TW201445167A - Ｇｐｓ接收機及判斷ｇｐｓ接收機跟踪環路狀態的方法 - Google Patents

Abstract

一種GPS接收機及判斷GPS接收機跟踪環路狀態的方法。GPS接收機，包括：跟踪環路，分別即時跟踪GPS信號的載波和偽隨機雜訊碼，以解調出GPS信號中包含的導航資料，跟踪環路根據中頻信號、本地偽隨機雜訊碼和本地載波產生同相分量信號和正交分量信號；以及信號強度計算模組，根據同相分量信號和正交分量信號計算與GPS信號相關的第一估計值和第二估計值，並基於第一估計值和第二估計值判斷跟踪環路的狀態。

Description

GPS接收機及判斷GPS接收機跟踪環路狀態的方法

本發明係有關一種GPS接收機及處理GPS信號的方法，特別關於一種可以估算GPS信號強度的GPS接收機及判斷GPS接收機跟踪環路狀態的方法。

GPS信號是由GPS衛星在L1或L2頻率發送的擴頻信號。民用GPS接收機通常使用L1頻率(1575.42兆赫茲)。L1載波上發送的幾個信號為：粗捕獲碼(C/A碼)、P碼和導航資料。衛星軌道的詳細資料包含在導航資料中。粗捕獲碼是一種偽隨機雜訊碼(PRN碼)，主要用於民用接收機中的定位。每個衛星都有唯一的一個粗捕獲碼，並且反覆迴圈此粗捕獲碼。粗捕獲碼是一個0和1(二進位)序列。每個0或1被認為是一個“碼片”。粗捕獲碼有1023碼片長，並以每秒1.023兆碼片的速率發送，即粗捕獲碼的一個週期持續1毫秒。本領域的普通技術人員可以認為“碼片”是資料長度或時間長度的單元。導航資料也是一個0和1(二進位)序列，並以每秒50比特的速率發送。

為實現定位，GPS接收機需要捕獲來自至少四顆衛星的GPS信號，解調出四個GPS信號的導航資料。來自不同衛星的GPS信號透過不同的通道傳播。通常，GPS接收機處理來自幾個通道的GPS信號。每個GPS信號都具有不同起始時間的粗捕獲碼和不同的多普勒頻移。因此，為搜索某個衛星信號，GPS接收機通常進行二維搜尋，在每個可能的頻率上搜索每個起始時間不同的粗捕獲碼。GPS接收機包括天線、射頻前端以及基帶信號處理單元。GPS衛星發射的GPS信號由天線接收後傳送給射頻前端。射頻前端將接收到的射頻信號轉換為具有期望輸出頻率的信號，並以預定採樣頻率將轉換的信號數位化。經轉換並且數位化的信號被認為是中頻信 號。接著，中頻信號傳送到基帶信號處理單元的捕獲模組。在捕獲模組，透過中頻信號和本地粗捕獲碼以及本地載波進行的相關運算搜索粗捕獲碼的起始點以及載波的頻率，特別是GPS信號的多普勒頻移。如果搜索模組確認捕獲到GPS信號，例如載波的頻率誤差在1赫茲以內，粗捕獲碼相位誤差為1/2碼片，基帶信號處理單元的跟踪模組則進入跟踪狀態，使本地粗捕獲碼和本地載波跟踪GPS信號中的粗捕獲碼和載波的變化，進而獲取精確的粗捕獲碼相移和多普勒頻移。跟踪模組包括載波跟踪環和粗捕獲碼跟踪環，分別對GPS信號中的載波和粗捕獲碼進行即時跟踪，以解調出GPS信號中包含的導航資料。

由於各種干擾，從天線接收的射頻信號包括有用信號和雜 訊。有用信號是從GPS衛星向接收機發送的GPS信號，以有助於接收機完成定位等功能。

跟踪環路在對GPS信號進行跟踪的過程中，由於各種因素(例如，雜訊)的影響而有可能導致跟踪環路失鎖，無法繼續跟踪GPS信號。因此，需要判斷跟踪環路的狀態，即判定跟踪環路是處於鎖定模式還是失鎖模式，以便對跟踪環路進行及時的調整。如果跟踪環路處於鎖定模式，則可以利用跟踪到的GPS信號，獲得GPS接收機的當前位置和速度等資訊；若跟踪環路失鎖，則需要對GPS信號進行重新捕獲和跟踪。因此，GPS接收機需要估計GPS信號的強度，並基於GPS信號強度的估計值判斷跟踪環路是否失鎖並調整跟踪環路的參數。

信號的強度在一種方式下可以用信噪比表示，信噪比是指有用信號的功率除以雜訊的功率，一般用分貝作為單位。通常來說，當信噪比較高時，表示GPS信號較強，此時接收機應該是位於室外及天空開闊度較佳的環境下，跟踪環路處於鎖定模式，多普勒頻移和多普勒頻移的變化率較大。反之，當信噪比較低時，表示GPS信號微弱，此時接收機應該是位於室內或其他信號遮罩的環境下，跟踪環路失鎖，多普勒頻移和多普勒頻移的變化率較小。然而，信噪比在某些場景並不能反映真實的信號強度和跟踪環路的狀態。例如，在有用信號的功率和雜訊功率都較小的情況下，信噪比的值可能很大，造成了GPS信號較強的假像，進而無法有效及時地 判斷出跟踪環路的失鎖狀態。

本發明的目的為提供一種GPS接收機，包括：一跟踪環路，分別即時跟踪一GPS信號的一載波和一偽隨機雜訊碼，以解調出該GPS信號中包含的一導航資料，該跟踪環路根據一中頻信號、一本地偽隨機雜訊碼和一本地載波產生一同相分量信號和一正交分量信號；以及一信號強度計算模組，根據該同相分量信號和該正交分量信號計算與該GPS信號相關的一第一估計值和一第二估計值，並基於該第一估計值和該第二估計值判斷該跟踪環路的一狀態。

本發明還提供一種判斷GPS接收機跟踪環路狀態的方法，包括：轉換一GPS信號至一中頻信號；根據該中頻信號產生一同相分量信號和一正交分量信號；根據該同相分量信號和該正交分量信號產生一第一估計值和一第二估計值；根據該第一估計值判斷一跟踪環路的一狀態；以及根據該第一估計值和該第二估計值判斷該跟踪環路的該狀態。

100‧‧‧GPS接收機

101‧‧‧跟踪環路

102‧‧‧多普勒頻移去除模組

104‧‧‧積分模組

106‧‧‧碼鑒相器

108‧‧‧碼濾波器

110‧‧‧碼數位控制振盪器

112‧‧‧碼產生器

114‧‧‧載波鑒相器

116‧‧‧載波濾波器

117‧‧‧載波數位控制振盪器

118‧‧‧本地載波產生器

119‧‧‧相移模組

120‧‧‧信號強度計算模組

130‧‧‧比特同步模組

140‧‧‧導航比特預測模組

202‧‧‧求值模組

204‧‧‧第一濾波器

206‧‧‧第二濾波器

208‧‧‧環路參數設置模組

210‧‧‧環路參數判斷模組

212‧‧‧第一積分單元

214‧‧‧平方求和單元

216‧‧‧平方單元

218‧‧‧第二積分單元

220‧‧‧求和單元

222‧‧‧估計模組

224‧‧‧切換模組

226‧‧‧因子模組

228‧‧‧狀態機

300‧‧‧流程圖

302~320‧‧‧步驟

以下結合附圖和具體實施例對本發明的技術方法進行詳細的描述，以使本發明的特徵和優點更為明顯。其中：圖1所示為根據本發明一實施例之GPS接收機的結構示意圖；圖2所示為根據本發明一實施例之信號強度計算模組的結構示意圖；以及圖3所示為根據本發明一實施例之判斷跟踪環路狀態的流程示意圖。

以下將對本發明的實施例給出詳細的說明。雖然本發明將結合實施例進行闡述，但應理解這並非意指將本發明限定於這些實施例。相反地，本發明意在涵蓋由後附申請專利範圍所界定的本發明精神和範圍內所定義的各種變化、修改和均等物。

此外，在以下對本發明的詳細描述中，為了提供針對本發明的完全的理解，提供了大量的具體細節。然而，於本技術領域中具有通常知識者將理解，沒有這些具體細節，本發明同樣可以實施。 在另外的一些實例中，對於大家熟知的方法、程序、元件和電路未作詳細描述，以便於凸顯本發明之主旨。

GPS接收機包括射頻前端以及基帶信號處理單元。射頻前端將接收到的GPS信號轉換為具有期望輸出頻率的信號，並以預定採樣頻率將轉換的信號數位化。經轉換並且數位化的信號被認為是中頻信號。中頻信號傳送到基帶信號處理單元的捕獲模組。捕獲模組搜索粗捕獲碼的起始點以及載波的頻率，特別是GPS信號的多普勒頻移。如果搜索模組確認捕獲到GPS信號，基帶信號處理單元的跟踪模組則進入跟踪狀態，形成跟踪環路。由於本發明GPS接收機中的射頻前端和捕獲模組的結構和功能與現有GPS接收機的一致，為簡明起見，這裡不再贅述。

圖1所示為根據本發明一個實施例的GPS接收機100的結構示意圖。在GPS接收機100中，GPS信號被射頻前端(圖中未示出)轉換為中頻信號，並輸入跟踪環路101。跟踪環路101包含有載波跟踪環和粗捕獲碼跟踪環，分別對當前通道中GPS信號的載波和粗捕獲碼進行即時跟踪，以解調出GPS信號中包含的導航資料。粗捕獲碼跟踪環採用提前-遲後鎖相環(early-late環)。如圖1所示，粗捕獲碼跟踪環具體可以包括：積分模組104、碼鑒相器106、碼濾波器108、碼數位控制振盪器(Numerical Controlled Oscillator；NCO)110以及碼產生器112。碼產生器112基於捕獲模組(圖中未示出)輸出的粗捕獲碼相移，產生具有預定相位差的兩個信號，即提前(early)粗捕獲碼和遲後(late)粗捕獲碼，預定相位差可以設置為一個碼片。提前粗捕獲碼和遲後粗捕獲碼與輸入的中頻信號在積分模組104中完成相關運算後輸出兩路信號，這兩路信號經過碼鑒相器106和碼濾波器108的處理，產生一個控制信號以調節碼數位控制振盪器110產生的時間信號，以控制碼產生器112產生本地粗捕獲碼的速率，使本地粗捕獲碼的相位與接收到的GPS信號中的粗捕獲碼相位保持同相，此時的本地粗捕獲碼是即時(prompt)粗捕獲碼，提供給載波跟踪環。

載波跟踪環具體可以包括：多普勒頻移去除模組102、 積分模組104、載波鑒相器114、載波濾波器116和本地載波產生器118。本地載波產生器118基於捕獲模組(圖中未示出)輸出的多普勒頻移產生本地載波，並且本地載波產生器118具體包括：相移模組119和載波碼數位控制振盪器117。多普勒頻移去除模組102利用本地載波產生器118輸出的本地載波，將中頻信號變換到基帶，得到同相分量I和正交分量Q。本地載波產生器118輸出兩個本地正交載波信號：一個正弦信號和一個餘弦信號。兩個載波信號的其中一個(又稱第一本地參考信號)由載波碼數位控制振盪器117產生。另一個載波信號(又稱第二本地參考信號)透過對第一本地參考信號的移相得到。移相操作由相移模組119執行。同相分量I和正交分量Q分別與即時粗捕獲碼在積分模組104中進行積分。積分模組104的輸出經過載波鑒相器114和載波濾波器116的處理，產生一個控制信號以調節載波碼數位控制振盪器117的頻率，以產生與GPS信號中載波同步的本地載波。

本領域技術人員可以理解的是，積分模組104在載波跟踪環和粗捕獲碼跟踪環實現相應的信號積分功能。然而，積分模組104僅為示例性說明，本發明實施例也可以採用兩個積分模組分別實現載波跟踪環和粗捕獲碼跟踪環中的功能。

GPS接收機100還包括在跟踪階段對GPS信號的強度提供估計的信號強度計算模組120。如上所述，GPS信號由射頻前端轉換為中頻信號後輸入跟踪環路101，並被多普勒頻移去除模組102變換到基帶，得到同相分量I和正交分量Q，再由積分模組104將同相分量I和正交分量Q分別與即時(prompt)粗捕獲碼在預定時間長度內執行相關運算，以完成對同相分量I和正交分量Q的積分，進而得到同相分量信號I(P)和正交分量信號Q(P)。同相分量信號I(P)和正交分量信號Q(P)作為信號強度計算模組120的輸入。在根據本發明的一個實施例中，信號強度計算模組120根據同相分量信號I(P)和正交分量信號Q(P)求出與GPS信號相關的第一估計值SL和第二估計值NL，據此計算信噪比信噪比，進而判斷GPS信號的強度和跟踪環路的狀 態。在根據本發明一個實施例中，信號強度計算模組120還直接根據第一估計值SL判斷GPS信號的強度，並據此判斷跟踪環路的狀態。例如，當第一估計值SL小於第一預設值且保持一定時間段時，即GPS信號中的有用信號和雜訊信號都較弱，信號強度計算模組120直接判斷跟踪環路進入失鎖狀態。信號強度計算模組120的操作將結合圖2進一步描述。

有利的是，信號強度計算模組120不僅根據信噪比判斷跟踪環路的狀態，還根據第一估計值SL直接判斷跟踪環路的狀態。因此，當第一估計值SL小於第一預設值且保持一定時間段時，信號強度計算模組120判斷跟踪環路進入失鎖狀態，避免了信噪比無法完全反映信號強度和環路狀態的情況(例如，有用信號的功率和雜訊功率都很小而信噪比很大的情況)，進而提升GPS接收機判斷跟踪環路狀態的準確性。

圖2所示為信號強度計算模組120的結構示意圖。在根據本發明一個實施例中，信號強度計算模組120基於方程式(1)估算GPS信號的強度。

其中，M是同相分量信號I(P)和正交分量信號Q(P)的積分時間。第一估計值SL和第二估計值NL為非線性關係。第一估計值SL和第二估計值NL均包含了有用信號的影響和雜訊的影響。

在根據本發明一個實施例中，信號強度計算模組120包括：求值模組202、第一濾波器204、第二濾波器206、環路參數設置模組208以及環路狀態判斷模組210。求值模組202根據同相分量信號I(P)和正交分量信號Q(P)求出與GPS信號相關的第一估計值SL和第二估計值NL。第一濾波器204和第二濾波器206分別對第一估計值SL和第二估計值NL進行濾波，並產生對應的第一估計值A和第二估計值C。環路狀態判斷模組210還根據第一估計值A和第二估計 值C判斷跟踪環路處於鎖定狀態還是失鎖狀態。此外，環路參數設置模組208根據第一估計值A和第二估計值C設置跟踪環路的參數(例如，環路頻寬和積分時間)。

在根據本發明一個實施例中，求值模組202包括第一積分單元212、平方求和單元214、平方單元216、第二積分單元218和求和單元220。根據方程式(1)，第一積分單元212分別對同相分量信號I(P)和正交分量信號Q(P)在預定時間長度M內執行積分運算。接著，平方求和單元214對第一積分單元212輸出的同相分量信號I(P)的積分和正交分量信號Q(P)的積分分別求平方並將平方值相加，得到與GPS信號有關的第一估計值SL。

此外，平方單元216分別對同相分量信號I(P)和正交分量信號Q(P)執行平方運算。接著，第二積分單元218對平方單元216輸出的同相分量信號I(P)的平方和正交分量信號Q(P)的平方在預定時間長度M內執行積分運算。然後，求和單元220將第二積分單元218輸出的兩路積分結果相加，得到與GPS信號有關的第二估計值NL。

上述方程式(1)中的積分時間M的取值可以根據信號強度靈活設置。信號較強時，積分時間M的取值較小；信號較弱時，積分時間M的取值較大。然而，由於GPS信號中的導航資料每20毫秒就可能會出現比特符號翻轉，為了避免比特符號翻轉帶來的信噪比損失，積分時間不能太長，一般取20毫秒。GPS信號中一幀完整的GPS導航資料包含1500比特資料，由5個子幀構成，而每個子幀的大部分比特具有變化頻度小、可預測性和週期重複性的特點。因此，如圖1所示，GPS接收機100中的導航比特預測模組140可以根據先前接收到的來自某一顆衛星的導航資料，預測出同一顆衛星將要在未來某一時刻發射的GPS信號中的導航資料。將預測的導航資料與中頻信號作相乘運算，去除中頻信號中的導航資料，就可以消除導航比特符號翻轉帶來的信噪比損失，進而實現中頻信號長時間的積分。所以，在有導航比特預測模組140的輔助時，可以根據應用環境動態設置積分時間M，使得M的取值大於20毫秒，以便提高環路的檢測靈敏度。 在沒有導航比特預測模組140的輔助時，可以根據不同的應用系統進行靈活配置。例如GPS系統選擇積分時間M為20毫秒，而廣域增強系統(Wide Area Augmentation System；WAAS)選擇積分時間M為2毫秒。

GPS接收機冷開機時，在啟動信號強度計算模組120之前，GPS接收機100中的比特同步模組130檢測導航比特邊界，以確定中頻信號在信號強度計算模組120中執行積分的起始點。而對於接收機的其他模式(例如，暖開機)，接收機會記錄暖開機之前的比特邊界，所以不需要啟動比特同步模組130就可以直接利用信號強度計算模組120計算GPS信號的強度。

如圖2所示，由於雜訊的影響，信號強度計算模組120估算出的與GPS信號有關的第一估計值SL和第二估計值NL存在一些抖動，分別經過第一濾波器204和第二濾波器206的濾波平滑處理，得到較為穩定的第一估計值A和第二估計值C。在根據本發明一個實施例中，第一濾波器204和第二濾波器206是一階無限脈衝響應(Infinite Impulse Response；IIR)低通濾波器。然而，本領域技術人員可以理解的是，第一濾波器204和第二濾波器206可採用其他的低通濾波器和平均濾波器。一階無限脈衝響應低通濾波器的傳輸函數為：

此濾波器的參數可以透過軟體靈活設置，以便適用於不同的應用系統。例如，對於GPS系統，由於導航比特週期較長，積分時間M的取值為20毫秒，所以參數α取值應該較大(例如，0.1)，以便實現濾波平滑效果的同時盡可能提高濾波器反應速度；而對於廣域增強系統，由於導航比特週期較短，M取值為2毫秒，所以參數α取值可以較小(例如，0.001)，以便在保證濾波器反應速度的同時儘可能的提高濾波平滑的效果。

在根據本發明一個實施例中，環路狀態判斷模組210 包括因數模組226和狀態機228。當第一估計值A小於第一臨限值TH1且保持一定時間段時，狀態機228判定跟踪環路處於失鎖狀態。因數模組226用於將第二估計值C乘以因數，以得到第三估計值B。在根據本發明一個實施例中，因數可設定等於第二臨限值TH2。當第一估計值A和第二估計值C的比值高於第二臨限值TH2時，即第一估計值A高於第三估計值B時，狀態機228判定跟踪環路處於鎖定狀態。狀態機228的操作將結合圖3做進一步描述。有利的是，相比於直接將第一估計值A和第二估計值C的比值與第二臨限值TH2進行比較，採用本發明的環路狀態判斷模組210節省了硬體資源。在根據本發明一個實施例中，因數(即第二臨限值TH2)的大小可以基於系統類型(例如，GPS和廣域增強系統)和積分時間M來靈活配置。在系統類型和積分時間M確定的情況下，因數是一個常數。

環路狀態判斷模組210根據第一估計值A和第二估計值C判斷GPS信號的強度和跟踪環路的狀態。狀態機228比較第一估計值A與第一臨限值TH1，並比較第一估計值A和第三估計值B，然後根據比較結果判斷跟踪環路的狀態。有利的是，狀態機228比較第一估計值A與第一臨限值TH1，即比較第一估計值SL與第一預設值，進而避免了GPS信號中有用信號和雜訊信號都很小使得信噪比無法完全反映真實的信號強度的情況。

在根據本發明一個實施例中，環路參數設置模組208包括估計模組222和切換模組224。估計模組222將第一估計值A除以第二估計值C，得到第一估計值A和第二估計值C的比值。由於第一估計值A和第二估計值C的比值是與信噪比成非線性關係的一個數值，且比值越大，信噪比就越大。因此，第一估計值A和第二估計值C的比值可以間接反應當前跟踪通道的GPS信號的強度。切換模組224根據當前的GPS信號強度，可即時設置跟踪環路的參數。在根據本發明一個實施例中，GPS接收機還可以包括一個資料庫模組(圖中為示出)，預先設置好一個查閱資料表。在查閱資料表中，對應不同的信號強度範圍，設置不同數值的跟踪環路參數。當信號強度大的時候， GPS接收機應該是位於開闊地帶，為了能夠應對足夠高的動態應力，即多普勒頻移和多普勒頻移的變化率較大，應該減小跟踪環路的動態範圍，因而設置較大的環路頻寬，採用較短的積分時間。當信號強度小的時候，GPS接收機應該是位於室內或半遮擋地帶，多普勒頻移和多普勒頻移的變化率較小，應該增大跟踪環路的動態範圍，因而設置較小的環路頻寬，同時採用較長的積分時間。因此，切換模組224根據表示GPS信號強度的第一估計值A和第二估計值C的比值從預先設置好的查閱資料表中選擇一組與之對應的參數，將跟踪環路的參數切換為此組參數。

圖3所示為根據本發明一個實施例的操作狀態機228對跟踪環路狀態進行判斷的流程示意圖300。圖3將結合圖1和圖2進行描述。儘管圖3公開了某些特定的步驟，但這些步驟僅僅作為示例。本發明同樣適用於圖3所示步驟的變形或其他步驟。

在根據本發明一個實施例中，狀態機228利用第一估計值A和第三估計值B對跟踪環路狀態進行判斷，同時直接利用第一估計值A判斷跟踪環路的狀態。在根據本發明一個實施例中，狀態機228包括三個門限值：第一門限L1、第二門限L2和第三門限L3，其中第二門限L2大於第三門限L3。狀態機228還包括第一計數器LockCnt和第二計數器LostCnt。第一計數器LockCnt用於計數GPS信號強度高於第二臨限值TH2的次數；第二計數器LostCnt用於計數GPS信號強度低於第二臨限值TH2或第一估計值A低於第一臨限值TH1的次數。在根據本發明一個實施例中，第一計數器LockCnt和第二計數器LostCnt的初始值均設置為零，計數器的值達到三個門限(第一門限L1、第二門限L2或第三門限L3)中的某一個門限值，跟踪環路就會進入一個相應的狀態。狀態機228輸出兩個指示當前跟踪環路狀態的輸出信號：鎖定輸出信號LockOut和失鎖輸出信號LostOut，其初始值均設置為FALSE。具體地，本發明實施例包括如下步驟：在步驟302中，比較第一估計值A和第三估計值B，以判斷第一估計值A是否大於或等於第三估計值B。如果第一估計值A 大於或等於第三估計值B，則跳轉至步驟304。如果第一估計值A小於第三估計值B，則跳轉至步驟310中。

在步驟304中，比較第一計數器LockCnt的值與第一門限L1，以判斷第一計數器LockCnt的值是否等於第一門限L1。如果第一計數器LockCnt的值等於第一門限L1，則跳轉至步驟306；如果第一計數器LockCnt的值小於第一門限L1，則跳轉至步驟308。

在步驟306中，鎖定輸出信號LockOut輸出為TRUE，表示環路鎖定，即跟踪通道進入鎖定模式；流程結束。

在步驟308中，第一計數器LockCnt的值加1；流程結束。

在步驟310中，比較第二計數器LostCnt的值與第二門限L2，以判斷第二計數器LostCnt的值是否等於第二門限L2。如果第二計數器LostCnt的值等於第二門限L2，跳轉至步驟312；如果第二計數器LostCnt的值小於第二門限L2，跳轉至步驟314。

在步驟312中，失鎖輸出信號LostOut輸出為TRUE，表示環路徹底失鎖，此時需要重新重定跟踪通道，重新捕獲和跟踪GPS信號；流程結束。

在步驟314中，第二計數器LostCnt的值加1，跳轉至步驟316。

在步驟316中，判斷第二計數器LostCnt的值是否大於或等於第三門限L3。如果第二計數器LostCnt的值大於或等於第三門限L3，則跳轉至步驟318。

在步驟318中，失鎖輸出信號LockOut輸出為FALSE，指示跟踪通道進入狀態保持模式，此時不能繼續用此通道定位，但是不需要重新重定通道；流程結束。

在根據本發明一個實施例中，執行步驟302的同時執行步驟320。

在步驟320中，比較第一估計值A和第一臨限值TH1，以判斷第一估計值A是否小於第一臨限值TH1。如果第一估計值A小 於第一臨限值TH1，則跳轉至步驟310，步驟310之後的操作不再贅述。

有利的是，狀態機228不僅透過比較第一估計值A和第三比較值B估算GPS信號的信噪比，並據此判斷GPS的信號強度和跟踪環路的狀態。狀態機228還透過比較第一估計值A和第一臨限值TH1直接檢測與GPS信號中信號強度相關的第一估計值SL。當第一估計值A小於第一臨限值TH1時，即第一估計值SL小於第一預設值，表示GPS信號中的有用信號和雜訊信號都較弱。此時狀態機228直接進入步驟310，進而避免了由第一估計值SL和第二估計值NL都很小而信噪比信噪比較大引起的誤判情況，提升了接收機判斷跟踪環路狀態的準確性。

如上所述，狀態機228基於GPS信號的強度將跟踪環路定義為以下三種模式：鎖定模式、失鎖重捕獲模式和狀態保持模式。在跟踪環路處於鎖定模式時，跟踪通道可以參與正常的定位輸出。在跟踪環路處於失鎖重捕獲模式時，表明跟踪通道已經失鎖，需要重定跟踪通道以便進行重新捕獲。在跟踪環路處於狀態保持模式時，此時跟踪通道雖然不能參與正常的定位輸出，但是也不會被重定位，有利於系統的快速恢復，例如，配備GPS接收機的汽車經過隧道時，GPS信號變弱，跟踪環路暫時不能跟踪GPS信號，跟踪通道將處於狀態保持模式，信號強度計算模組120連續檢測GPS信號強度，當信號強度恢復後(例如，汽車駛離隧道後)，可以再利用跟踪通道繼續對GPS信號進行跟踪，因此，省掉了重新捕獲、跟踪的時間，有利於系統的快速恢復。

狀態機228可以由專用的硬體實現，也可以由軟體實現。當採用軟體實現時，可以在降低硬體實現複雜度的同時提供極大的靈活性，例如：可以根據具體應用對狀態機228中的參數L1、L2和L3進行靈活設置，以便在保證失鎖和鎖定檢測的檢測概率的同時，儘量降低系統失鎖和鎖定檢測所需的時間。狀態機228的更新時間可以每隔積分時間M(例如，20毫秒)更新一次，也可以採用抽取的方 式每隔N*M更新一次，其中N為整數。採用抽取的方式時，可以有效降低系統運行速率。這裡的更新時間是指雖然信號強度計算模組120一直在對GPS信號的強度進行估算，但是狀態機228要隔一段時間(例如，積分時間M或N個積分時間M)，判斷跟踪環路的狀態。

上文具體實施方式和附圖僅為本發明之常用實施例。顯然，在不脫離後附申請專利範圍所界定的本發明精神和保護範圍的前提下可以有各種增補、修改和替換。本技術領域中具有通常知識者應該理解，本發明在實際應用中可根據具體的環境和工作要求在不背離發明準則的前提下在形式、結構、佈局、比例、材料、元素、元件及其它方面有所變化。因此，在此披露之實施例僅用於說明而非限制，本發明之範圍由後附申請專利範圍及其合法均等物界定，而不限於先前之描述。

100‧‧‧GPS接收機

101‧‧‧跟踪環路

102‧‧‧多普勒頻移去除模組

104‧‧‧積分模組

106‧‧‧碼鑒相器

108‧‧‧碼濾波器

110‧‧‧碼數位控制振盪器

112‧‧‧碼產生器

114‧‧‧載波鑒相器

116‧‧‧載波濾波器

117‧‧‧載波數位控制振盪器

118‧‧‧本地載波產生器

119‧‧‧相移模組

120‧‧‧信號強度計算模組

130‧‧‧比特同步模組

140‧‧‧導航比特預測模組

Claims (28)

1. 一種GPS接收機，包括：一跟踪環路，分別即時跟踪一GPS信號的一載波和一偽隨機雜訊碼踪，以解調出該GPS信號中包含的一導航資料，該跟踪環路根據一中頻信號、一本地偽隨機雜訊碼和一本地載波產生一同相分量信號和一正交分量信號；以及一信號強度計算模組，根據該同相分量信號和該正交分量信號計算與該GPS信號相關的一第一估計值和一第二估計值，並基於該第一估計值和該第二估計值判斷該跟踪環路的一狀態。
2. 如申請專利範圍第1項之GPS接收機，其中，該信號強度計算模組包括：一環路狀態判斷模組，將該第二估計值乘以一因數，以產生一第三估計值，比較該第一估計值和該第三估計值，並比較該第一估計值與一第一臨限值，以判斷該跟踪環路的該狀態。
3. 如申請專利範圍第2項之GPS接收機，其中，該環路狀態判斷模組包括：一狀態機，接收該第一估計值和該第三估計值。
4. 如申請專利範圍第3項之GPS接收機，其中，當該第一估計值大於或等於該第三估計值時，該狀態機比較一第一計數器的值和一第一門限。
5. 如申請專利範圍第4項之GPS接收機，其中，如果該第一計數器的值等於該第一門限，該狀態機輸出指示該跟踪環路進入一鎖定狀態的一鎖定輸出信號。
6. 如申請專利範圍第4項之GPS接收機，其中，如果該第一 計數器的值小於該第一門限，該狀態機使該第一計數器的值加1。
7. 如申請專利範圍第4項之GPS接收機，其中，該第一計數器的值初始設置為零。
8. 如申請專利範圍第3項之GPS接收機，其中，當該第一估計值小於該第三估計值或該第一臨限值時，該狀態機比較一第二計數器的值和一第二門限。
9. 如申請專利範圍第8項之GPS接收機，其中，如果該第二計數器的值等於該第二門限，該狀態機輸出指示該跟踪環路進入一失鎖狀態的一失鎖輸出信號。
10. 如申請專利範圍第8項之GPS接收機，其中，如果該第二計數器的值小於該第二門限，該狀態機使該第二計數器的值加1。
11. 如申請專利範圍第8項之GPS接收機，其中，該狀態機還比較該第二計數器的值和一第三門限，其中，該第三門限小於該第二門限。
12. 如申請專利範圍第11項之GPS接收機，其中，如果該第二計數器的值大於或等於該第三門限，該狀態機輸出指示該跟踪環路處於一狀態保持模式的一保持輸出信號。
13. 如申請專利範圍第8項之GPS接收機，其中，該第二計數器的值初始設置為零。
14. 如申請專利範圍第1~13項任一項之GPS接收機，其中，該信號強度計算模組包括：一第一積分單元，對該同相分量信號和該正交分量信號在一預定時間長度內作一積分；一平方求和單元，對該第一積分單元輸出的該積分分別求一 平方並將一平方值相加，以得到該第一估計值；一平方單元，對該同相分量信號和該正交分量信號分別求一平方；一第二積分單元，對該平方單元輸出的該平方在該預定時間長度內作一積分；以及一求和單元，將該第二積分單元輸出的該積分相加，以得到該第二估計值。
15. 如申請專利範圍第14項之GPS接收機，其中，該信號強度計算模組還包括：一環路參數設置模組，根據該第一估計值和該第二估計值設置該跟踪環路的一參數。
16. 如申請專利範圍第14項之GPS接收機，其中，該信號強度計算模組還包括：一第一濾波器和一第二濾波器，分別對該第一估計值和該第二估計值進行濾波處理。
17. 如申請專利範圍第1項之GPS接收機，其中，該跟踪環路包括：一偽隨機碼跟踪環，產生該本地偽隨機雜訊碼，其中，該本地偽隨機雜訊碼與該GPS信號的該偽隨機雜訊碼的一相位相同。
18. 一種判斷GPS接收機跟踪環路狀態的方法，包括：轉換一GPS信號至一中頻信號；根據該中頻信號產生一同相分量信號和一正交分量信號；根據該同相分量信號和該正交分量信號產生一第一估計值和一第二估計值；根據該第一估計值判斷一跟踪環路的一狀態；以及根據該第一估計值和該第二估計值判斷該跟踪環路的該狀態。
19. 如申請專利範圍第18項之方法，其中，根據該第一估計值判斷該跟踪環路的該狀態的步驟包括：比較該第一估計值和一第一門限；以及當該第一估計值小於該第一門限時，比較一第二計數器的值和一第二門限。
20. 如申請專利範圍第18項之方法，其中，根據該第一估計值和該第二估計值判斷該跟踪環路的該狀態的步驟包括：將該第二估計值乘以一因數，以得到一第三估計值；比較該第一估計值和該第三估計值；當該第一估計值大於或等於該第三估計值時，比較一第一計數器的值和一第一門限；以及當該第一估計值小於該第三估計值時，比較一第二計數器的值和一第二門限。
21. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，如果該第一計數器的值等於該第一門限，輸出指示該跟踪環路進入一鎖定狀態的一鎖定輸出信號。
22. 如申請專利範圍第20項之方法，其中，如果該第一計數器的值小於該第一門限，該第一計數器的值加1。
23. 如申請專利範圍第19或20項之方法，其中，如果該第二計數器的值等於該第二門限，輸出指示該跟踪環路進入一失鎖狀態的一失鎖輸出信號。
24. 如申請專利範圍第19或20項之方法，還包括：如果該第二計數器的值小於該第二門限，該第二計數器的值加1；比較該第二計數器的值和一第三門限，其中，該第三門限小於該第二門限；以及如果該第二計數器的值大於或等於該第三門限，輸出指示該跟踪 環路處於一狀態保持模式的一保持輸出信號。
25. 如申請專利範圍第19或20項之其中，該第一計數器的值和該第二計數器的值初始設置為零。
26. 如申請專利範圍第18項之方法，其中，根據下列方程式計算該第一估計值和該第二估計值： 其中SL、NL分別表示該第一估計值和該第二估計值；I_i、Q_i分別表示該同相分量信號和該正交分量信號；M表示一積分時間。
27. 如申請專利範圍第18項之的方法，還包括：對該第一估計值和該第二估計值濾波。
28. 如申請專利範圍第18項之方法，還包括：將該第一估計值除以該第二估計值，以設置該跟踪環路的一參數。