專利名稱：一種用于gps接收機對本地晶體振蕩器頻率進行自校正的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及全球定位系統(tǒng)(GPS)，更明確的說，涉及用于GPS接收機系統(tǒng)中本地的晶體振蕩器頻率的自校正的方法。

背景技術：
全球定位系統(tǒng)-GPS，是一種可以定時和測距的空間交會定點導航系統(tǒng)，它可以向全球用戶提供連續(xù)、實時、高精度的三維位置、三維速度和時間信息，滿足軍事部門和民用部門的需要。
GPS衛(wèi)星的核心設備是高精度的銫/銣原子鐘(穩(wěn)定度為10-13～10-14)，發(fā)射標準的頻率信號，為GPS定位提供高精度的時間標準。
GPS接收機利用本地的射頻前端系統(tǒng)，接收GPS衛(wèi)星發(fā)射信號，并進行解調(diào)，包括對載波信號以及偽噪聲隨機碼的解調(diào)，最終利用解調(diào)信息進行定位計算。其中對載波信號和偽隨機碼序列的解調(diào)是GPS接收機的核心和關鍵。由于GPS衛(wèi)星信號為高精度的標準頻率信號，因此為了快速準確的捕獲和跟蹤GPS衛(wèi)星，在本地接收機的射頻前端及基帶處理所用的時鐘的要求就相當高。使用偏差較大的晶體振蕩器產(chǎn)生GPS接收機系統(tǒng)所用時鐘，可能會加大GPS衛(wèi)星的捕獲時間甚至導致GPS衛(wèi)星的捕獲失敗。但是選擇一個滿足GPS接收機系統(tǒng)需要的高精度的晶體振蕩器從成本和實際操作上講，都是不太現(xiàn)實的，首先高精度的晶體振蕩器的成本要遠高于普通精度的晶體振蕩器。其次，由于晶體振蕩器的個體差異性，即使采用了高精度的晶體振蕩器，在不同的GPS接收機上的實際使用的效果也是不甚理想的。
因此為GPS接收機提供高精度的同時又是低成本的晶體振蕩器成為GPS接收機的一個研究方向。一種辦法是將所使用的晶體振蕩器的溫度特性存儲在存儲器中，同時借助一個外部的溫度傳感器來匹配參考晶體振蕩器。這種方法并不精確，同時還需要外部的存儲器和溫度傳感器支持。另一種解決辦法是使用地面的其它具有精確時鐘振蕩的通訊網(wǎng)絡，利用其精確的載波頻率，來對本地的GPS接收機的晶體振蕩器的頻率進行校正。這種辦法需要增加硬件系統(tǒng)，同時計算也相當復雜。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種用于GPS接收機中的晶體振蕩器頻率自校正的方法。該方法的原理是利用GPS衛(wèi)星信號的射頻前端和基帶處理系統(tǒng)的相互關系，測量和計算本地GPS接收機的晶體振蕩器的精確頻率，可以完成快速的準確的GPS衛(wèi)星的捕獲和接收以及接收機位置的精確計算。
下面詳細介紹本發(fā)明的具體技術方案 一種用于GPS接收機中的晶體振蕩器頻率自校正的方法，該方法包括 GPS接收機系統(tǒng)的設置步驟； GPS接收機對衛(wèi)星跟蹤和定位步驟； 利用GPS接收機中的晶體振蕩器對頻偏進行自校正步驟； 其特征在于， 所述GPS接收機系統(tǒng)在設置時，對于接收和處理GPS衛(wèi)星信號的射頻前端部分和GPS信號基帶處理部分統(tǒng)一使用一個標準的本地晶體振蕩器產(chǎn)生的時鐘； 所述利用GPS接收機中的晶體振蕩器對頻偏進行自校正步驟還包括 (1)在GPS接收機完成定位后，利用獲得的其中某顆GPS衛(wèi)星的星歷，以及獲得的定位信息和時間信息，可以較為精確的計算出這顆GPS衛(wèi)星真實和準確的多普勒頻率偏移； (2)利用射頻前端處理部分的下變頻器分頻比參數(shù)，推導出本地晶體振蕩器與標準頻率的偏差對GPS衛(wèi)星信號經(jīng)下變頻后獲得的數(shù)字中頻與標準頻率的偏差影響的關系式；假設本地晶體振蕩器的偏差為CLKS，則下變頻后獲得的數(shù)字中頻與標準頻率的偏差的dFC為 dFC＝CLKS×MULP (3)再利用GPS基帶處理器內(nèi)部的載波生產(chǎn)電路與控制器的配置關系。推導出本地晶體振蕩器與標準頻率的偏差對載波恢復時，實際產(chǎn)生的載波頻率與目標配置的載波頻率的關系式；設NCO為控制器對基帶處理器配置的NCO參數(shù)值，clk為本地晶體振蕩器產(chǎn)生的系統(tǒng)時鐘，在這里就等于標準的時鐘標稱值FCLK加上時鐘偏差值CLKS，fc是最終獲得信號的載波頻率。
(4)結合已經(jīng)獲得正確的GPS衛(wèi)星的多普勒頻率偏移值，晶體振蕩器對數(shù)字中頻的頻偏影響關系和對載波恢復產(chǎn)生的頻偏影響關系，計算出本地晶體振蕩器與標準頻率的偏差值，利用此計算的偏差值在以后的GPS接收機工作操作中直接使用，以實現(xiàn)提高GPS接收機捕獲和跟蹤衛(wèi)星所需時間和準確度。
上述方法中，所述GPS接收機對衛(wèi)星跟蹤和定位是通過接收機的冷啟動或其它方式來捕獲GPS衛(wèi)星來定位，且至少跟蹤到三顆及以上GPS衛(wèi)星，并獲得了GPS衛(wèi)星的星歷和歷書信息。
本發(fā)明的優(yōu)點為 一，本發(fā)明所述方法計算方式簡單易行，計算量較小。
二，本發(fā)明所述方法實施方便，無需添加和消耗額外的硬件設備。
三，本發(fā)明所述方法的計算結果精確，準確性很高。
四，本發(fā)明所述方法的適用范圍廣泛。適用于其他各種的衛(wèi)星定位系統(tǒng)和時間校正系統(tǒng)。



以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發(fā)明。
圖1為本發(fā)明所涉及的GPS接收機系統(tǒng)框圖。
圖2為本發(fā)明中GPS基帶處理器內(nèi)部的GPS信號基帶預處理框圖。
圖3為本發(fā)明實施例中采用的載波重現(xiàn)的裝置-數(shù)字頻率振蕩器(NCO)的結構框圖。
圖4為本發(fā)明的流程圖。

具體實施例方式 為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。
如圖1所示，本發(fā)明方法基于一個完整的GPS接收機系統(tǒng)，對于接收和處理GPS衛(wèi)星信號的射頻前端部分和GPS信號基帶處理部分統(tǒng)一使用一個標準的本地晶體振蕩器產(chǎn)生的時鐘。這樣本地晶體振蕩器的頻率偏差同時影響了射頻接收部分的下變頻操作和基帶處理部分的數(shù)字下變頻操作。
另外，在射頻前端部分，系統(tǒng)時鐘用于GPS載波信號的下變頻操作和數(shù)字中頻采樣，在基帶處理器部分，系統(tǒng)時鐘用于GPS信號的數(shù)字中頻的載波恢復和偽隨機碼序列恢復操作，以及量化積分操作和一些時基產(chǎn)生。
同時，對于基帶處理器的工作狀態(tài)操作由控制器完成，包括對基帶處理器中的載波頻率和碼序列頻率的配置和產(chǎn)生，積分的工作狀態(tài)控制，以及獲得GPS數(shù)據(jù)信號的處理等操作。
如圖2所示，該過程包括了數(shù)字中頻IF的輸入，載波的重現(xiàn)和剝離，偽隨機碼的重現(xiàn)和剝離，通過對相關后的信號積分操作，最終獲得GPS的數(shù)據(jù)包絡輸出。這里的載波和偽隨機碼的剝離直接影響到GPS基帶處理的相關特性，進而影響到GPS衛(wèi)星的捕獲和跟蹤。
圖3所示，該圖為本實施方式采用的載波重現(xiàn)的裝置-數(shù)字頻率振蕩器(NCO)的結構框圖(NCO是數(shù)字控制振蕩器的縮寫)，用于產(chǎn)生需要的周期特性。
該過程通過改變輸入的頻率選擇數(shù)字來改變輸出高位的周期。根據(jù)公式 上述公式中N為NCO內(nèi)部累加器寬度，Δ為相位增量，由外部置入。頻率誤差精度為 也就是說通過相位增量Δ的累加，實現(xiàn)在Tout時間內(nèi)，完成一次輸出高位0和1的包絡。
由于系統(tǒng)時鐘是由外部晶體振蕩器獲得，因而外部晶振的精度直接影響到整個系統(tǒng)運行。而外部晶振的偏差若在一定范圍內(nèi)，系統(tǒng)雖不能進行正確的熱啟動和溫啟動，但仍能進行冷啟動。而系統(tǒng)所能進行冷啟動的時鐘偏差范圍則由冷啟動中的搜索范圍來決定。
因此在系統(tǒng)時鐘有偏差導致系統(tǒng)只能進行冷啟動的情況下，在冷啟動成功后如何獲得正確的時鐘偏差并有效保存以備下次系統(tǒng)啟動時可以正確的熱啟動或溫啟動是個系統(tǒng)的重要功能。
如圖4所示，本發(fā)明方法的步驟依次包括 1.啟動GPS接收機，通過冷啟動或是其他的方式進行衛(wèi)星的捕獲操作，并捕獲到衛(wèi)星。
2.在捕獲了超過3顆衛(wèi)星時，進行定位操作，在定位成功后獲得當前的位置信息和時間信息。
3.利用獲得的當前的位置信息和時間信息以及參與定位的衛(wèi)星的其中一顆衛(wèi)星的星歷進行計算，以獲得這顆衛(wèi)星的此時的準確的多普勒頻率偏移。
4.利用公式計算系統(tǒng)采用的時鐘晶振的真實偏差對射頻前端芯片進行下變頻操作時的影響。
5.利用公式計算系統(tǒng)采用的時鐘晶振的真實偏差對GPS衛(wèi)星載波生成時產(chǎn)生的誤差影響。
6.利用步驟三，四，五計算的結果便可計算出系統(tǒng)使用晶振的真實偏差值。
按照上述圖示中的流程步驟結合參數(shù)關系式可計算出準確的本地晶體振蕩器的頻率偏差。具體步驟為 首先假設本地晶體振蕩器的偏差為CLKS，對于射頻前端處理部分而言可以根據(jù)公式 F＝FMID+CLKS×MULP 式中FC為實際使用中，由不精確本地晶振所產(chǎn)生的射頻前端的數(shù)字中頻的中心頻率，F(xiàn)MID為射頻功能部分下變頻后的標準數(shù)字中頻值，為系統(tǒng)特征值，MULP為射頻芯片的分頻比參數(shù)，為系統(tǒng)特征值。
而一個GPS衛(wèi)星信號經(jīng)過射頻前端下變頻處理后獲得載波頻率即為下式 fc＝FC+FD 式中fc為經(jīng)射頻芯片下變頻操作后的某個具體GPS衛(wèi)星的數(shù)字中頻頻率，F(xiàn)D為該GPS衛(wèi)星信號的多普勒頻偏。
本實施示例使用NCO產(chǎn)生恢復載波，即有 式中NCO為控制器對基帶處理器配置的NCO參數(shù)值，clk為本地晶體振蕩器產(chǎn)生的系統(tǒng)時鐘，在這里就等于標準的時鐘標稱值FCLK加上時鐘偏差值CLKS，fc是最終獲得信號的載波頻率。其中FCLK為系統(tǒng)特征值。CLKS即為本發(fā)明方法目標獲得的數(shù)值。
在控制器操作中，NCO的值是反向獲得，即用系統(tǒng)缺省的時鐘值和所要獲得的載波頻率值來計算出應該配置的NCO的參數(shù)值，具體下公式 式中，F(xiàn)CLK0為控制器系統(tǒng)缺省的時鐘值，fc0是冷啟動捕獲到的某衛(wèi)星下變頻后的數(shù)字中頻的載波頻率。FC0為控制器系統(tǒng)缺省的載波中心頻率。FD為定位后，利用位置信息，時間信息及某衛(wèi)星的星歷計算所得的該衛(wèi)星的準確的多普勒頻偏。
本地晶體振蕩器頻率偏移已知或無頻偏時，有FCLK0和FCLK+FCLKS相同，則控制器想要配置的fc0和基帶處理器硬件獲得fc就相同?？刂破鲀?nèi)部的FC0和實際的FC也相同，衛(wèi)星實際的多普勒頻偏和通過精確計算獲得的多普勒頻偏也相同。
當FCLKS存在較大差異時，軟件的FC0和實際的FC就會不同從而導致fc0和硬件獲得fc也不相同，從而無法正常估星、熱啟和溫啟，而只能選擇冷啟動。
在定位完成后，即可計算本地晶振的偏差。先選取一個已穩(wěn)定跟蹤，同時衛(wèi)星星歷也下載完畢的GPS衛(wèi)星，其對應的GPS基帶處理器內(nèi)部所產(chǎn)生的載波頻率fc為該GPS衛(wèi)星真實的載波頻率(下變頻后)。將上述公式合并，可得 fc＝FC+FD＝FMID+CLKS×MULP+FD 上兩式連解得 式中FMID，F(xiàn)CLK和MULP為射頻前端處理部分的標稱參數(shù)，為系統(tǒng)特征值，F(xiàn)CLK0為軟件系統(tǒng)缺省值，fc0成功定位后，正確跟蹤到的衛(wèi)星控制器內(nèi)部的中載波值，F(xiàn)D為該衛(wèi)星通過計算獲得多普勒頻偏值，只有一個未知量也是待求量時鐘偏差CLKS。因而推出CLKS的計算方法為 以上介紹是基于本發(fā)明的一個具體實施例，本發(fā)明內(nèi)容并不僅限于具體的實現(xiàn)形式及參考數(shù)據(jù)，采用本發(fā)明所述方法在不同的GPS接收機系統(tǒng)中的應用也是本發(fā)明所保護的范圍。
權利要求
1.一種用于GPS接收機中的晶體振蕩器頻率自校正的方法，該方法包括
GPS接收機系統(tǒng)的設置步驟；
GPS接收機對衛(wèi)星跟蹤和定位步驟；
利用GPS接收機中的晶體振蕩器對頻偏進行自校正步驟；
其特征在于，
所述GPS接收機系統(tǒng)在設置時，對于接收和處理GPS衛(wèi)星信號的射頻前端部分和GPS信號基帶處理部分統(tǒng)一使用一個標準的本地晶體振蕩器產(chǎn)生的時鐘；
所述利用GPS接收機中的晶體振蕩器對頻偏進行自校正步驟還包括
(1)在GPS接收機完成定位后，利用獲得的其中某顆GPS衛(wèi)星的星歷，以及獲得的定位信息和時間信息，可以較為精確的計算出這顆GPS衛(wèi)星真實和準確的多普勒頻率偏移；
(2)利用射頻前端處理部分的下變頻器分頻比參數(shù)，推導出本地晶體振蕩器與標準頻率的偏差對GPS衛(wèi)星信號經(jīng)下變頻后獲得的數(shù)字中頻與標準頻率的偏差影響的關系式；假設本地晶體振蕩器的偏差為CLKS，則下變頻后獲得的數(shù)字中頻與標準頻率的偏差的dFC為
dFC＝CLKS×MULP
(3)再利用GPS基帶處理器內(nèi)部的載波生產(chǎn)電路與控制器的配置關系。推導出本地晶體振蕩器與標準頻率的偏差對載波恢復時，實際產(chǎn)生的載波頻率與目標配置的載波頻率的關系式；設NCO為控制器對基帶處理器配置的NCO參數(shù)值，clk為本地晶體振蕩器產(chǎn)生的系統(tǒng)時鐘，在這里就等于標準的時鐘標稱值FCLK加上時鐘偏差值CLKS，fc是最終獲得信號的載波頻率。
(4)結合已經(jīng)獲得正確的GPS衛(wèi)星的多普勒頻率偏移值，晶體振蕩器對數(shù)字中頻的頻偏影響關系和對載波恢復產(chǎn)生的頻偏影響關系，計算出本地晶體振蕩器與標準頻率的偏差值，利用此計算的偏差值在以后的GPS接收機工作操作中直接使用，以實現(xiàn)提高GPS接收機捕獲和跟蹤衛(wèi)星所需時間和準確度。
2.根據(jù)權利要求1的用于GPS接收機中的晶體振蕩器頻率自校正的方法，其特征在于，所述GPS接收機對衛(wèi)星跟蹤和定位是通過接收機的冷啟動或其它方式來捕獲GPS衛(wèi)星來定位，且至少跟蹤到三顆及以上GPS衛(wèi)星，并獲得了GPS衛(wèi)星的星歷和歷書信息。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種應用于GPS接收機系統(tǒng)中，對本地晶體振蕩器的頻率偏差進行自校正的方法。包括首先通過冷啟動或其它方式獲得定位信息，然后選擇某個具體的獲得跟蹤及導航電文下載完畢的GPS衛(wèi)星進行計算，先計算出這顆GPS衛(wèi)星的準確的多普勒頻率偏移信息。然后計算出本地晶體振蕩器的頻率偏差導致射頻前端的下變頻操作時產(chǎn)生的頻率偏差。再計算出本地晶體振蕩器的頻率偏差導致的在GPS接收機基帶處理部分數(shù)字下變頻操作時產(chǎn)生的頻率偏差，根據(jù)兩者的關系，在利用計算出的GPS衛(wèi)星的真實多普勒頻偏，從而計算出本地晶體振蕩器的頻率偏差。
文檔編號G01S5/14GK101118281SQ200710044459
公開日2008年2月6日 申請日期2007年8月1日 優(yōu)先權日2007年8月1日
發(fā)明者劉春暉, 楊一茜, 李興仁, 金榮偉, 林錦麟, 張達文, 峻 楊 申請人:上海華龍信息技術開發(fā)中心