CN102073055B - Gps接收机中温度补偿晶体振荡器固定偏差的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GPS接收机中温度补偿晶体振荡器固定偏差的测试方法，在GPS接收机基带的每个通道中，当该通道的跟踪部分PLL工作稳定时，得到从处理器中读出数字控制振荡器的频率fNCO，用fNCO减去已知的GPS中频信号基准频率fIF，得到各个通道的包括多普勒频移和TCXO Offset的测量值1；然后根据卫星的位置、速度，接收机的位置、速度，计算每个参与解算的通道的只包括多普勒频移的测量值2；用测量值1减去测量值2得到各个参与解算的卫星所在的通道的TCXO Offset测量值；把各个参与解算的卫星所在的通道中得到的TCXO Offset测量值取平均，得到TCXO Offset的测量值。

Description

GPS接收机中温度补偿晶体振荡器固定偏差的测试方法
技术领域
本专利涉及GPS接收机中的温度补偿晶体振荡器，尤其涉及GPS接收机中的温度补偿晶体振荡器固定偏差的测试方法，属于GPS通信技术领域。
背景技术
温度补偿晶体振荡器(TXCO)，可产生一个固定的频率，这个频率是否精准取决于TCXO本身。当TCXO用于GPS接收机中后，TCXO产生的频率随温度变化的偏差可以忽略不计。但是TCXO本身的固定偏差不可以忽略。TCXO的这个固定偏差也叫TCXOOffset(温度补偿晶体振荡器固定偏差)。TCXO Offset主要是由晶体老化、封装产生的。目前已存在的测量TCXO Offset的方法主要是借助频率测量仪器。当然GPS工程师根据TCXO的产品说明书也可以大概了解TCXO Offset，但是没有一种不借助频率测量仪器，只需要GPS接收机本身就可以测量GPS TCXO Offset的方法。
发明内容
本发明提供一种GPS接收机中的温度补偿晶体振荡器固定偏差的测试方法，本方法不借助频率测量仪器，只需要GPS接收机本身就可以测量TCXO Offset，从而为GPS接收机后续处理程序提供较准确的TCXO Offset测量值。
本发明采用的技术方案是：GPS接收机中温度补偿晶体振荡器固定偏差的测试方法，GPS接收机从天线接收卫星信号后，经过包括放大、变频、混频及基带信号处理过程，对卫星信号进行捕获、比特同步、跟踪及定位解算，其特征在于：
1)在GPS接收机基带的每个通道中，当该通道的跟踪部分PLL工作稳定时，从处理器中读出数字控制振荡器的频率值fNCO，该频率值fNCO包括多普勒频移、温度补偿晶体振荡器固定偏差(TCXO Offset)和GPS中频信号基准频率fIF，其中：fIF已知，本方法中fIF为4.092MHz，用fNCO减去fIF，得到每个参与解算卫星所在通道的多普勒频移测量值，该测量值包括多普勒频移和温度补偿晶体振荡器固定偏差(TCXO Offset)；
2)在GPS定位解算阶段，从读取的导航电文数据中，计算参与解算的卫星的位置、速度，再利用最小二乘方法解算得到接收机的位置、速度，然后根据多普勒频移的定义，计算出每个参与解算的通道中只包括多普勒频移的测量值；
3)用1)的测量值减去2)的测量值，得到每个通道的温度补偿晶体振荡器固定偏差(TCXO Offset)测量值；
4)把各个参与解算的卫星所在的通道中得到的温度补偿晶体振荡器固定偏差(TCXOOffset)测量值取平均，得到温度补偿晶体振荡器固定偏差(TCXO Offset)的测量值。
本发明的优点及有益效果是，本发明方法不借助频率测量仪器，只需要GPS接收机本身就可以测量TCXO Offset，从而为GPS接收机后续处理程序提供较准确的TCXO Offset偏差测量值，有助于GPS接收机消除该偏差带来的不良影响。
附图说明
图1是GPS接收机整机高层***结构框图；
图2是多通道基带信号处理引擎的工作链路图；
图3是TCXO Offset测量的流程图；
图4是多普勒频移测量值1(包括多普勒频移和TCXO Offset)的测量示意图；
图5是多普勒频移测量值2(只包括多普勒频移)的测量示意图。
具体实施方式
图1给出了接收机整机高层***结构框图。其中包含：天线、低噪声放大器、射频模块、TCXO时钟源、基带信号处理引擎、定位解算、人机界面、电源等。GPS信号从天线接收，先经过低噪声放大器，以减小噪声的干扰，接着是射频模组。射频模组的主要功能，是信号的载波频率由L1频段(1575.42MHz)下变频到中频附近，并加以带通滤波器减小带外噪声干扰。典型情况下，需要通过两级下变频电路，变至中频。本地振荡器是根据接收机设计方案中的频率方案由基准振荡器经频率合成器导出的。混频过程之后，保留了载波多普勒和扩频码，只是载波频率降低了。通过后续的基带信号处理过程，进行扩频码和载波频率的二维捕获，之后跟踪上卫星信号，从中正确、连续解调出导航电文，用于定位解算。定位后，通过NMEA协议与上位机通讯，通过人机界面，加载地图信息，进行导航定位等。
图2是多通道基带信号处理引擎的工作链路图，数字中频信号来源于射频采样信号，主要过程包括捕获、比特同步、跟踪、子帧同步和计算接收机坐标等。
GPS捕获，又称为粗同步，就是从接收信号中搜索、捕获各颗可见GPS卫星的信号、并从获得这些卫星信号的载波频率和C/A码相位的粗略估计值，使本地参考扩频码与接收到的码相位之差小于半个码片，同时本地载波振荡器的输出频率精确到满足GPS跟踪的需要，然后各个相应的信号通道就从捕获阶段进入跟踪阶段。
GPS跟踪，信号通道从捕获阶段获得的对当前这颗卫星信号载波频率和码相位的粗略估计值出发，通过跟踪环路(包括载波环、码环)逐步精细对这两个信号参量的估计，同时输出对信号的各种GPS测量值，在顺便解调出信号中导航电文数据比特。
由于GPS的定位原理，是需要大于4颗以上的卫星参与。那么，现在多数的基带信号处理模块，都具备多通道并行处理能力，即多通道同时进行信号处理。当大于4颗以上的卫星处于跟踪状态，且已经解调出卫星导航电文后，将可以进行定位解算，计算出接收机的坐标。
接收机初始工作时，由于本地C/A码发生器与接收到的码流没有对齐，同时，载波频率也由于存在多普勒效应的影响，那么需要捕获过程，进行扩频码-载波频率的二维捕获。捕获的结果，往往是本地码与接收到的码偏差在0.5码片内，载波频率与接收到的载波频率相差不超过100Hz。
一旦捕获到信号后，接下来的工作，就是如何实现比特同步过程。每比特的电文，周期为20ms，所以必须发现比特边界；接着找到比特边界后，进入跟踪状态，码相位和载波频率进一步对准。经过跟踪后，接收机接着完成子帧同步过程，取出导航电文。最后，用最小二乘法解算接收机的位置、速度等信息。
图3是本发明TCXO Offset测量的流程图。在GPS接收机开机工作后，首先判断是否有用户发来的命令Test TCXO Offset，如果没有，则继续工作；如果有，则进行测量TCXOOffset，进入下一步，判断GPS接收机是否解算。如果没有解算，GPS接收机计算工作；如果有解算，则读取参与解算的卫星数和卫星ID。然后在各个参与解算的卫星所在通道中，计算多普勒频移的测量值1(包括多普勒频移和TCXO Offset)，具体见图4解释。然后，在各个参与解算的卫星所在通道中，计算出多普勒频移的测量值2(只包括多普勒频移)，具体见图5解释。然后，在各个参与解算的卫星所在通道中，将多普勒频移的测量值1(包括多普勒频移和TCXO Offset)减去多普勒频移的测量值2(只包括多普勒频移)，即可以得到TCXO Offset的值。最后把各个解算通道算出的TCXO Offset的值取平均，即可得到较准确的TCXO Offset的测量值。
图4是多普勒频移测量值1(包括多普勒频移和TCXO Offset)的测量示意图。此处利用GPS基带跟踪PLL，计算多普勒频移的测量值1(包括多普勒频移和TCXO Offset)；主要包括了累加器；鉴相器；环路滤波器；数字控制振荡器(NCO)；乘法器。其中，累加器、数字控制振荡器(NCO)；乘法器硬件实现；鉴相器、环路滤波器在处理器ARM7中软件实现。
在GPS接收机基带的每个通道中，当该通道的跟踪部分PLL工作稳定时，我们可以从处理器ARM7中读出数字控制振荡器NCO的本地信号的频率fNCO(注意：该估计值是包括多普勒频移和TCXO Offset和GPS中频信号基准频率fIF，其中：fIF已知，本方法中fIF为4.092MHz)，将fNCO减去fIF，就可以得到多普勒频移的测量值1(包括多普勒频移和TCXO Offset)。
图5是多普勒频移测量值2(只包括多普勒频移)的测量示意图。主要包括根据卫星的位置、速度，接收机的位置、速度计算多普勒测量值2(只包括多普勒频移)。
在GPS定位解算阶段(一般包括导航电文的读取、最小二乘方法解算接收机的位置、速度等)，从读取的导航电文数据中，计算参与解算的卫星的位置、速度；再利用最小二乘方法解算得到接收机的位置、速度。
根据多普勒频移的定义，利用卫星的位置、速度，接收机的位置、速度计算卫星和接收机间的多普勒频移：
1、计算出卫星位置、接收机位置的位置差向量；
2、计算出卫星速度、接收机速度的速度差向量；
3、求出速度差向量在位置差向量上的投影；
4、将该投影值乘以固定常数fL/c(fL为GPS L1 C/A码的中心频率，c为光速)即可得较准确的多普勒频移测量值2(只包括多普勒频移)。

Claims (1)

1.GPS接收机中温度补偿晶体振荡器固定偏差的测试方法，GPS接收机从天线接收卫星信号后，经过包括放大、变频、混频及基带信号处理过程，对卫星信号进行捕获、比特同步、跟踪及定位解算，其特征在于：
1）在GPS接收机基带的每个通道中，当该通道的跟踪部分PLL工作稳定时，从处理器中读出基带信号处理过程中数字控制振荡器的频率值fNCO，该频率值fNCO包括多普勒频移、作为基准时钟的温度补偿晶体振荡器的固定偏差和GPS中频信号基准频率fIF，其中：fIF已知，本方法中fIF为4.092MHz，用fNCO减去fIF，得到每个参与解算卫星所在通道的多普勒频移测量值，该测量值包括多普勒频移和温度补偿晶体振荡器的固定偏差；
2）在GPS定位解算阶段，从读取的导航电文数据中，计算参与解算的卫星的位置、速度，再利用最小二乘方法解算得到接收机的位置、速度，然后根据多普勒频移的定义，计算出每个参与解算的通道中只包括多普勒频移的测量值；
3）用1）的测量值减去2）的测量值，得到每个通道的温度补偿晶体振荡器的固定偏差测量值；
4）把各个参与解算的卫星所在的通道中得到的温度补偿晶体振荡器的固定偏差测量值取平均，得到温度补偿晶体振荡器的固定偏差的测量值。
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