CN103323863B - Gnss信号自适应快速牵引方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了GNSS信号自适应快速牵引方法包括根据牵引使能信号的状态进行载波频率、相位跟踪、伪码相位跟踪以及比特同步；在比特同步时间达到预设值时，进行比特同步次数计数器的调整，在能量直方图中寻找最大值和最小值的位置；根据最大值位置、最小值位置和所述比特同步次数计数器判断是否比特同步失败以及牵引失败。该方法能实现强信号快速牵引，提高弱信号的牵引成功率，减小了比特同步错误的概率。
Description
技术领域
本申请涉及卫星定位与导航通信领域，特别涉及一种GNSS信号自适应快速牵引方法。
背景技术
全球卫星定位与导航***(GNSS)，例如GPS***、Galileo***、北斗***，通常包括一组发送GNSS信号的一个卫星星座，该GNSS信号能被接收机用来确定该接收机的位置。卫星轨道被安排在多个平面内，以便在地球上任何位置都能从至少四颗卫星接收该种信号。每一颗GNSS卫星所传送的GNSS信号都是直接序列扩频信号。每一颗卫星发射不同的PRN(Pseudo Random Noise，伪随机噪声)码，使得信号能够从几颗卫星同时发送，并由一接收机同时接收，相互间几乎无干扰。术语“卫星星号”和这个PRN码相关，可以用以标示不同的GNSS卫星。
GPS利用到达时间(TOA)测距原理来确定用户的位置，这种原理需要测量信号从卫星发出至到达用户接收机所经历的时间。为此，GPS接收机必须首先复现将被捕获的卫星所发射的PRN码，然后移动这个复现码的相位，直到与卫星的PRN码发生相关为止。当接收机复现码的相位与输入的卫星码相位相匹配时，有最大的相关。接收机首先搜索所希望卫星的相位，然后调节其复现码发生器的标称扩频码码片速率，从而实现对卫星码状态的跟踪。码相关过程通过将移相的复现码与输入的卫星码实时相乘，然后进行积分和清零处理来实现。GPS接收机的目标是使其复现码发生器的瞬时相位与所希望卫星的码相位保持最大的相关。
捕获实现对载波频率和伪码相位的粗略估计，跟踪实现对载波频率/相位和伪码频率/相位的精细跟随，在捕获与跟踪之间的过渡阶段称为牵引阶段，该阶段接收来自捕获的粗略载波频率和伪码相位，通过环路对本地载波数字振荡器(载波NCO)和本地伪码数字振荡器(码NCO)的调整，实现对载波频率/相位和伪码频率/相位的准确估计，然后转入跟踪状态进行解调和定位处理。
目前，卫星信号的牵引方案基本可总结为：以捕获到的载波频率和伪码相位为初始值，启动锁相环(或者锁频环与锁相环)和码环进行信号牵引，在规定的时间之后，再进行规定时间的比特同步操作，比特同步完成后，转入跟踪阶段。
这种传统方案存在如下不足：1、固定牵引时间和比特同步时间，导致平均牵引时间长，不利于首次定位时间(TTFF)的减小。2、以捕获的粗略载波频率为初始值，存在当频率估计过于粗略时，环路无法成功闭合的风险。3、缺乏比特同步验证机制，如果比特同步错误，将导致发射时间毫秒量级的误差，无法使用该卫星进行结算，浪费资源。4、牵引结束时方才得到比特同步位置，导致转入跟踪的瞬间，载波相位和伪码相位的锁定受到比特反转的影响，此时立即解调和定位，会影响解调误码率(BER)和定位准确度。
发明内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种能够实现快速、准确牵引，能够在牵引的最后阶段消除比特反转对载波相位和伪码相位跟踪的影响，并且能够减小比特同步错误的概率的GNSS信号自适应快速牵引方法。
为解决上述技术问题，本申请提供了一种GNSS信号自适应快速牵引方法，包括：
根据牵引使能信号的状态进行载波频率、相位跟踪、伪码相位跟踪以及比特同步；
在比特同步时间达到预设值时，进行比特同步次数计数器的调整，在能量直方图中寻找最大值和最小值的位置；
根据最大值位置、最小值位置和所述比特同步次数计数器判断是否比特同步失败以及牵引失败。
本申请提供的GNSS信号自适应快速牵引方法，利用捕获给出的能量信息，针对强弱信号自适应的选取不同的环路参数和比特同步时间，达到强信号快速牵引，弱信号保证牵引成功率的目的；然后，为比特同步设置了严格的判定机制，大幅减小了比特同步错误的概率，同时设计了牵引退出机制，避免长时间滞留在该阶段；此外牵引的最后阶段消除了比特反转对载波相位和伪码相位跟踪的影响，转入跟踪的瞬间即可进行解调和定位操作。
附图说明
图1为本申请实施例提供的典型的GNSS接收机结构框图。
图2为本申请实施例提供的典型的GNSS接收机基带信号处理流程图。
图3为本申请实施例提供的传统的GNSS接收机牵引方法流程图。
图4为本申请实施例提供的GNSS信号自适应快速牵引方法流程图。
具体实施方式
GNSS基带芯片是GNSS接收机中处理基带信号的芯片，是整个GNSS接收机的核心，本申请提供的一种GNSS信号自适应快速牵引方法在GNSS基带芯片中实现。下面对GNSS接收机进行简单的介绍，为方便起见，本申请中“接收机”均指“GNSS基带芯片”。
图1所示的实施例描述了一个典型的GNSS接收机的结构框图。这是一个完整的GNSS接收机，包括了天线101、射频前端芯片102、基带处理芯片103。基带处理部分由若干个相关通道104(包括相关通道一1041、相关通道二1042、相关通道N 1043)、捕获处理105、跟踪处理106和定位解算处理107组成。基带处理部分103从射频前端芯片102接收数字中频采样数据，其信号处理分为捕获处理105和跟踪处理106两个阶段。捕获处理105进行载波频率域和码域二维搜索，获得关于接收信号载波频率(含多普勒频偏)和伪码相位的粗略估计。跟踪处理106用于跟踪捕获到的卫星，并与之同步，以便计算初PRN码的发射时间，同时解调出导航电文用以定位。所述的同步包括载波同步、码同步、比特同步和帧同步。定位解算处理107根据跟踪处理106所复现的伪码相位计算伪距，或者根据复现的载波多普勒相位或频率计算Δ伪距，或者根据载波多普勒相位计算积分多普勒相位，进而利用这些测量得到对用户位置、速度、用户时钟偏差和时钟漂移的估计。
图1所示的实施例使用了射频前端和基带处理独立封装成芯片的形式。实际中还有其他形式，如将两部分封装在一起形成SIP***，以及将两部分合二为一形成单SOC芯片。本申请对于以上形式的GNSS接收机芯片都是适用的。
图2描述了典型的GNSS接收机基带信号处理流程图。基带芯片启动捕获引擎对天空中的可见卫星进行搜索201，并把捕获到的卫星分配给相应跟踪通道。跟踪通道进行如下处理：首先，根据捕获到的卫星粗略载波频率和伪码相位进行牵引202，得到较准确的载波频率/相位，伪码速率/相位，并进行比特同步找到比特过渡边沿；然后转入跟踪阶段203，维持对载波频率/相位，伪码速率/相位的跟踪，并解调、帧同步、收集电文，以及锁存原始观测量。当有4颗以上卫星可用于定位时，接收机根据通道提供的原始观测量执行定位解算操作204，得到对用户位置速度和时间的估计。
牵引是整个GNSS接收机基带信号处理流程的一个重要环节，图3描述了传统的GNSS接收机牵引方法流程图。传统方法进入跟踪阶段后，启动锁相环(或者锁频环与锁相环)进行载波频率/相位，伪码频率/相位的牵引301，当牵引时间达到预定时间Tpull时，启动比特同步算法302，当比特同步时间达到预定时间Tbitsync时，找最大值位置，并调整本地毫秒计数器303，调整完毕，转入跟踪304。
本申请是在传统GNSS接收机牵引方法的基础上，提出的一种更为准确和高效的GNSS信号自适应快速牵引方法，下面结合图4所示的实施例对本申请提出的一种GNSS信号自适应快速牵引方法进行详细的说明：
步骤S401：初始化牵引使能信号和比特同步次数计数器为0。
步骤S402：若捕获的峰值能量大于门限TH，则环路积分时间为PIT1，比特同步时间为T1，牵引使能信号置1。
步骤S403：若捕获的峰值能量小于门限TH，则进行精细频率估计。
步骤S404：得到精细频率值后，设置环路的积分时间为PIT2，比特同步时间为T2，牵引使能信号置1。
步骤S405：若牵引使能信号为1，则开启锁频环和锁相环进行载波频率和相位跟踪，并开启码环进行伪码相位跟踪；同时进行比特同步。
步骤S406：若比特同步时间达到预设值T1或者T2时，则比特同步次数计数器加1，且在能量直方图中寻找最大值和最小值的位置。在能量直方图中统计20个比特位置上I路能量和Q路能量的平方和，平方和最大的位置为比特边界。
步骤S407：根据最大值的位置调整本地毫秒计数器，使之与最大值位置对齐；
步骤S408：若最大值位置为0，且最小值位置为10，则比特同步成功，牵引成功，转入跟踪状态。
步骤S409：若不满足最大值位置为0且最小值位置为10，但比特同步次数计数器小于比特同步的上限次数n，则继续进行环路跟踪和比特同步操作。
步骤S410：若不满足最大值位置为0且最小值位置为10，但比特同步次数计数器等于比特同步的上限次数n，则比特同步失败，牵引失败，停止该通道。
其中，比特同步的上限次数n按照如下原则选取：设定一个可接受的牵引时间Tp，当比特同步时间为T1时，当比特同步时间为T2时，
本实施例提供的一种GNSS信号自适应快速牵引方法，整个牵引过程时耗为比特同步次数与比特同步时间的乘积。
本实施例提出的上述方法，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质(如只读存储器，磁盘或光盘等)中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。
此外，在本实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。
本申请实施例提出的GNSS信号自适应快速牵引方法具有以下有益效果：
1、利用捕获给出的能量信息，针对强弱信号自适应的选取不同的环路参数和比特同步时间，达到强信号快速牵引，弱信号保证牵引成功率的目的。
2、为比特同步设置了严格的判定机制，大幅减小了比特同步错误的概率。
3、设计了牵引退出机制，避免长时间滞留在该阶段。
4、牵引的最后阶段消除了比特反转对载波相位和伪码相位跟踪的影响，转入跟踪的瞬间即可进行解调和定位操作。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照实例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种GNSS信号自适应快速牵引方法，其特征在于，包括：
根据牵引使能信号的状态进行载波频率、相位跟踪、伪码相位跟踪以及比特同步；所述根据牵引使能信号的状态进行载波频率、相位跟踪、伪码相位跟踪以及比特同步包括：
当牵引使能信号＝0时，且捕获的峰值能量大于门限TH时，设置环路积分时间＝PIT1，比特同步时间＝T1，牵引使能信号＝1；
当牵引使能信号＝0时，且捕获的峰值能量小于门限TH时，则进行精细频率估计，得到精细频率值后，设置环路的积分时间＝PIT2，比特同步时间＝T2，牵引使能信号＝1；
当牵引使能信号＝1时，则进行载波频率、相位跟踪、伪码相位跟踪以及比特同步；
在比特同步时间达到预设值时，进行比特同步次数计数器的调整，在能量直方图中寻找最大值和最小值的位置；
根据最大值位置、最小值位置和所述比特同步次数计数器判断是否比特同步失败以及牵引失败。
2.根据权利要求1所述的GNSS信号自适应快速牵引方法，其特征在于：
对捕获的峰值能量进行门限比较时，门限TH的选取与捕获的累加次数有关，累加次数越大，门限TH越大。
3.根据权利要求1所述的GNSS信号自适应快速牵引方法，其特征在于，所述进行载波频率、相位跟踪、伪码相位跟踪以及比特同步包括：
开启锁频环和/或锁相环进行载波频率和相位跟踪；
开启码环进行伪码相位跟踪；
进行比特同步，当比特同步时间达到预设值，则将比特同步次数计数器加1，且在能量直方图中寻找最大值和最小值的位置。
4.根据权利要求3所述的GNSS信号自适应快速牵引方法，其特征在于，所述根据最大值位置、最小值位置和所述比特同步次数计数器判断是否比特同步失败以及牵引失败包括：
根据最大值的位置调整本地毫秒计数器，使之与最大值位置对齐；
若最大值位置为0，且最小值位置为10，则比特同步成功，牵引成功，转入跟踪状态；
若不满足最大值位置为0且最小值位置为10，但比特同步次数计数器小于比特同步的上限次数n，则继续进行环路跟踪和比特同步操作；
若不满足最大值位置为0且最小值位置为10，但比特同步次数计数器等于比特同步的上限次数n，则比特同步失败，牵引失败，停止该通道。
5.如权利要求4所述的GNSS信号自适应快速牵引方法，其特征在于，所述比特同步的上限次数n按照如下原则选取：
设定一个牵引时间Tp，当比特同步时间为T1时，当比特同步时间为T2时,
6.根据权利要求2-5任一项所述的GNSS信号自适应快速牵引方法，其特征在于，
所述比特同步的方法采用能量直方图的方法。
7.如权利要求6所述的GNSS信号自适应快速牵引方法，其特征在于：
在所述能量直方图中统计20个比特位置上I路能量和Q路能量的平方和，平方和最大的位置为比特边界。
8.如权利要求7所述的GNSS信号自适应快速牵引方法，其特征在于：
整个牵引过程时耗为比特同步次数与比特同步时间的乘积。
9.根据权利要求8所述的GNSS信号自适应快速牵引方法，其特征在于，还包括：
初始化牵引使能信号置0；
初始化比特同步次数计数器为0。
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