載波相位測量半周模糊解除方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種雙頻GPS接收機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中，提高雙頻GPS接收機(jī)中L2-P (Y)碼的捕獲跟蹤性能、尤其是解除Ll-C/Α碼和L2-P (Y)碼的載波相位測量半周模糊的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]雙頻GPS接收機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛，特別是在高精度定位、衛(wèi)星精密定軌、掩星探測等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。與單頻接收機(jī)相比，雙頻GPS接收機(jī)同時(shí)對LI和L2的信號進(jìn)行跟蹤，可以消除電離層影響，同時(shí)有助于減小單頻干擾的影響。GPS的LI頻率上調(diào)制有C/A碼和P (Y)碼，L2頻率上調(diào)制有P (Y)碼和L2C碼，但不是所有衛(wèi)星都具有L2C碼.到2011年，在L2載波上調(diào)制有L2C碼的衛(wèi)星只有10多顆，因此，對L2_P(Y)碼進(jìn)行跟蹤非常必要。在AS技術(shù)作用下，P碼經(jīng)過加密技術(shù)處理而變成了 Y碼，它是由公開的P碼和加密的W碼模二和而形成的。同時(shí)利用P(Y)碼還有很多優(yōu)點(diǎn):提高了偽距精度，減小了多徑誤差，同時(shí)把兩個(gè)頻率結(jié)合起來產(chǎn)生寬巷量度，還能在解算整周模糊度方面獲得很大的效用，當(dāng)用于搜索平滑碼雙差測量的不確定性時(shí)，搜索立體范圍的界限由±11 λ (波長)減小到±3 λ，這會導(dǎo)致在一個(gè)觀測歷元內(nèi)計(jì)算和檢驗(yàn)的整周多值性組的殘差成數(shù)百倍地下降。L2-P(Y)碼的穩(wěn)定跟蹤是GPS雙頻高精度接收機(jī)中必不可少的一項(xiàng)功能，也是接收機(jī)中的主要關(guān)鍵技術(shù).由于P(Y)碼含有未知的加密碼且L2-P(Y)載噪比較低，實(shí)現(xiàn)L2-P(Y)碼的載波跟蹤有多種困難。
[0003]GPS信號是一種偽隨機(jī)碼調(diào)制的擴(kuò)頻信號。GPS信號是利用兩種偽隨機(jī)碼C/A碼和P碼對兩個(gè)載頻信號調(diào)制的。以載波相位測量為基礎(chǔ)的技術(shù)，對C/A碼和P (Y)的載波相位測量值，利用雙差技術(shù)會消除大部分誤差源。GPS載波相位測量的相對精度是非常高的，靜態(tài)相對定位達(dá)到毫米級，動態(tài)相對定位達(dá)到厘米級。對于相對固定基準(zhǔn)站處于運(yùn)動中的用戶和需要實(shí)時(shí)精度的應(yīng)用場合來說，如果要達(dá)到厘米級的精度，則需要解算整周模糊度。載波相位差分技術(shù)需要用到載波相位的測量值.對于需要實(shí)時(shí)厘米級精密定位的任何應(yīng)用來說，載波整周模糊度的解算是關(guān)鍵，這種載波相位差分技術(shù)(RTK)，在某些場合進(jìn)近基線已延伸到了 50km?？梢岳肔I和L2頻率結(jié)合起來的方法以加速整周模糊度解算過程，開發(fā)這種雙頻結(jié)構(gòu)是為了得到LI和L2頻率的和與差，把雙頻接收機(jī)的雙頻載波相位測量值結(jié)合起來產(chǎn)生寬巷測量來減少計(jì)算量，從而加速整周模糊度解算的過程。
[0004]傳統(tǒng)的GPS信號是指位于LI頻段上的民用C/A碼信號(簡稱Ll-C/Α信號)、位于LI頻段上的軍用P (Y)碼信號(簡稱Ll-P (Y)信號)和L2頻段上的軍用P (Y)碼信號(簡稱L2-P(Y)信號)，加密的P(Y)碼信號只有美國核準(zhǔn)的軍方和選定的政府部門用戶才能使用，普通用戶只能采用半無碼跟蹤方法來實(shí)現(xiàn)P(Y)碼信號的偽碼和載波相位測量。L2-P(Y)半無碼跟蹤方法中，L2-P(Y)信號強(qiáng)度弱于Ll-C/Α信號達(dá)6dB，其次，半無碼方法是使用一種類似平方環(huán)的方法來消除高速W ? 0碼流的符號翻轉(zhuǎn)影響，以得到和Ll-C/Α碼類似的積分清零時(shí)間，進(jìn)而獲得期望的擴(kuò)頻增益，在這個(gè)處理過程中，平方損耗會帶來L2-P(Y)信號的跟蹤信噪比損失，信號越弱其平方損耗越大；其次是平方環(huán)通過相乘消除了數(shù)據(jù)的符號翻轉(zhuǎn)影響，也就無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)解調(diào)和幀同步頭的檢測。所以很難判別載波Costas鎖相環(huán)穩(wěn)定跟蹤時(shí)的相差是180°還是0°，導(dǎo)致了 L2-P(Y)碼載波相位測量值有半周模糊。
[0005]Costas鎖相環(huán)有180°的相位多值性，載波相位鎖定時(shí)可能相位差穩(wěn)定在0°也可能穩(wěn)定在180°上，這就導(dǎo)致了載波相位測量值的半周模糊問題:如果穩(wěn)定在0°上，載波相位測量值和準(zhǔn)確值之間相差了整周模糊度N周，如果穩(wěn)定在180°上，載波相位測量值和準(zhǔn)確值之間不僅相差了整周模糊度N周，還相差了一個(gè)半周。載波相位測量值的半周模糊度問題，會導(dǎo)致整周模糊度解算時(shí)固定解比率不高，影響動態(tài)載波相位差分(RTK)的精度。在GPS雙頻(L1-C/A+L2-P(Y))接收機(jī)中，Ll-C/Α的載波相位半周模糊度需要消除，L2-P (Y)的載波相位半周模糊度也需要消除。
[0006]雖然雙頻接收機(jī)中對L2_P(Y)信號的跟蹤可以使用半無碼方法.但由于半無碼方法本身具有平方損耗，因此實(shí)際獲得的L2-P(Y)信號載噪比很低，跟蹤環(huán)路很難進(jìn)行連續(xù)穩(wěn)定的跟蹤，弱信號條件下L2-P(Y)信號的環(huán)路信噪比非常低，如何保證其跟蹤性能是個(gè)難題；其次，L2-P(Y)碼載波相位測量值的半周模糊會影響載波相位差分時(shí)的整周模糊度解算，進(jìn)而影響精密定位精度和基線測量精度，L2-P(Y)碼在無解調(diào)數(shù)據(jù)的情況下怎么解除載波相位測量值的半周模糊也是個(gè)難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是針對雙頻GPS接收機(jī)在弱信號電平時(shí)L2-P (Y)信號跟蹤性能不佳和載波相位測量值具有半周模糊度的問題，提供一種能夠節(jié)省捕獲資源、降低碼環(huán)環(huán)路噪聲和環(huán)路跟蹤門限，保證L2-P(Y)的載波相位測量值無半周模糊的方法。以解決因L2-P(Y)信號電平弱6dB以及平方損耗導(dǎo)致L2-P(Y)碼信噪比損失帶來的捕獲跟蹤性能不佳的問題和載波相位測量值半周模糊影響動態(tài)載波相位差分(RTK)精度的問題。
[0008]本發(fā)明提高L2_P(Y)碼跟蹤性能、解除載波相位測量半周模糊所采用的方案是:一種載波相位測量半周模糊解除方法，其特征在于包括如下步驟:在保證Ll-P(Y)碼具有和Ll-C/Α碼相同跟蹤性能的基礎(chǔ)上，利用Ll-C/Α碼的載波多普勒信息對L2-P(Y)碼進(jìn)行載波多普勒捕獲，再利用Ll-C/Α碼提取的時(shí)間對L2-P(Y)碼進(jìn)行碼相位捕獲:讓本地碼相位超前于從Ll-C/Α碼提取的時(shí)間，然后通過讓本地碼以半個(gè)碼片間隔的逐次等待，當(dāng)?shù)却奖镜卮a相位和輸入信號的相位一致時(shí)成功捕獲；捕獲成功后切入跟蹤過程:使用L1-C/A碼的載波多普勒信息來輔助L2-P (Y)的載波跟蹤和碼跟蹤，輔助頻度為Ll-C/Α碼的載波環(huán)路調(diào)整頻度，消除掉L2-P(Y)的載波多普勒動態(tài)和碼多普勒動態(tài)；同時(shí)利用Ll-P (Y)的積分值對L2-P(Y)進(jìn)行輔助跟蹤，消除掉L2-P(Y)信號里W ? D碼流帶來的數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)；通過判斷Ll-C/Α碼幀同步模塊搜索出來的幀頭，使得送給L2-P(Y)輔助的是正確積分值+W ? D，然后再通過接收機(jī)中L2-P(Y)的積分值符號來解除載波相位測量半周模糊。
[0009]本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:
本發(fā)明利用Ll-C/Α碼的載波多普勒信息輔助L2-P(Y)碼進(jìn)行載波頻率捕獲，利用Ll-C/Α碼提取的時(shí)間輔助L2-P(Y)碼進(jìn)行碼相位捕獲，不僅節(jié)省了 L2-P(Y)碼的捕獲資源，而且使得L2-P(Y)碼的捕獲靈敏度電平和Ll-C/Α碼的跟蹤靈敏度電平一樣低，大大提高了L2-P(Y)碼的捕獲性能。
[0010]本發(fā)明通過使用Ll-C/Α碼的載波跟蹤環(huán)路對Ll-C/Α碼的碼跟蹤環(huán)做載波輔助碼，不僅降低了碼環(huán)的動態(tài)，而且因?yàn)檩d波環(huán)路噪聲比碼環(huán)環(huán)路噪聲低兩個(gè)數(shù)量級，通過載波輔助碼又能降低碼環(huán)環(huán)路噪聲；同時(shí)，Ll-C/Α碼的載波跟蹤環(huán)路對L2-P(Y)碼的載波跟蹤環(huán)做載波輔助載波，不僅降低了 L2上載波環(huán)的動態(tài)，而且因?yàn)長l-C/Α碼信號信噪比比L2-P(Y)碼信號強(qiáng)6dB，還因?yàn)榘霟o碼處理對L2-P(Y)碼帶來的平方損耗，所以LI載波環(huán)路噪聲低于L2-P(Y)碼的載波環(huán)路噪聲，通過輔助又能降低L2-P (Y)碼上載波環(huán)路噪聲，從而提高L2-P(Y)的載波跟蹤性能；同時(shí)，Ll-C/Α碼的載波跟蹤環(huán)路對L2-P(Y)碼的碼跟蹤環(huán)做載波輔助碼，不僅降低了碼環(huán)的動態(tài)，而且因?yàn)檩d波環(huán)路噪聲比碼環(huán)環(huán)路噪聲低兩個(gè)數(shù)量級，通過載波輔助碼又能降低碼環(huán)環(huán)路噪聲，提高L2-P(Y)的碼跟蹤性能；Ll-P(Y)碼解調(diào)出來的數(shù)據(jù)對L2-P⑴碼做輔助，因?yàn)長2-P⑴和Ll-P⑴上的數(shù)據(jù)D以及W碼完全相同，輔助相乘之后就消除了 W ? D碼流的符號翻轉(zhuǎn)影響，再加上Ll-C/Α碼的載波多普勒輔助去除了 L2-P(Y)的多普勒動態(tài)，相干積分時(shí)間就能取的更長，從而獲得足夠的相干信噪比增益而降低環(huán)路跟蹤門限，使得L2-P(Y)碼能達(dá)到和Ll-C/Α碼相同的跟蹤性能。
[0011]同時(shí)，本發(fā)明通過判斷Ll-C/Α碼幀同步模塊搜索出來的幀頭，保證送給L2-P(Y)輔助的是正確積分值+W ? D，然后再通過接收機(jī)中L2-P(Y)的積分值符號來解決半周模糊問題，解決了當(dāng)測量出的載波相位有半周模湖時(shí)，影響動態(tài)載波相位差分(RTK)的精度和整周模糊度固定解比率不高的問題。
[0012]綜上所述，本發(fā)明通過LI對L2-P(Y)的載波多普勒輔助、數(shù)據(jù)輔助、時(shí)間輔助，保證了雙頻接收機(jī)中L2-P(Y)碼的捕獲和跟蹤性能都和Ll-C/Α碼的跟蹤性能一致，提高了GPS雙頻跟蹤接收機(jī)中L2-P(Y)碼的捕獲和跟蹤性能，解決了因L2-P(Y)信號電平弱6dB以及平方損耗導(dǎo)致L2_P(Y)碼的捕獲跟蹤性能不佳的問題，又解決了因Costas鎖相環(huán)有180°的相位多值性導(dǎo)致的L2-P(Y)碼載波相位測量半周模糊問題。
【附圖說明】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本專利進(jìn)一步說明。
[0014]圖1是本發(fā)明GPS雙頻接收機(jī)中通過LI輔助L2_P(Y)碼跟蹤的電路原理框圖。
[0015]圖2是本發(fā)明載波相位測量值半周模糊解除方法流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]根據(jù)本發(fā)明，在載波相位測量半周模糊解除方法中，在保證Ll-P(Y)碼具有和Ll-C/Α碼相同跟蹤性能的基礎(chǔ)上，利用Ll-C/Α碼的載波多普勒信息對L2-P⑴碼進(jìn)行載波頻率捕獲，再利用Ll-C/Α碼提取的時(shí)間對L2-P(Y)碼進(jìn)行碼相位捕獲:讓本地碼相位超前于從Ll-C/Α碼提取的時(shí)間，然后通過讓本地碼以半個(gè)碼片間隔的逐次等待，當(dāng)?shù)却奖镜卮a相位和輸入信號的相位一致時(shí)成功捕獲；捕獲成功后切入跟蹤過程:使用Ll-C/Α碼的載波多普勒信息來輔助L2-P (Y)的載波跟蹤和碼跟蹤，輔助頻度為Ll-C/Α碼的載波環(huán)路調(diào)整頻度，消除掉L2-P(Y)的載波多普勒動態(tài)和碼多普勒動態(tài)；同時(shí)利用Ll-P (Y)的積分值對L2-P(Y)進(jìn)行輔助跟蹤，消除掉L2-P(Y)信號里W ? D碼流帶來的數(shù)據(jù)翻轉(zhuǎn)；通過判斷Ll-C/A碼幀同步模塊搜索出來的幀頭，使得送給L2-P(Y)輔助的是正確積分值+W ? D，然后再通過接收機(jī)中L2-P(Y)的積分值符號來解除載波相位測量半周模糊，具體步驟為:首先比較雙頻接收機(jī)中Ll-C/Α碼幀同步模塊搜索出來的幀頭和GPS系統(tǒng)ICD幀頭，如果不相同則對Ll-P (Y)積分值取反后去輔助L2-P (Y)，此時(shí)對Ll-C/Α碼載波相位測量值進(jìn)行減半周運(yùn)算得到正確測量值，如果相同則直接用Ll-P⑴積分值去輔助L2-P⑴，此時(shí)Ll-C/Α碼載波相位測量值為正確測量值；在保