号和正交分量信号的积分时间，SL是与GPS信号有关的第一估计值，NL是与GPS信号有关的第二估计值。

在第一积分单元202中，分别对同相分量信号I(P)和正交分量信号Q(P)在预定时间长度M内执行积分运算。接着，在平方求和单元204中，对第一积分单元202输出的同相分量信号的积分和正交分量信号的积分分别求平方，并将平方值相加，得到与GPS信号有关的第一估计值SL。

在平方单元206中，分别对同相分量信号I(P)和正交分量信号Q(P)执行平方运算。接着，在第二积分单元208中，对平方单元206输出的同相分量信号的平方和正交分量信号的平方在预定时间长度M内执行积分运算。然后，在求和单元210中，将第二积分单元208输出的两路积分结果相加，得到与GPS信号有关的第二估计值NL。

本发明并不限于利用上述公式(1)来估算与GPS信号有关的第一估计值SL和第二估计值NL。在本发明的其他实施例中，信号强度计算模块20也可以采用下列公式(2)或(3)，来估算与GPS信号有关的第一估计值SL和第二估计值NL。

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{SL}=\left|\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{I}_i\right|+\left|\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{Q}_i\right|\\ \mathrm{NL}=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\left(\right|I_i|+|Q_i\left|\right)\end{array}\right)---\left(2\right)$

$\left(\begin{array}{c}\mathrm{SL}=\sqrt{{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{I}_i\right)}^2+{\left(\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}{Q}_i\right)}^2}\\ \mathrm{NL}=\underset{i=1}{\overset{M}{\Sigma }}\left(\sqrt{I_i^2+Q_i^2}\right)\end{array}\right)---\left(3\right)$

第一估计值SL和第二估计值NL为非线性关系。第一估计值和第二估计值里面均包含了信号的影响和噪声的影响。

上述公式(1)、(2)和(3)中的积分时间M的取值可以根据信号强度，灵活设置。信号较强时，积分时间M的取值较小；信号较弱时，积分时间M的取值较大。然而，由于GPS信号中的导航数据每20毫秒就可能会出现比特符号翻转，为了避免比特符号翻转带来的信噪比损失，积分时间不能太长，一般只能取20毫秒以内，因而不能满足环路的检测灵敏度。GPS信号中一帧完整的GPS导航数据包含1500比特数据，由5个子帧构成，而每个子帧的大部分比特具有变化频度小，可预测性和周期重复性。因此，如图1所示，导航比特预测模块140可以根据先前接收到的来自某一颗卫星的导航数据，预测出同一颗卫星将要在未来某一时刻发射的GPS信号中的导航数据。将预测的导航数据与中频信号作相乘运算，去除中频信号中的导航数据，就可以消除导航比特符号翻转带来的信噪比损失，从而实现中频信号长时间的积分。所以，在有导航比特预测模块140的辅助时，可以根据应用环境来动态设置积分时间M，使得M的取值大于20毫秒，以便提高环路的检测灵敏度。在没有导航比特预测模块140的辅助时，可以根据不同的应用系统来进行灵活配置。比如GPS系统选择积分时间M为20毫秒，而广域增强系统(Wide Area Augmentation System；WAAS)选择积分时间M为2毫秒。

接收机冷启动时，在启动信号强度计算模块20之前，比特同步模块130用来检测导航比特边界，以确定中频信号在信号强度计算模块20中执行积分的起始点。而对于接收机的其他模式，比如热启动，接收机会记录热启动之前的比特边界，所以不需要启动比特同步模块130就可以直接利用信号强度计算模块20计算GPS信号的强度。

如图2所示，由于噪声的影响，信号强度计算模块20估算出的与GPS信号有关的第一估计值SL和第二估计值NL存在一些抖动，分别经过第一滤波器212和第二滤波器214的滤波平滑处理，得到较为稳定的第一估计值A和第二估计值C。在本发明的一个实施例中，第一滤波器212和第二滤波器214是一阶无限冲激响应(Infinite ImpulseResponse；IIR)低通滤波器。应当认识到，也可以采用其他的低通滤波器和平均滤波器。IIR低通滤波器的传输函数为：

$H\left(z\right)=\frac{\alpha }{1-(1-\alpha )z^{-1}}$

该滤波器的参数可以通过软件灵活设置，以便适用于不同的应用系统。例如，对于GPS系统，由于导航比特周期较长，积分时间M的取值为20毫秒，所以参数α取值应该较大，比如为0.1，以便实现滤波平滑效果的同时尽可能提高滤波器反应速度；而对于WAAS系统，由于导航比特周期较短，M取值为2毫秒，所以参数α取值可以较小，比如为0.001，以便在保证滤波器反应速度的同时尽可能的提高滤波平滑的效果。

第一估计值A和第二估计值C的比值是与信噪比成非线性关系的一个数值，且该比值越大，信噪比就越大。因此，在估计模块216中，将第一估计值A除以第二估计值C，得到第一估计值A和第二估计值C的比值，该比值可以间接反应当前跟踪通道的GPS信号的强度。根据当前的GPS信号强度，可以实时设置跟踪环路的参数。在本发明的一个实施例中，接收机包括一个数据库模块，该数据库模块预先设置好一个查找表。在查找表中，对应不同的信号强度范围，设置不同数值的跟踪环路参数。当信号强度大的时候，接收机应该是位于开阔地带，为了能够应对足够高的动态应力，即多普勒频移和多普勒频移的变化率较大，应该减小跟踪环路的动态范围，因而设置较大的环路带宽，采用较短的积分时间。当信号强度小的时候，接收机应该是位于室内或半遮挡地带，多普勒频移和多普勒频移的变化率较小，应该增大跟踪环路的动态范围，因而设置较小的环路带宽，同时采用较长的积分时间。根据表示GPS信号强度的第一估计值A和第二估计值C的比值，切换模块218从预先设置好的查找表中选择一组与之对应的参数，将跟踪环路的参数切换为该组参数。

在进行跟踪环路的锁定失锁检测时为了保证足够低的虚警概率，需要定义一个门限，将第一估计值A和第二估计值C的比值与该门限进行比较，如果第一估计值A和第二估计值C的比值大于或等于该门限，表示跟踪环路处于锁定状态，否则表示跟踪环路已经失锁。然而，直接将第一估计值A和第二估计值C的比值与门限进行比较，会占用较多的硬件资源。因此，在本发明的一个实施例中，将门限视作一个因子，在因子模块220中，将第二估计值C乘以因子(即门限)，得到第三估计值B。然后再比较第一估计值A和第三估计值B的大小，来检测跟踪环路的状态。因子的大小可以基于系统类型(如GPS和WAAS系统)和积分时间M来灵活配置。在系统类型和积分时间M确定的情况下，因子是一个常数。

本发明采用状态机30来指示跟踪环路的状态。状态机30利用信号强度计算模块20输出的第一估计值A和第三估计值B对跟踪环路状态进行检测的一个具体实施例的流程图如图3所示。状态机30包括三个门限值：第一门限Lp、第二门限Lo和第三门限Lna，其中第二门限Lo大于第三门限Lna；两个计数器：其中，第一计数器LockCnt用于计数GPS信号强度高于门限(因子)的次数，第二计数器LostCnt用于计数GPS信号强度低于门限(因子)的次数，第一计数器LockCnt和第二计数器LostCnt的初始值均设置为零，计数器的值达到三个门限中的某一个门限值，跟踪环路就会进入一个相应的状态；以及指示当前跟踪环路状态的两个信号输出LockOut、LostOut，其初始值均设置为FALSE。具体检测流程如下：在步骤302，比较第一估计值A和第三估计值B，以判断第一估计值A是否大于或等于第三估计值B；如果第一估计值A大于或等于第三估计值B，则在步骤304，将第一计数器LockCnt的值与第一门限Lp进行比较，以判断第一计数器LockCnt的值是否等于第一门限Lp；如果第一计数器LockCnt的值等于第一门限Lp，则在步骤306，LockOut输出为TRUE，表示环路锁定，即跟踪通道进入锁定模式，否则在步骤308对第一计数器LockCnt的值加1。

如果第一估计值A小于第三估计值B，则在步骤310，将第二计数器LostCnt的值与第二门限Lo进行比较，以判断第二计数器LostCnt的值是否等于第二门限Lo；如果第二计数器LostCnt的值等于第二门限Lo，则在步骤312，LostOut输出为TRUE，表示环路彻底失锁，此时需要重新复位跟踪通道，使跟踪通道进入失锁重捕获模式，即需要重新捕获和跟踪GPS信号；否则在步骤314，对第二计数器LostCnt的值加1。接着，在步骤316，判断第二计数器LostCnt的值是否大于或等于第三门限Lna；如果第二计数器LostCnt的值大于或等于第三门限Lna，则在步骤318，LockOut输出为FALSE，指示该跟踪通道进入状态保持模式，此时不能继续将该通道用于定位，但是不需要重新复位通道。

如上所述，状态机30基于GPS信号的强度将跟踪环路定义为以下三种模式：锁定模式、失锁重捕获模式和状态保持模式。在跟踪环路处于锁定模式时，跟踪通道可以参予正常的定位输出。在跟踪环路处于失锁重捕获模式时，表明该跟踪通道已经失锁，需要复位该通道以便进行重新捕获。在跟踪环路处于状态保持模式时，此时该通道虽然不能参予正常的定位输出，但是也不会被复位掉，该模式有利于系统的快速恢复，例如，配备GPS接收机的汽车经过隧道时，GPS信号会变弱，跟踪环路暂时不能跟踪GPS信号，跟踪通道将处于状态保持模式，信号强度计算模块20连续检测GPS信号强度，当信号强度恢复后，如汽车驶离隧道后，可以再利用该通道继续对GPS信号进行跟踪，因此，省掉了重新捕获、跟踪的时间，有利于系统的快速恢复。

状态机30可以由专用的硬件来实现，也可以由软件来实现。当采用软件来实现时，可以在降低硬件实现复杂度的同时提供极大的灵活性，可以根据具体应用来对状态机30中的参数Lp，Lo和Lna进行灵活设置，以便在保证失锁和锁定检测的检测概率和虚警概率的同时，可以尽量降低系统失锁和锁定检测所需的时间。状态机30的更新时间可以每隔积分时间M，如20毫秒，更新一次，也可以采用抽取的方式每隔N*M更新一次，其中N为整数。采用抽取的方式时，可以有效降低系统运行速率。这里的更新时间是指虽然信号强度计算模块20一直在对GPS信号的强度进行估算，但是状态机30要隔一段时间，如积分时间M或N个积分时间M，来判断跟踪环路的状态。

最后所应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。