专利名称：Gps卫星的载波频率检测方法和装置及gps接收机的制作方法
GPS卫星的载波频率检测方法和装置及GPS接收机
本申请为2009年6月30日提交的申请号为200910158460. 6、发明名称为“GPS卫星的载波频率检测方法和装置及GPS接收机”的发明专利申请的分案申请。技术领域
本发明总体上涉及一种GPS (全球定位系统)技术，尤其是涉及用于检测GPS卫星的载波频率的技术。
背景技术：
如图I所示，一般的GPS接收机主要由天线10、前置放大器20、射频一中频(RF/ IF)变换器30、模数(A/D)变换器40、数字基带处理器50、导航处理器60和控制显示单元 70组成。GPS卫星发射的射频信号(RF)通过天线10接收，并通过无源的带通滤波器(图中未示出)滤波，以减小带外射频干扰。然后，射频信号被前置放大器20预放大，并被RF/IF 变换器30下变频为中频(IF)信号，再用模数(A/D)变换器40对IF信号采样和数字化，得到的数字中频信号(也称为数字基带信号)送入数字基带处理器(DBP) 50进行处理。数字基带处理器50主要完成以下功能搜索卫星，牵引并跟踪卫星；对导航电文数据信号实行解扩，解调出导航电文数据；进行伪距测量、载波相位测量及多普勒频偏测量。为实现扩频信号的解扩、解调，DBP中包含数字伪码延迟锁定环(DDLL)、数字载波锁相环(DPLL)和数字载波锁频环(DFLL)。从中频数据解调后得到的卫星信息被送至导航处理器60进行定位计算，确定用户的位置、速度和时间(PVT)信息。从图I中可以看到，导航处理器60包括选星装置610用于选择相应的卫星信息进行处理，速度解算装置620和位置及时钟解算装置 630用于确定PVT信息，以及包括后处理装置640。最后，通过控制显示单元70在GPS接收机的屏幕上将PVT信息直观显示出来。
在GPS接收机的处理过程中，伪码延迟锁定环、数字载波锁相环和数字载波锁频环对接收机的性能影响是至关重要的。伪码延迟锁定环用于测量伪码的接收时间，该接收时间的值直接决定了伪距的测量精度。数字载波锁相环用于载波相位测量，数字载波锁频环用于载波的多普勒频偏测量，这两个测量值用于基带信号的载波相位及多普勒频率的剥离。若载波锁相环、载波锁频环和伪码延迟锁定环出现偏差，则会直接导致卫星的伪距测量不准，从而使得最终计算的用户PVT信息出现偏差，该偏差在很多时候是不可接受的。
由于载波锁相环、锁频环和伪码延迟锁定环对GPS接收机性能的决定性作用，这三者的设计也是至关重要的。由于载波锁频环的反应速度较伪码延迟锁定环快，所以一般设计时都会考虑将载波锁频环得到的多普勒频率偏移值用于修正伪码延迟锁定环，如果载波锁频环的跟踪频率出现偏移，则会导致伪码延迟锁定环的偏移。图2示出了正常情况下静止接收机载波锁相环跟踪的载波多普勒频率偏移随时间的变化示意图。从图2可以看出，在正常情况下，DFLL跟踪的载波多普勒频偏变化规律是非常平滑的减小或增大。
当DFLL跟踪的载波多普勒频偏出现偏差时，情况与图2所示不同。图3示出了当锁频环跟踪异常时，输出的载波多普勒频率。从图3可以看出在500s、IOOOs和1500s位置均出现了跟踪多普勒频率出现偏移的问题，偏移量在200Hz-400Hz左右，这直接导致了定位结果与真实位置偏差IOOm以上。其原因主要是，在弱信号情况下，由于噪声和多径的影响很难保证锁频环跟踪的长期稳定，当出现频率偏差时，使用载波锁定检测也无法反映出跟踪是否正常。发明内容
本发明的一个目的是，提出一种方法和装置，通过使用该方法和装置能有效地检测出卫星的载波出现异常频偏。
本发明的另一个目的是，提出一种方法和装置，通过使用该方法和装置能够基于对GPS卫星的载波的频率偏移的检测结果迅速重新激发对出现载波异常频偏的卫星的捕-M-犾。
本发明的另一个目的是，提出一种方法和装置，通过使用该方法和装置能够基于对GPS卫星的载波的频率偏移的检测结果避免将被判定为载波出现异常频偏的卫星选择用于定位。
本发明的另一个目的是，提出一种方法和装置，通过使用该方法和装置能够检测未参与定位的GPS卫星的载波频率检测值是否正确。
本发明的再一个目的是，提出一种使用至少一种上述方法和/或装置的GPS接收机。
根据本发明的一个方面，提出了一种用于检测GPS卫星的载波频率的多普勒频率偏移的方法，包括a.对于跟踪上的所有卫星中的每颗卫星，计算每颗卫星的载波频率在预定时间内的多普勒频率变化值；b.计算跟踪上的所有卫星的载波频率的多普勒频率变化值的平均值；c.如果所述跟踪上的所有卫星中的一颗或者多颗卫星的载波频率的多普勒频率变化值既大于所述多普勒频率变化值的平均值与设定权重的乘积，并且又大于设定阈值的话，则判定所述一颗或者多颗卫星的载波出现异常频偏。
相应地，本发明也提出了一种用于检测GPS卫星的载波频率的多普勒频率偏移检测装置，包括频率偏移计算装置，其设计用于对于跟踪上的所有卫星中的每颗卫星，计算每颗卫星的载波频率在预定时间内的多普勒频率变化值，以及计算跟踪上的所有卫星的载波频率的多普勒频率变化值的平均值；频率跟偏检测装置，其中如果所述跟踪上的所有卫星中的一颗或者多颗卫星的载波频率的多普勒频率变化值既大于所述多普勒频率变化值的平均值与设定权重的乘积，并且又大于设定阈值的话，则所述频率跟偏检测装置判定所述一颗或者多颗卫星的载波出现异常频偏。
根据本发明的另一个方面，在上述用于检测GPS卫星的载波频率的多普勒频率偏移的方法中，所述步骤c进一步包括当所述一颗或者多颗卫星的载波频率的多普勒频率变化值既大于所述多普勒频率变化值的平均值与第一权重的乘积，并且又大于第一阈值时，判定所述一颗或者多颗卫星的载波出现异常频偏，以及，所述方法进一步包括d.激发对被判定为载波出现异常频偏的所述一颗或者多颗卫星的重新捕获。
相应地，本发明也提出了一种GPS接收机，包括数字基带处理器和导航处理器，其中所述导航处理器包括上述多普勒频率偏移检测装置，其中当所述多普勒频率偏移检测装置判定一颗或者多颗卫星的载波出现异常频偏时，所述多普勒频率偏移检测装置通知数字基带处理器激发对被判定为载波出现异常频偏的所述一颗或者多颗卫星的重新捕获。
根据本发明的另一个方面，在上述用于检测GPS卫星的载波频率的多普勒频率偏移的方法中，所述步骤c进一步包括当所述一颗或者多颗卫星的载波频率的多普勒频率变化值既大于所述多普勒频率变化值的平均值与第二权重的乘积，并且又大于第二阈值时，判定所述一颗或者多颗卫星的载波出现异常频偏，以及所述方法进一步包括e.不将被判定为载波出现异常频偏的所述一颗或者多颗卫星选择用于定位。
相应地，本发明也提出了一种GPS接收机，包括数字基带处理器和导航处理器，其中所述导航处理器包括上述的多普勒频率偏移检测装置以及用于选星的选星装置，其中 当所述多普勒频率偏移检测装置判定一颗或者多颗卫星的载波出现异常频偏时，所述多普勒频率偏移检测装置通知选星装置不将所述一颗或者多颗卫星选择用于定位。
根据本发明的又一个方面，提出了一种用于检测未参与定位的GPS卫星的载波频率检测值是否正确的方法，包括a.利用被选择用于GPS定位的卫星的位置信息和多普勒信息，计算出GPS接收机的运动速度，并通过多普勒频偏计算公式得到所述未参与定位的 GPS卫星的载波频率的多普勒频率计算值；b.将所述未参与定位的GPS卫星的载波频率的所述多普勒频率计算值与该GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值进行比较；以及 c.当所述多普勒频率计算值与所述多普勒频率测量值不一致时，确定所述未参与定位的 GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值是错误的。
相应地，本发明也提出了一种多普勒频率测量值检测装置，包括频偏计算装置和频偏差异检测装置，所述频偏计算装置用于利用被选择用于GPS定位的卫星的位置信息和多普勒信息，计算出GPS接收机的运动速度，并通过多普勒频偏计算公式得到所述未参与定位的GPS卫星的多普勒频率计算值；所述频偏差异检测装置用于将所述未参与定位的 GPS卫星的所述多普勒频率计算值与该GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值进行比较，以及当所述多普勒频率计算值与所述多普勒频率测量值不一致时，判定所述未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值是错误的。
相应地，本发明也提出了一种GPS接收机，包括数字基带处理器和导航处理器，其中所述导航处理器包括上述多普勒频率测量值检测装置，其中当所述多普勒频率测量值检测装置判定未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值是错误的时，所述多普勒频率测量值检测装置通知数字基带处理器激发对该未参与定位的GPS卫星的重新捕获。
使用根据本发明的用于检测GPS卫星的载波频率的多普勒频率偏移的方法和/或装置，可以有效地从所跟踪的多颗卫星中确定某颗卫星的载波的DFLL是否出现问题。
此外，在根据本发明的上述方法和相应的GPS接收机中，可以基于检测结果对载波出现异常频偏的卫星激发重新捕获并跟踪，使得正常跟踪的卫星颗数和可用于定位的卫星颗数较未使用根据本发明的检测方法时有较大提高，例如能够将正常跟踪的卫星颗数增加20%左右。
此外，在根据本发明的上述方法和相应的GPS接收机中，由于不将被判定为载波出现异常频偏的卫星选择用于定位，因此可以避免将载波出现异常频偏的卫星选择用于定位，从而提高了 GPS接收机的定位精度。
此外，利用根据本发明的用于检测未参与定位的GPS卫星的载波频率检测值是否正确的方法和相应的多普勒频率测量值检测装置以及GPS接收机，可以有效地避免将具有错误的多普勒频率测量值的卫星选入用于定位计算，从而提高了弱信号下GPS接收机的定位精度。


本发明可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，其中在所有附图中使用了相同或相似的附图标记来表示相同或者相似的部件。所述附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分，而且用来进一步举例说明本发明的优选实施例和解释本发明的原理和优点。在附图中
图I示出了现有技术中的GPS接收机的结构图2示出了正常情况下DFLL跟踪的载波多普勒频偏变化图3示出了锁频环跟踪异常时输出的载波多普勒频率；
图4示出了根据本发明的一个实施例的、用于检测GPS卫星的载波的多普勒频率偏移的方法的流程图5示出了根据本发明的一个实施例的、用于检测GPS卫星的载波的多普勒频率偏移并且根据需要激发卫星重新捕获的方法的流程图6示出了其中可以执行图5所示的方法的GPS接收机的结构图7示出了根据本发明的一个实施例的、用于检测GPS卫星的载波的多普勒频率偏移并且根据需要不选择卫星用于定位的方法的流程图8示出了其中可以执行图7所示的方法的GPS接收机的结构图9示出了根据本发明的一个实施例的、用于检测DFLL多普勒频率测量值是否正确的方法的流程图10示出了其中可以执行图9所示的方法的GPS接收机的结构图；以及
图11示出了通过使用如图5所示的方法得到的频偏检测结果的一个例子。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见， 在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决定可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
如开头所提及的那样，由于在弱信号情况下，噪声和多径的影响很难保证锁频环跟踪的长期稳定，因此卫星的载波频率容易出现偏移。
根据GPS卫星的运动规律以及接收机的运动规律,在Elliott D. Kaplan等人所著的《GPS原理与应用》(第二版)第42页中公开了载波的多普勒频率大小的计算公式
权利要求
1.一种用于检测未参与定位的GPS卫星的载波频率检测值是否正确的方法，包括 a.利用被选择用于GPS定位的卫星的位置信息和多普勒信息，计算出GPS接收机的运动速度，并通过多普勒频偏计算公式得到所述未参与定位的GPS卫星的载波频率的多普勒频率计算值； b.将所述未参与定位的GPS卫星的载波频率的所述多普勒频率计算值与该GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值进行比较；以及 c.当所述多普勒频率计算值与所述多普勒频率测量值不一致时，确定所述未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值是错误的。
2.根据权利要求I所述的方法，还包括 判断所述未参与定位的GPS卫星的载噪比CNR是否大于预定阈值；以及 当所述未参与定位的GPS卫星的CNR大于该预定阈值时，判定未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值错误的判定结果无效。
3.根据权利要求I或2所述的方法，还包括在连续时间间隔上N次重复执行所述步骤a至步骤C，如果其中至少M次判定所述未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值是错误的，则判定所述未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值错误的判定结果是有效的，其中，M和N为正整数且MSN。
4.一种用于检测未参与定位的GPS卫星的载波频率检测值是否正确的多普勒频率测量值检测装置(601)，包括频偏计算装置(680 )和频偏差异检测装置(690 )， 所述频偏计算装置(680)用于利用被选择用于GPS定位的卫星的位置信息和多普勒信息，计算出GPS接收机的运动速度，并通过多普勒频偏计算公式得到所述未参与定位的GPS卫星的多普勒频率计算值； 所述频偏差异检测装置(690)用于将所述未参与定位的GPS卫星的所述多普勒频率计算值与该GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值进行比较，以及当所述多普勒频率计算值与所述多普勒频率测量值不一致时，判定所述未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值是错误的。
5.根据权利要求4所述的多普勒频率测量值检测装置(601)，其中所述频偏计算装置(680)是软件实现的。
6.一种全球定位系统(GPS)接收机，包括数字基带处理器(50)和导航处理器(60)，其中所述导航处理器(60)包括根据权利要求25或26所述的多普勒频率测量值检测装置(601)， 其中当所述多普勒频率测量值检测装置(601)判定未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值是错误的时，所述多普勒频率测量值检测装置(601)通知数字基带处理器(50)激发对该未参与定位的GPS卫星的重新捕获。
7.根据权利要求6所述的GPS接收机，其中判断所述未参与定位的GPS卫星的载噪比CNR是否大于预定阈值，当所述未参与定位的GPS卫星的CNR大于该预定阈值时，不影响导航处理器(60)将所述未参与定位的卫星用于定位计算。
8.根据权利要求6或7所述的GPS接收机，其中所述多普勒频率测量值检测装置(601)在连续时间间隔上N次重复执行计算和判定，如果其中至少M次判定所述未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值是错误的，则判定所述未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值错误的判定结果是有效的，其中，M和N为正整数且MSN。
全文摘要
本发明公开了一种GPS卫星的载波频率检测方法和装置以及GPS接收机。根据本发明实施例，一种用于检测未参与定位的GPS卫星的载波频率检测值是否正确的方法，包括a.利用被选择用于GPS定位的卫星的位置信息和多普勒信息，计算出GPS接收机的运动速度，并通过多普勒频偏计算公式得到所述未参与定位的GPS卫星的载波频率的多普勒频率计算值；b.将所述未参与定位的GPS卫星的载波频率的所述多普勒频率计算值与该GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值进行比较；以及c.当所述多普勒频率计算值与所述多普勒频率测量值不一致时，确定所述未参与定位的GPS卫星的数字载波锁频环多普勒频率测量值是错误的。
文档编号G01S19/23GK102981171SQ20121043370
公开日2013年3月20日 申请日期2009年6月30日 优先权日2009年6月30日
发明者余晓光, 俞波, 何晓勇, 邹景华 申请人:迈实电子(上海)有限公司