[发明专利]一种全球定位接收机跟踪系统及其跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及全球卫星定位与导航领域，特别是一种用于全球定位系统接收机的跟踪技术。

背景技术

全球卫星定位与导航系统，例如全球定位系统(GPS)，包括一组发送GPS信号的一个卫星星座(又被称为Navstar卫星)，该GPS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。更典型的情况是，在地球上绝大多数地方都能从六颗以上卫星接收该种信号。

每一颗GPS卫星所发送的GPS信号都是直接序列扩频信号。商业上使用的信号与标准定位服务(SPS)有关，而且被称之为粗码(C/A码)的直接序列二相扩频信号，在1575.42MHz的载波下，具有每秒1.023兆码片的速率。伪随机噪声(PN)序列长度是1023个码片，对应于1毫秒的时间周期。每一颗卫星发射不同的PN码(Gold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PN码相关，可以用以标示不同的GPS卫星。

GPS的调制信号是导航电文(又被称为D码)和PN码的组合码。导航电文的速率为每秒50比特。D码的基本单位是一个1500比特的主帧，主帧又分为5个300比特的子帧。其中子帧一包含了标识码，星种数据龄期，卫星时钟修正参数信息。子帧二和子帧三包含了实时的GPS卫星星历(ephemeris)，星历是当前导航定位信息的最主要内容。利用子帧一至子帧三的信息即可以实现定位，完成定位的基本任务。子帧四和子帧五包含了1-32颗卫星的健康状况，UTC校准信息和电离层修正参数及1-32颗卫星的历书(almanac)。历书是卫星星历参数的简化子集，用于预测相对于接收机的可见卫星及其多普勒频偏。历书每12.5分钟广播一次，寿命为一周，可延长至2个月。

对某颗卫星的信号实现跟踪是全球定位系统接收机进行伪距测量进而实现定位解算的前提。跟踪灵敏度是度量全球定位系统接收机跟踪能力乃至全球定位系统接收机整体性能的重要指标。GPS系统设计保证了在空旷天空的情况下，GPS接收机接收到的卫星信号大于-130dBm。但是城市峡谷、密林、高架乃至室内等卫星信号遮挡严重情况下，卫星信号的强度往往低于-155dBm甚至-160dBm。然而跟踪灵敏度的高低直接决定了全球定位系统接收机在上述情况下定位的性能甚至是否可用。早期的商用GPS接收机的跟踪灵敏度大概在-150dBm左右。而现代接收机的最高水平在-157dBm～-161dBm，且达到这样的指标往往是以百万计的相关器的硬件规模为代价的。如何提高跟踪灵敏度同时保证硬件规模在可以接收的范围内是全球定位系统接收机的一个核心技术。另外在极低信噪比下，传统跟踪通道的鲁棒性常常很低，表现为在极低信噪比时稍受扰动，跟踪通道即有可能失锁。

GPS基带芯片是GPS接收机中处理基带信号的芯片，是整个GPS接收机的核心。本发明的各种方法均在GPS基带芯片中实现。为方便起见，本发明中“接收机”均指“GPS基带芯片”。

图1描述了一个典型的全球定位系统接收机实现定位解算的方法。已知四颗卫星的位置101以及这四颗卫星和接收机之间的伪距102，即可以通过所谓“伪距观测方程”计算出接收机的位置103和接收机时间相对卫星时间的误差值，完成了定位解算的工作。

图2描述了一个典型的GPS接收机定位流程。图2所示过程是从接收机上电初始化201开始，直至解算出接收机位置206结束。通常接收机上电后进入捕获状态202，搜索视线内的卫星、该卫星的载波频率和PN码的码相位。这个状态下对载波频率的搜索是粗糙的，通常在数百赫兹的量级。之后进入频率牵引状态203，把本地频率牵引到和卫星载波频率相差几个赫兹的量级。完成频率牵引后，接收机进入跟踪状态204，完成帧同步，进而进入解调电文状态205。本发明专注的多通道组合跟踪方法适用于跟踪204过程。进一步地，将载波上调制的电文解调出来用于在随后的解算状态206下计算接收机位置。