[发明专利]一种基于FPGA的GPS软件接收机信号跟踪方法及其系统

说明书

技术领域

本发明涉及GPS接收机的跟踪技术，尤其涉及一种基于FPGA的GPS软件接收机信号跟踪方法及其系统，属于GPS软件接收机基带处理技术领域。

背景技术

目前世界各大卫星导航系统都在蓬勃发展，但是最成熟，市场占有率最大的就是GPS系统。GPS系统主要由空间星座部分，地面监控部门和用户设备部门组成。其中用户部门具有巨大的市场前景和商业利益。现代标准GPS软件接收机都是采用ASIC芯片进行基带信号处理的，如果要对其进行性能的升级或者改造，就需要重新设计ASIC芯片，其代价很高。随着近几年来FPGA技术以及制作工艺上的进步，出现了现代大容量，高速的的FPGA芯片。现场可编程门阵列(FPGA)既继承了专用集成电路(ASIC)的大规模、高集成度、高可靠性的优点，又克服了普通ASIC设计周期长、投资大、灵活性差的缺点，逐步成为复杂数字电路设计的理想首选。FPGA生产厂商也推出了一些面向DSP的开发工具和能够有效应用于数字通信系统的IP core。因此它不仅为现代数字信号处理提供了新的实现方式，而且其在开发设计费用，耗费设计周期以及灵活度方面也有很大的改进。此外由于FPGA的开发设计思想更加贴进物理底层，所以在通信系统的实现和相关算法的硬件验证上FPGA有更大的优势。它为通信相关算法的硬件验证提供了一个很好的物理平台。尤其是其可采用流水线结构对数据流进行同步处理，从而可以避免事后数据运算所带来的实时性问题。因此，基于FPGA的GPS软件接收机具有广阔的应用前景，它解决了从硬件上实现GPS软件接收机所带来的种种不便，为GPS卫星定位技术的进一步发展注入新的活力。

GPS接收机在完成了信号的捕获之后，就对信号的载波频率和伪码相位有了粗略的估计。一般来说，根据信号捕获的结果，对载波频率的估计精度在几百Hz左右，而伪码相位的估计精度在±0.5个码片范围之内。这个精度不足以实现导航电文数据的解调，因为解调数据一般必须在进入稳定的跟踪状态以后才可以进行。同时随着卫星和接收机的相对运动，天线接收到的信号的载波频率和伪码相位还在时刻发生变化，而且更为棘手的是，接收机本地的时钟的钟漂和随机抖动也会影响对已捕获信号的锁定。所以GPS信号的跟踪是接收机的核心技术之一，也是影响接收机性能的主要因素。GPS信号跟踪的目的有两个，一个是实现对GPS信号中的载波分量的跟踪；另一个是实现对伪码分量的跟踪。为了跟踪GPS信号中的载波频率和码相位，现有技术采用两个跟踪环(载波频率跟踪环及码相位跟踪环)分别跟踪GPS的载波频率和码相位。

发明内容

本发明利用FPGA可对数据进行实时处理的特点，解决了跟踪算法在PC平台上常遇到的实时性问题，同时为了保持对GPS信号的锁定，需要跟踪环路来进一步确定载波频率和码相位并实时调整电路。

本发明采用的技术解决方案为：一种基于FPGA的GPS软件接收机跟踪方法，其特征在于：码相位跟踪环采用超前-滞后跟踪环的延迟锁定环来跟踪GPS信号中CA码的相位，载波跟踪环采用锁频环和Costas锁相环交替工作的方式，当GPS软件接收机跟踪开始时，输入的数字中频信号分为两路，和载波发生器的I、Q两路相乘后进入码相关器，分别和E、P、L三路伪码进行相关，得到六路相关结果，在载波跟踪环路中，取六路相关输出中的I_P、Q_P进入相位判决器，当相位偏移满足Δθ＞θ_H，采用载波鉴频器进行鉴频运算，使相位偏移不断缩小直到Δθ＜θ_H时，采用载波鉴相器进行鉴相运算，结果经载波环路滤波器滤波后进入载波发生器中来调整载波频率；在码跟踪环路中，取I_E、I_L、Q_E、Q_L进入码环路鉴别器进行鉴相运算，结果经过码环路滤波器滤波后进入CA码发生器来调整CA码的相位；两个环路交叉耦合，对载波频率和码相位进行同步跟踪，使本地复现的载波和码与信号对准，后级积分累加判决器对I_P进行积分判决后，得到导航数据位。

实现上述基于FPGA的GPS软件接收机跟踪方法的系统，设有码相位跟踪环及载波频率跟踪环两个交叉耦合的跟踪环路，其中：

码相位跟踪环包括