CN106814374A - 一种gps l5信号的接收装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种GPS L5信号的接收装置及方法,接收装置包括:天线:用于接收空间辐射的卫星信号;L1CA射频通道:用于将卫星信号的L1CA信号从射频变换到中频;L5射频通道:用于将卫星信号的L5信号从射频变换到中频;L1CA捕获模块:用于对中频L1CA信号进行捕获,得到多普勒和码相位;跟踪模块:用于对捕获的中频L1CA信号进行跟踪、位同步、帧同步以及电文译码;对中频L5信号进行导频通道跟踪,输出L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距;定位解算模块:用于利用跟踪模块输出的L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距进行双频定位解算,得到接收机位置。本发明降低了捕获模块的实现复杂度和存储空间,大幅降低了跟踪阶段的实现复杂度。
Description
技术领域
本发明涉及高精度卫星导航接收机,特别是一种GPS L5信号的接收装置及方法。
背景技术
目前,在卫星导航接收机中,普遍需要接收GPS的L1CA和L2C两个信号。L1CA和L2C信号的扩频频率均为1.023MHz,单点单频的伪距定位精度为300米以内。2013年,美国GPS官方发布了L5信号的接口标准,L5信号的扩频频率为10.23MHz,所对应的单点单频伪距定位精度为30米内,比L1CA和L2C信号伪距定位精度高出十倍。因此,利用L5信号是高精度单点定位的重要手段和方式。
目前GPS多频信号接收机采用的是直接捕获L5信号,然后同时跟踪导频通道的方法。这种方法需要在捕获阶段产生至少10230个相关通道,利用遍历的方式对比所***相位下的相干积分值,进而判决当前是否存在L5信号。该方法比L1信号的捕获方法的复杂度和占用的存储空间要高10倍以上。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术不足,提供一种GPS L5信号的接收装置及方法。
为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种GPS L5信号的接收装置,包括:
天线:用于接收空间辐射的卫星信号;
L1CA射频通道:用于将卫星信号的L1CA信号从射频变换到中频;
L5射频通道:用于将卫星信号的L5信号从射频变换到中频;
L1CA捕获模块:用于对中频L1CA信号进行捕获,得到多普勒和码相位;
跟踪模块:用于对捕获的中频L1CA信号进行跟踪、位同步、帧同步以及电文译码;对中频L5信号进行导频通道跟踪,输出L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距;
定位解算模块:用于利用跟踪模块输出的L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距进行双频定位解算,得到接收机位置。
本发明还提供了一种GPS L5信号的接收方法,包括以下步骤:
1)通过射频通道分别将L1CA和L5的射频信号下变频到中频信号;
2)利用捕获模块对L1CA信号进行捕获,得到L1CA信号的码相位和多普勒;
3)对L1CA信号进行位同步和帧同步,找到L1CA信号数据帧头位置;
4)生成L5信号的本地伪码,等待L5信号启动跟踪;
5)在L1CA信号帧头到来时刻,启动L5信号通道,进行同步数据接收;
6)在L1CA信号被跟踪锁定上以后,启动L5信号的跟踪,L5的初始码相位为跟踪后L1CA信号的码相位乘以10减去一个固定值(此固定值由L1CA信号和L5信号的传输延迟与硬件电路延迟决定的,在装置启动前通过大规模搜索对比的方法找到固定值的准确位置),L5的多普勒利用L1CA信号捕获的多普勒;
7)对L1CA信号进行电文译码,输出L1CA信号伪距和导航电文;与此同时,当L5信号被锁定跟踪后,判断锁定后本地伪码状态,以此状态作为L5信号的伪距输出。
步骤5)中,在L1CA信号帧头到来时刻直接启动L5信号的跟踪。
与现有技术相比,本发明所具有的有益效果为:本发明只捕获GPS L1CA信号,然后利用L1CA信号的捕获结果直接引导L5信号进入跟踪,省掉了L5CA信号的捕获,从而降低了捕获模块的实现复杂度和存储空间。在L5的跟踪阶段,只跟踪导频通道,去掉电文处理环节,从而大幅降低跟踪阶段的实现复杂度。
附图说明
图1为本发明装置结构图;
图2为本发明装置的工作原理图;
图3为L5信号的生成原理图;
图4为本地伪码生成原理图。
具体实施方式
本发明的装置结构如图1所示。
整个装置包括:天线、L1CA射频通道、L5射频通道、L1CA捕获模块、跟踪模块以及定位解算模块。天线与L1CA射频通道以及L5射频通道连接,L1CA射频通道与L1CA捕获模块连接,L1CA捕获模块以及L5射频通道与跟踪模块连接,跟踪模块与定位解算模块连接。
本发明装置的工作原理如图2所示:
天线接收的信号同时送给L1CA和L5射频通道。L1CA射频通道将L1CA射频信号下变频为L1CA中频信号,L5射频通道将L5射频信号下变频为L5中频信号。在L1CA捕获模块中,对L1CA信号进行捕获,得到L1CA的多普勒和码相位。在跟踪模块中,对L1CA信号进行跟踪、位同步、帧同步以及电文译码,输出L1CA伪距以及导航电文。根据捕获得到的L1CA多普勒,并且在L1CA数据帧头到来时刻启动引导L5信号进行Q支路的导频通道跟踪,直接输出L5的Q支路信号的伪距,由于L5的Q支路信号有调制NH位同步码,因此需要对L5的Q支路信号进行位同步操作。在L5的Q支路信号被跟踪上之后,将NH码与经过码相位偏移的本地码做异或,再与接收数据进行相干积分以达到更加高精度的信号跟踪。定位解算模块利用跟踪模块输出的L1CA伪距、L5伪距以及L1CA导航电文进行双频定位解算。
各模块的工作内容为:
天线:接收空间辐射的卫星信号;
L1CA射频通道:将L1CA信号从射频变换到中频;
L5射频通道:将L5信号从射频变换到中频;
L1CA捕获模块:对L1CA信号进行捕获,得到多普勒和码相位;
跟踪模块:对L1CA信号进行跟踪、位同步、帧同步以及电文译码;对L5信号进行导频通道跟踪。输出L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距;定位解算模块:利用跟踪模块输出的L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距进行双频定位解算,得到接收机位置。
L5导频信号的接收方法的实施步骤为:
步骤1:通过射频通道分别将L1CA和L5的射频信号下变频到中频信号;
步骤2:利用捕获模块对L1CA信号进行捕获,得到L1CA的码相位和多普勒;
步骤3:对L1CA信号进行位同步和帧同步,找到L1CA信号数据帧头位置;
步骤4:生成L5信号的本地伪码,等待L5信号启动跟踪;
步骤4:在L1CA信号帧头到来时刻,启动L5信号通道,进行同步数据接收。
步骤5:在L1CA信号被跟踪锁定上以后,启动L5信号的跟踪,L5的初始码相位为跟踪后L1CA信号的码相位乘以10减去一个固定值,L5的多普勒利用L1CA信号捕获的多普勒;
步骤6:对L1CA信号进行电文译码,输出L1CA伪距和导航电文;
步骤7:输出L5伪距。
本发明提出的L5导频信号接收方法的原理为:
1、L5引导启动时刻的选择:
L5伪码周期为1.5秒,其周期起始时间与L1CA信号电文的帧头对齐,因此可以在L1CA信号帧头到来时刻直接启动L5信号的跟踪。此时L5码相位为0,多普勒可直接利用L1CA信号捕获得到的多普勒。
2、L5信号本地伪码的生成:
L5信号是导频和数据通道的数据通过QPSK调制中I支路和Q支路正交复用得到的,导频通道和数据通道的数据也相互正交。因此为了只跟踪导频通道,需要在产生本地伪码时产生导频通道的伪码即可。L5信号的生成原理如图3所示。其中,数据通道将要发送的电文数据先做CRC校验,差错控制编码,接着与NH码进行异或操作实现位同步,最后与伪码相关运算。而导频通道没有传输电文数据,伪码直接与NH码进行异或操作位同步。最后,数据通道和导频通道的数据分别通过I支路和Q支路正交复用的QPSK调制。本发明中的本地伪码为未经过与NH码异或处理的导频通道伪码,如图4所示。经过上述处理的L5伪码与接收信号进行相关累加运算即可消除数据通道,只保留导频通道。由于L1CA信号已经包含了GPS卫星的导航电文,此电文与L5信号上的导航电文内容是完全一致的,定位解算模块可利用L1CA的导航电文进行双频定位解算。因此只跟踪L5的导频通道,不进行电文处理不影响接收机的正常工作。
3、L5信号的跟踪处理:
在L1CA信号帧头到来时刻,启动L5信号通道,进行同步数据接收。由于L5信号的伪码片宽度是L1CA信号伪码片宽度的10分之一,L1CA信号一个码相位偏移的误差会导致L5信号10个码相位的偏移误差,而信号跟踪模块最多使用N(N<10)个码片宽度的采样信号进行跟踪处理。如果在L1CA信号捕获之后就进行L5信号的跟踪处理,容易导致L5信号无法准确跟踪的问题。因此,在L1CA信号还没有被跟踪锁定之前,暂时不对L5信号进行跟踪。在L1CA信号被跟踪锁定上以后,启动L5信号的跟踪,L5的多普勒利用L1CA信号捕获的多普勒除以一个固定值得到;L5的初始码相位为跟踪锁定后的L1CA信号的码相位乘以10减去一个固定值。
Claims (4)
1.一种GPS L5信号的接收装置,其特征在于,包括:
天线:用于接收空间辐射的卫星信号;
L1CA射频通道:用于将卫星信号的L1CA信号从射频变换到中频;
L5射频通道:用于将卫星信号的L5信号从射频变换到中频;
L1CA捕获模块:用于对中频L1CA信号进行捕获,得到多普勒和码相位;
跟踪模块:用于对捕获的中频L1CA信号进行跟踪、位同步、帧同步以及电文译码;对中频L5信号进行导频通道跟踪,输出L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距;
定位解算模块:用于利用跟踪模块输出的L1CA信号的伪距、导航电文以及L5信号伪距进行双频定位解算,得到接收机位置。
2.一种GPS L5信号的接收方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)通过射频通道分别将L1CA和L5的射频信号下变频到中频信号;
2)利用捕获模块对L1CA信号进行捕获,得到L1CA信号的码相位和多普勒;
3)对L1CA信号进行位同步和帧同步,找到L1CA信号数据帧头位置;
4)生成L5信号的本地伪码,等待L5信号启动跟踪;
5)在L1CA信号帧头到来时刻,启动L5信号通道,进行同步数据接收;
6)在L1CA信号被跟踪锁定上以后,启动L5信号的跟踪,L5的初始码相位为跟踪后L1CA信号的码相位乘以K减去一个固定值,L5的多普勒利用L1CA信号捕获的多普勒;
7)对L1CA信号进行电文译码,输出L1CA信号伪距和导航电文;与此同时,当L5信号被锁定跟踪后,判断锁定后本地伪码状态,以此状态作为L5信号的伪距输出。
3.根据权利要求2所述的GPS L5信号的接收方法,其特征在于,步骤5)中,在L1CA信号帧头到来时刻直接启动L5信号的跟踪。
4.根据权利要求2所述的GPS L5信号的接收方法,其特征在于,K=10。
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