CN101975957B - 一种基于模糊控制的高动态gps接收机载波跟踪环路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路，属于导航技术领域，该结构利用模糊控制理论，在Costas载波跟踪环路中引入模糊逻辑控制器和精度改善单元，模糊控制器能够根据输入频率误差和相位误差的动态情况自适应调节环路带宽，缩短环路响应时间；精度改善单元采用线性插值和论域变换的方法消除模糊控制过程中的震颤现象，提高稳态跟踪精度；精度改善后的模糊控制量驱动载波数控振荡器生成本地正弦、余弦载波信号，以保持对输入载波信号的跟踪锁定。本发明具有优良的动态跟踪性能和噪声抑制能力，能够快速稳定的实现对高动态、低信噪比GPS载波信号的跟踪过程，并维持良好的频率跟踪精度。

Description

一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路

技术领域

本发明属于导航技术领域，涉及一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路。

背景技术

全球定位系统(GPS)是精密卫星导航定位系统，它具有高精度、全天候、全球覆盖等优点，在军用及民用领域得到了广泛的重视和应用。在GPS接收机中，稳定地跟踪卫星信号是系统正常工作的前提，也一直是接收机技术的研究重点。由于载体的高速运动使GPS接收机接收到的载波信号附加了多谱勒频移，而且这种频移可能会伴有一定的加速度以及加加速度，较大的频移变化率将导致接收机载波环路跟踪失锁，无法达到本地载波与调制载波精确同步的目的。因此，载波环路的设计是高动态导航接收机设计中的关键问题之一。

目前高动态扩频接收机载波跟踪环路中广泛应用的是高阶Phase-Locked Loop(PLL)或Frequency-Locked Loop(FLL)辅助PLL跟踪技术，通过设定阈值来控制PLL与FLL的切换或选择双重预检测积分时间，然而这些方法设置环路带宽时，在抑制热噪声和动态应力误差之间存在矛盾：减小带宽会降低噪声的影响，但同时会导致动态应力误差增大，所以传统方法只能在跟踪精度和动态性之间做折中处理，并且往往需执行窄带高阶PLL环路，系统的响应时间较长。

为了克服上述矛盾，一些利用模糊理论设计的自适应带宽PLL模型相继被提出，并采用卡尔曼滤波器对载波频率偏移进行最优估计，然而这些模型是建立在线性PLL的基础上的，当载体高动态运动时，PLL不再具有线性结构，将使频移估计结果发散，最终导致稳态跟踪精度较差甚至是跟踪失锁。因此，现有的自适应带宽PLL并不能非常稳定的工作于高动态GPS接收机。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有高动态GPS载波跟踪技术在协调动态性能和噪声抑制能力方面的不足，提出了一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路，该跟踪环路能够自适应调节带宽，实现对高动态载波信号快速、精确的跟踪过程。

一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路，主要包括伪码数控振荡器、解扩器、混频器、相关单元、鉴频器、鉴相器、智能环路滤波器和载波数控振荡器；

伪码数控振荡器生成本地C/A码序列，解扩器对C/A码序列和GPS数字中频信号进行相关运算，剥离GPS数字中频信号中调制的伪码数据，得到解扩后的GPS数字中频信号；

载波数控振荡器产生正弦载波信号和余弦载波信号，解扩后的GPS数字中频信号与正弦载波信号进入混频器进行混频处理，得到正交信号Q，解扩后的GPS数字中频信号与余弦载波信号进行混频处理，得到同相信号I；

相关单元对正交信号Q、同相信号I在预检测积分时间内进行累加、平均，滤除其中的高频分量，然后输出给环路鉴别单元；

环路鉴别单元包括鉴频器、鉴相器，鉴频器通过下式得到本地载波频率误差ω_k的鉴别结果：

${\mathrm{\ω}}_k=\arctan 2\left\{\frac{[I(k-1)Q\left(k\right)-I(k+)Q(k-1)]}{[I(k-1)I\left(k\right)-Q\left(k\right)Q(k-1)]}\right\}+{\mathrm{\ω}}_{n,k}$

式中：ω_k为鉴别出的频率误差，取值范围为(-π，π)，ω_n，k为噪声引起的频率误差；I(k)和I(k-1)分别是第k和k-1时刻同相信号；Q(k)和Q(k-1)分别是第k和k-1时刻正交信号；鉴相器通过下式得到相位误差

的鉴别结果：

式中：

为鉴别出的相位误差，取值范围为(-π，π)，

为噪声引起的相位误差；环路鉴别单元将鉴别产生的频率误差ω_k和相位误差输送给误差处理单元；

智能环路滤波器包括误差处理单元、模糊控制器、精度改善单元和JR滤波器，其中：误差处理单元对频率误差ω_k和相位误差

的鉴别结果以π为单位进行模运算，初步去除由噪声产生的误差测量野值；

误差处理单元将处理后的频率误差ω_k和相位误差

输入到模糊控制器，模糊控制器依据控制经验离线生成模糊控制量集合，每一个频率误差ω_k和相位误差

组成的二维误差值坐标点对应集合中的一个模糊控制量，从而使在线模糊运算变成二维查表过程；模糊控制器根据输入的二维误差值坐标点，查询模糊控制量集合后输出距离输入二维误差坐标点最近的四个量化误差值点所对应的模糊控制量，并将这四个模糊控制量送至精度改善单元；

误差处理单元还将处理后的频率误差ω_k和相位误差

输入到精度改善单元，精度改善单元包括插值模块和论域变换模块；插值模块根据输入的二维误差值坐标点与其周围四个量化误差值点间的距离大小，调整四个模糊控制量的权值，计算出输入二维误差值坐标点所对应的实际模糊控制量值u(ω_k，

)，插值过程如下：

其中：

ω_i-1≤ω_k≤ω_i，u_i-1，j-1为量化误差值点(

ω_j-1)所对应的模糊控制量值，u_i-1，j为控制表中量化误差值点(

ω_j)所对应的模糊控制量值，u_i，j-1为控制表中量化误差值点(

ω_j-1)所对应的模糊控制量值，u_i，j为控制表中量化误差值点(ω_j)所对应的模糊控制量值；

插值模块将产生的模糊控制量u(

ω_k)输出给论域变换模块，论域变换模块根据输入频率误差ω_k和相位误差

的动态情况，引入论域伸缩因子α自适应调整模糊控制量u(

ω_k)的论域范围；

论域变换模块将精度改善后的模糊控制量值输出给JR滤波器，JR滤波器进一步的去除输入模糊控制量中的高频成分，对本地载波信号实际的相位误差做出精确估计，估计出的相位误差量用来驱动GPS接收机内部的载波数控振荡器，载波数控振荡器生成本地正弦载波信号和余弦载波信号，保持对输入GPS数字中频信号的跟踪。

本发明的优点在于：

(1)本发明的智能环路滤波器可以根据GPS载波信号的动态情况自适应调节环路带宽，从而解决传统载波跟踪环路对于动态性能和噪声性能在设置带宽时的矛盾，实现对高动态载波信号快速精确的跟踪。

(2)本发明采用二维线性插值和论域变换方法消除模糊控制查表过程中的量化误差，以提高稳态控制精度。一方面，当输入误差较大时采用大的论域范围，加快系统响应速度；另一方面，当误差趋于零时，收缩论域范围，提高控制精度。从而实现类似于人类“由粗到细”的控制过程，使跟踪环路具有一定的智能性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为模糊控制器结构示意图；

图3为输入、输出模糊变量的隶属度函数图；

图中：

1-伪码数控振荡器  2-解扩器             3-混频器            4-相关单元

5-鉴频器          6-鉴相器             7-智能环路滤波器    8-误差处理单元

9-模糊控制器      10-精度改善单元      11-插值模块         12-论域变换模块

13-JR滤波器       14-载波数控振荡器    901-模糊产生器      902-模糊推理机

903-模糊规则库    904-解模糊单元

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明的一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路，如图1所示，主要包括伪码数控振荡器1、解扩器2、混频器3、相关单元4、鉴频器5、鉴相器6、智能环路滤波器7和载波数控振荡器14。

伪码数控振荡器1生成本地C/A码序列，解扩器2对C/A码序列和GPS数字中频信号进行相关运算，剥离GPS数字中频信号中调制的伪码数据，得到解扩后的GPS数字中频信号。

载波数控振荡器14产生正弦载波信号和余弦载波信号，解扩后的GPS数字中频信号与正弦载波信号进入混频器4进行混频处理，得到正交信号Q，解扩后的GPS数字中频信号与余弦载波信号进行混频处理，得到同相信号I。

相关单元4对正交信号Q、同相信号I在预检测积分时间内进行累加、平均，滤除其中的高频分量，然后输出给环路鉴别单元。

环路鉴别单元包括鉴频器5、鉴相器6，鉴频器5、鉴相器6均采用四象限反正切鉴别算法处理相关单元4输出的正交信号Q和同相信号I；其中，鉴频器5通过式(1)得到本地载波频率误差ω_k的鉴别结果：

${\mathrm{\ω}}_k=\arctan 2\left\{\frac{[I(k-1)Q\left(k\right)-I(k+)Q(k-1)]}{[I(k-1)I\left(k\right)-Q\left(k\right)Q(k-1)]}\right\}+{\mathrm{\ω}}_{n,k}---\left(1\right)$

式中：ω_k为鉴别出的频率误差，取值范围为(-π，π)，ω_n，k为噪声引起的频率误差；I(k)和I(k-1)分别是第k和k-1时刻同相信号；Q(k)和Q(k-1)分别是第k和k-1时刻正交信号；鉴相器6通过式(2)得到相位误差

的鉴别结果：

式中：为鉴别出的相位误差，取值范围为(-π，π)，

为噪声引起的相位误差；环路鉴别单元将鉴别产生的频率误差ω_k和相位误差

输送给误差处理单元8。

智能环路滤波器7包括误差处理单元8、模糊控制器9、精度改善单元10和JR滤波器13，其中：误差处理单元8对频率误差ω_k和相位误差

的鉴别结果以π为单位进行模运算，初步去除由噪声产生的误差测量野值；

误差处理单元8将处理后的频率误差ω_k和相位误差输入到模糊控制器9，模糊控制器9依据控制经验离线生成模糊控制量集合，并将其存储到计算机中，每一个频率误差ω_k和相位误差组成的二维误差值坐标点对应集合中的一个模糊控制量，从而使在线模糊运算变成二维查表过程；模糊控制器9根据输入的二维误差值坐标点，查询模糊控制量集合后输出距离输入二维误差值坐标点最近的四个量化误差值点所对应的模糊控制量，并将这四个模糊控制量送至精度改善单元10；

误差处理单元8还将处理后的频率误差ω_k和相位误差

输入到精度改善单元10，精度改善单元10由插值模块11和论域变换模块12组成；插值模块11根据输入的二维误差值坐标点与其周围四个量化误差值点间的距离大小，调整四个模糊控制量的权值，从而计算出输入二维误差值坐标点所对应的实际模糊控制量值u(ω_k，

)，插值过程如下：

其中：

ω_i-1≤ω_k≤ω_i，u_i-1，j-1为量化误差值点(

ω_j-1)所对应的模糊控制量值，u_i-1，j为控制表中量化误差值点(

ω_j)所对应的模糊控制量值，u_i，j-1为控制表中量化误差值点(

ω_j-1)所对应的模糊控制量值，u_i，j为控制表中量化误差值点(

ω_j)所对应的模糊控制量值；

插值模块11将产生的模糊控制量u(ω_k)输出给论域变换模块12，论域变换模块12根据输入频率误差ω_k和相位误差

的动态情况，引入论域伸缩因子α自适应调整模糊控制量u(ω_k)的论域范围，从而实现迅速而细腻的控制过程，本发明选用比例指数型伸缩因子：

式中：

和ω_k分别是相位误差、频率误差的即时输入量，E和EC为相位误差、频率误差的取值范围，即π，指数τ＝0.55。

论域变换模块12将精度改善后的模糊控制量值输出给JR滤波器13，JR滤波器13进一步的去除输入模糊控制量中的高频成分，对本地载波信号实际的相位误差做出精确估计，估计出的相位误差量用来驱动GPS接收机内部的载波数控振荡器14，载波数控振荡器14生成本地正弦载波信号和余弦载波信号，保持对输入GPS数字中频信号的跟踪。

图2为模糊控制器9的结构示意图，包括模糊产生器901、模糊推理机902、模糊规则库903和解模糊单元904；模糊产生器901将任意的输入频率误差ω_k和相位误差

映射到输入论域上，得到模糊输入量，模糊产生器901将产生的模糊输入量送至模糊推理机902。其中，对输入频率误差ω_k和相位误差的模糊化过程采用的隶属度函数和语言值论域如图3所示：输入频率误差ω_k和相位误差

采用梯形隶属度函数，论域X＝{-π，-π/2，0，π/2，π}，相应的语言值：负大(NL)、负中(NM)，零(ZE)、正中(PM)、正大(PL)；输出控制量u采用三角形隶属度函数，论域Z＝{-25，-16.67，-8.33，0，8.33，16.67，25}，相应的语言值：负大(NL)、负中(NM)、负小(NS)、零(ZE)、正小(PS)、正中(PM)、正大(PL)。

模糊推理机902根据模糊规则库903提供的模糊规则进行模糊推理、决策，建立模糊输入量和模糊输出量间的对应关系，其中，模糊推理过程选用Mamdani决策方式，模糊推理机902完成模糊推理后将求解出的模糊输出量输送给解模糊单元904；解模糊单元904采用重心法对模糊输出量进行解模糊化处理，得到一个确定的模糊控制量值。模糊控制器9根据输入误差论域内所有量化的二维误差值坐标，生成对应的模糊控制量，并将它们离线制成模糊控制量集合存储到计算机中，供查表使用。

本发明所设计的基于模糊控制的GPS载波跟踪环路能够根据输入载波信号的动态情况自适应调节环路带宽，从而在保证系统动态性能的同时，提高了接收机抑制噪声的能力，可以很好的适用于高动态、低信噪比GPS载波信号的跟踪过程。

Claims (5)

1.一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路，其特征在于，主要包括伪码数控振荡器、解扩器、混频器、相关单元、鉴频器、鉴相器、智能环路滤波器和载波数控振荡器；

伪码数控振荡器生成本地C/A码序列，解扩器对C/A码序列和GPS数字中频信号进行相关运算，剥离GPS数字中频信号中调制的伪码数据，得到解扩后的GPS数字中频信号；

载波数控振荡器产生正弦载波信号和余弦载波信号，解扩后的GPS数字中频信号与正弦载波信号进入混频器进行混频处理，得到正交信号Q，解扩后的GPS数字中频信号与余弦载波信号进行混频处理，得到同相信号I；

相关单元对正交信号Q、同相信号I在预检测积分时间内进行累加、平均，滤除其中的高频分量，然后输出给环路鉴别单元；

环路鉴别单元包括鉴频器、鉴相器，鉴频器通过式（1）得到本地载波频率误差ω_k的鉴别结果：

${\mathrm{\ω}}_k=\arctan 2\left\{\frac{[I(k-1)Q\left(k\right)-I\left(k\right)Q(k-1)]}{[I(k-1)I\left(k\right)+Q\left(k\right)Q(k-1)]}\right\}+{\mathrm{\ω}}_{n,k}---\left(1\right)$

式中：ω_k为鉴别出的频率误差，取值范围为(-π,π)，ω_n,k为噪声引起的频率误差；I(k)和I(k-1)分别是第k和k-1时刻同相信号；Q(k)和Q(k-1)分别是第k和k-1时刻正交信号；鉴相器通过式（2）得到相位误差

的鉴别结果：

式中：

为鉴别出的相位误差，取值范围为(-π,π)，

为噪声引起的相位误差；环路鉴别单元将鉴别产生的频率误差ω_k和相位误差

输送给误差处理单元；

智能环路滤波器包括误差处理单元、模糊控制器、精度改善单元和JR滤波器，其中：误差处理单元对频率误差ω_k和相位误差

的鉴别结果以π为单位进行模运算，初步去除由噪声产生的误差测量野值；

误差处理单元将处理后的频率误差ω_k和相位误差

输入到模糊控制器，模糊控制器依据控制经验离线生成模糊控制量集合，每一个频率误差ω_k和相位误差组成的二维误差值坐标点对应集合中的一个模糊控制量，从而使在线模糊运算变成二维查表过程；模糊控制器根据输入的二维误差值坐标点，查询模糊控制量集合后输出距离输入二维误差坐标点最近的四个量化误差值点所对应的模糊控制量，并将这四个模糊控制量送至精度改善单元；

误差处理单元还将处理后的频率误差ω_k和相位误差

输入到精度改善单元，精度改善单元包括插值模块和论域变换模块；插值模块根据输入的二维误差值坐标点与其周围四个量化误差值点间的距离大小，调整四个模糊控制量的权值，计算出输入二维误差值坐标点所对应的实际模糊控制量值

插值过程如下：

其中：ω_i-1≤ω_k≤ω_i，

u_i-1,j-1为量化误差值点

所对应的模糊控制量值，u_i-1,j为控制表中量化误差值点

所对应的模糊控制量值，u_i，j-1为控制表中量化误差值点

所对应的模糊控制量值，u_i,j为控制表中量化误差值点

所对应的模糊控制量值；

插值模块将产生的模糊控制量

输出给论域变换模块，论域变换模块根据输入频率误差ω_k和相位误差

的动态情况，引入论域伸缩因子α自适应调整模糊控制量

的论域范围；

论域变换模块将精度改善后的模糊控制量值输出给JR滤波器，JR滤波器进一步的去除输入模糊控制量中的高频成分，对本地载波信号实际的相位误差做出精确估计，估计出的相位误差量用来驱动GPS接收机内部的载波数控振荡器，载波数控振荡器生成本地正弦载波信号和余弦载波信号，保持对输入GPS数字中频信号的跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路，其特征在于，所述的模糊控制器包括模糊产生器、模糊推理机、模糊规则库和解模糊单元；模糊产生器将任意的输入频率误差ω_k和相位误差映射到输入论域上，得到模糊输入量，模糊产生器将产生的模糊输入量送至模糊推理机；模糊推理机根据模糊规则库提供的模糊规则进行模糊推理、决策，建立模糊输入量和模糊输出量间的对应关系，模糊推理机完成模糊推理后将求解出的模糊输出量输送给解模糊单元；解模糊单元采用重心法对模糊输出量进行解模糊化处理，得到一个确定的模糊控制量值；

模糊控制器根据输入误差论域内所有量化的二维误差值坐标，生成对应的模糊控制量，并将它们离线制成模糊控制量集合存储到计算机中，供查表使用。

3.根据权利要求2所述的一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路，其特征在于，所述的模糊产生器对输入频率误差ω_k和相位误差

的模糊化过程采用的隶属度函数和语言值论域为：输入频率误差ω_k和相位误差

采用梯形隶属度函数，论域X={-π,-π/2,0,π/2,π}，相应的语言值：负大NL、负中NM、零ZE、正中PＭ、正大PL；对于输出控制量u采用三角形隶属度函数，论域Z={-25，-16.67，-8.33,0,8.33,16.67,25}，相应的语言值：负大NL、负中NM、负小NS、零ZE、正小PS、正中PM、正大PL。

4.根据权利要求2所述的一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路，其特征在于，所述的模糊推理机的模糊推理过程选用Mamdani决策方式。

5.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的高动态GPS接收机载波跟踪环路，其特征在于，所述的论域变换模块采用比例指数型伸缩因子：

式中：

和ω_k分别是相位误差、频率误差的即时输入量，E和EC为相位误差、频率误差的取值范围，即π，指数τ=0.55。

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