CN103116038B - 一种利用卫星接收机载波跟踪环路测量加速度的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用卫星接收机载波跟踪环路测量加速度的方法，其具体步骤为：(1)利用射频前端处理芯片将天线接收到的射频信号转化为数字中频信号；(2)采用频域并行捕获方法实现信号捕获；(3)采用三阶锁相环实现载波跟踪，采用延迟锁定环实现伪码跟踪；(4)数字中频信号经过基带信号处理实现载波剥离和伪码剥离后，得到导航电文，对其进行解码获得卫星星历，利用其中的卫星速度信息差分解算出卫星加速度(5)将载波环路滤波器中的加速度状态量送出，经过固定的比例关系k_a的比例变换后得到用户相对该被跟踪卫星i的视线加速度(6)解算出接收机的加速度。本发明具有原理简单、测量精度高、适用范围广等优点。

Description

一种利用卫星接收机载波跟踪环路测量加速度的方法

技术领域

本发明主要涉及到卫星测量及卫星导航应用领域，特指一种利用卫星接收机载波跟踪环路测量加速度的方法。

背景技术

“加速度”表征了单位时间内速度的变化量，是描述物体运动的主要参数之一。在动态测量、地球物理学及导航控制等诸多领域，加速度的精确确定具有十分重要的意义。

现有测量加速度的方法可分为间接法和直接法两种。间接法基于加速度参数与位置、速度之间的约束关系，通过测量速度然后进行一阶微分或者测量位置后进行二阶微分实现。直接法一般基于惯性定律，通过测量对应的惯性力实现。现有测量加速度的设备主要有多普勒雷达、卫星接收机、惯性加速度计等。目前使用多普勒雷达、卫星接收机测量运动体加速度的方法属于间接法，即需要对所得到的位置或者速度量进行差分实现，使用惯性加速度计测量运动体加速度属于直接法，是将惯性加速度计的比力输出扣除引力加速度后得到。

与其它方式相比，利用卫星接收机测量加速度不仅继承了卫星导航系统全天候、实时、连续输出的特点，还具有性价比高、易操作、性能稳定等优点。现有利用卫星接收机测量加速度的方式主要有如下几种：1)利用接收机提供的伪距观测量或载波相位观测量得到实时位置信息，然后进行两次差分；2)利用接收机提供的多普勒观测量得到实时的视线速度信息，结合卫星星历中的卫星速度计算出运动体速度，然后进行一次差分；3)对载波相位观测量进行一次差分获得视线速度，结合卫星星历中的卫星速度计算出运动体速度，然后进行一次差分。可见，现有利用卫星接收机测量加速度的方法均属于间接法，均需差分运算，而差分过程本身会引入噪声，因此损失了测量精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、测量精度高、适用范围广的利用卫星接收机载波跟踪环路测量加速度的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种利用卫星接收机载波跟踪环路测量加速度的方法，其具体步骤为：

(1)利用射频前端处理芯片将天线接收到的射频信号转化为数字中频信号；

(2)采用频域并行捕获方法实现信号捕获；

(3)采用三阶锁相环实现载波跟踪，采用延迟锁定环实现伪码跟踪；

(4)数字中频信号经过基带信号处理实现载波剥离和伪码剥离后，得到导航电文，对其进行解码获得卫星星历，利用其中的卫星速度信息差分解算出卫星加速度

(5)将载波环路滤波器中的加速度状态量送出，经过固定的比例关系k_a的比例变换后得到用户相对该被跟踪卫星i的视线加速度

(6)接收机稳定工作时，对导航电文进行解码得到卫星的速度，对卫星速度差分获得卫星加速度利用多个卫星通道的和就解算出接收机的加速度。

作为本发明的进一步改进：

利用以下公式解算接收机的视线加速度：

$a_i^{\mathrm{sr}}={[{(a_x^r-a_{\mathrm{ix}}^s)}^2+{(a_y^r-a_{\mathrm{iy}}^s)}^2+{(a_z^r-a_{\mathrm{iz}}^s)}^2]}^{1/2}+\mathrm{\δa}$

其中，i＝1，2，3，4，分别为a^r在地球系下三个轴向的分量，分别为在地球系下三个轴向的分量，δa为因接收机时钟和卫星钟之间的钟差引起的加速度误差。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1.本发明相对于基于速度信息差分获得加速度的传统方法的测量精度更高，本发明所采用的方法实质上是基于y₃信息的差分得到y_a(加速度状态量)，与传统方法的差别在于y_a(s)＝y₁(s)+y₂(s)+y₃(s)包括了y₁(s)，y₂(s)，因此对y_u(s)的差分自然包含了来自y₁(s)，y₂(s)差分形成的附加噪声。

2.本发明相对于载波相位2次差分求解方法而言测量噪声更小，精度更高。

3.本发明相对于位置2次差分求解方法而言测量噪声更小，精度更高。

4.本发明所采用的方法基于卫星接收机实施，具有测量范围大的特点，其加速度测量范围在理论上仅仅受环路的阶数影响，当采用三阶环后，可以跟踪任意恒定加速度运动情况下的载波信号；如果采用本发明的方法后加速度测量范围可以达到与跟踪能力相同的、甚至更高的范围。

附图说明

图1是典型卫星接收机的结构示意图。

图2是接收机中信号跟踪环路的结构示意图。

图3是典型载波跟踪环路的结构示意图。

图4是载波跟踪环路中相位模型的示意图。

图5是本发明方法的信息处理示意图。

图6是本发明中所采用三阶环载波跟踪环路的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明为利用卫星接收机载波跟踪环路测量加速度的方法，卫星接收机是卫星导航定位系统的应用终端，它通过接收卫星信号并实时处理后得到用户所需要的导航信息。如图1所示，为卫星接收机的一般组成，按照正常工作时的信号处理流程，接收机分为射频前端、基带信号处理和导航运算三大功能模块。射频前端模块通过天线接收所有可见卫星的信号，经前置滤波器和前置放大器的滤波放大后，再与本地振荡器产生的正弦波本振信号进行混频与滤波(即下变频)成中频信号，最后经模数转换器将中频信号转换成数字中频信号。基带信号处理模块处理射频前端所输出的数字中频信号，复制出与接收到的卫星信号一致的本地载波和本地伪码信号，实现对卫星信号的跟踪，并从中获得卫星伪距和载波频率等测量值以及解调出导航电文。基带信号处理模块输出伪距和载波频率等测量信息以及解调出来的导航电文，这些测量值和导航电文中的星历参数等信息被送入导航运算模块进行处理，接收机最终获得卫星定位结果和其它导航信息。

接收机中基带信号处理模块主要包括捕获和跟踪两个环节。捕获是获得当前卫星信号中伪码偏移和多普勒频移概略估计值的过程。一般而言，通过捕获，载波频率的估计精度在几百赫兹左右，而伪码相位的估计精度在±0.5个码片之内。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，并且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改变，因此在捕获完成后，需要跟踪环路对本地信号进行微调。跟踪环路包含载波跟踪环和伪码跟踪环(简称“码跟踪环”)，其结构如图2所示。载波跟踪环是指用于复现卫星信号中载波信号的闭环控制回路。载波发生器生成本地载波信号，用于对输入信号的载波剥离；码发生器生成本地的伪码序列，实现对输入扩频信号的解扩(即伪码剥离)。环路根据载波剥离和伪码剥离后的输出信息I/Q，利用各自的鉴别器和滤波器控制本地载波和码分别进行载波与码相位调整，实现对输入的数字中频信号跟踪。

接收机信号跟踪环路一般基于锁相环实现。锁相环用于调节输出频率，以产生与输入信号同频同相的本地参考信号。本质上，锁相环是一个相位反馈的闭环控制系统，由鉴别器(载波跟踪环中采用“载波鉴别器”，码跟踪环中采用“码鉴别器”)、环路滤波器(载波跟踪环中采用“载波滤波器”，码跟踪环中采用“码环滤波器”)和压控振荡器(载波跟踪环中采用“载波发生器”，又称“压控振荡器”，码跟踪环中采用“伪码发生器”)三部分组成，鉴别器用于比较输出相位和输入相位而得到误差信号，环路滤波器用于滤除误差信号中的高频分量和宽带噪声，压控振荡器能够根据输入的控制信号生成不同频率的信号(载波跟踪环中生成不同频率的正、余弦信号，码跟踪环中生成不同频率的伪码信号)。锁相环的动态性能主要由滤波器决定，滤波器传递函数的系数决定了锁相环的自然频率、衰减系数、噪声带宽等，而传递函数中的积分环节个数决定了锁相环的阶次。

基于锁相环的载波跟踪环路的典型结构如图3所示。相位累加单元和正、余弦表构成了本地载波生成器(又称“压控振荡器”)，它根据滤波器的输出生成两路正交的信号(分别是正弦信号u_i、余弦信号u_q)，分别与输入信号(数字中频信号)进行混频(乘法运算)和整周期积分(等价于低通滤波)后产生I、Q两路输出。假设某一时刻接收到的数字中频信号中的载波信号为本地产生的信号为u_i＝sin(2πf_lt)和u_q＝sin(2πf_lt)，则有：

采用反正切鉴相器，则相位误差(s域对应为e(s))为：

可见，鉴相器的输出为输入信号与本地信号之间的相位差，因此，载波跟踪环路的相位传递函数模型可以表示为图4的形式，图中F(s)表示环路滤波器，相位累加单元由积分器代替。

本发明利用卫星接收机载波跟踪环路测量加速度的方法，图5所示，其具体实施步骤为：

(1)利用射频前端处理芯片将天线接收到的射频信号转化为数字中频信号。该天线是指接收卫星射频信号的设备，该射频前端处理芯片是指将射频信号进行数字下变频，并通过A\D采样转化为适于进行处理的数字中频信号的设备。

(2)采用频域并行捕获方法实现信号捕获。频域并行捕获方法是一种基于FFT的捕获算法，为现有已知方法。

(3)采用三阶锁相环实现载波跟踪，采用延迟锁定环实现伪码跟踪。

当载波跟踪环路采用三阶锁相环时，其结构框图如图6所示。图中，u_in(s)为输入信号的相位，e(s)＝u_in(s)-y(s)为相位误差，y_u(s)＝y₁(s)+y₂(s)+y₃(s)为环路滤波器的结果，代表了本地信号的频率，与相对速度成线性关系，为输出，代表了本地压控振荡器信号的相位。y_a(s)为三阶环路滤波器中的加速度状态量，也为易得：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1\left(s\right)=k_{1}e\left(s\right)=s^2{y}_3\left(s\right)\·\frac{k_1}{k_3}\\ y_2\left(s\right)=\frac{1}{s}\·k_{2}e\left(s\right)={\mathrm{sy}}_3\left(s\right)\·\frac{k_2}{k_3}\\ y_3\left(s\right)=\frac{1}{s^2}\·k_{3}e\left(s\right)\end{array}\right.---\left(3\right)$

则：

$y\left(s\right)=\frac{1}{s}\·(\frac{k_1}{k_3}\·s^2{y}_3\left(s\right)+\frac{k_2}{k_3}\·{\mathrm{sy}}_3\left(s\right)+y_3\left(s\right))$ (4)

$=(\frac{k_1}{k_3}\·s+\frac{k_2}{k_3}+\frac{1}{s})y_3\left(s\right)$

进而可得：

$e\left(s\right)=u_{\mathrm{in}}\left(s\right)-y\left(s\right)=u_{\mathrm{in}}\left(s\right)-(\frac{k_1}{k_3}\·s+\frac{k_2}{k_3}+\frac{1}{s})y_3\left(s\right)---\left(5\right)$

根据式(3)和式(5)，有：

$y_3\left(s\right)=\frac{k_{3}s\·u_{\mathrm{in}}\left(s\right)}{s^3+k_1{s}^2+k_{2}s+k_3}---\left(6\right)$

设输入信号如下式所示：

其中，ω₀为载波信号的基准频率，ω_d为多普勒频移量，ω_a为由加速度引起的多普勒频移的变化率，为载波信号的初始相位。对式(7)进行拉普拉斯变换，得到输入信号的s域表示为：

将式(8)代入式(6)中，得，

因此，

当环路稳定跟踪时，有：

式(11)表明，载波跟踪环路稳定后，加速度状态量y_a(t)即反映了输入信号中多普勒频移的变化值ω_a，而ω_a与视线加速度之间存在着固定的比例关系k_a。一般来讲，y_a的更新率很高(典型值为1KHz)，因此，对y_a进行滤波可得到更高精度的视线加速度信息。

上述三阶锁相环是实现载波跟踪的方法，其中鉴相器使用反正切鉴别器，环路滤波器传递函数为：

$F\left(s\right)=k_1+k_2\·\frac{1}{s}+k_2\·\frac{1}{s^2}---\left(12\right)$

(4)数字中频信号经过基带信号处理实现载波剥离和伪码剥离后，得到导航电文，对其进行解码获得卫星星历，利用其中的卫星速度信息差分解算出卫星加速度

(5)将载波环路滤波器中的加速度状态量送出，即图5(以及图6)中A点处的状态量，也为三阶环路滤波器中的加速度状态量y_a(s)；加速度状态量经过固定的比例关系k_a的比例变换后得到用户相对该被跟踪卫星i(i＝1，2，3，4)的视线加速度

(6)接收机稳定工作时，对导航电文进行解码可以得到卫星的速度，对卫星速度差分可以获得卫星加速度利用四个卫星通道的和就可以解算出接收机的加速度a^r，也即运动载体的加速度。

即，按照上面的方法得到四个通道(对应四颗卫星)的卫星加速度和相应的视线加速度将它们送入加速度解算模块，对应下面公式(13)，即可得到运动载体的加速度a^r。

该加速度解算模块是指利用和得到接收机加速度a^r的过程。和a^r满足下式：

$a_i^{\mathrm{sr}}={[{(a_x^r-a_{\mathrm{ix}}^s)}^2+{(a_y^r-a_{\mathrm{iy}}^s)}^2+{(a_z^r-a_{\mathrm{iz}}^s)}^2]}^{1/2}+\mathrm{\δa},(i=\mathrm{1,2,3,4})---\left(13\right)$

其中，分别为a^r在地球系下三个轴向的分量，分别为在地球系下三个轴向的分量，δa为因接收机时钟和卫星钟之间的钟差引起的加速度误差。根据(13)式，利用最小二乘法可得到地球系下接收机的加速度a^r。

本发明相对于基于速度信息差分获得加速度的传统方法的测量精度更高。参见图5所示，常规基于速度信息差分获得加速度的传统方法实质上是基于y_u(s)信息的利用，即最终的相位信息y(s)对应距离，y_u(s)是y(s)的微分对应速度，所以基于速度信息y_u(s)的差分就是加速度。本发明所采用的方法实质上是基于y₃信息的差分得到y_a(加速度状态量)，与传统方法的差别在于y_u(s)＝y₁(s)+y₂(s)+y₃(s)包括了y₁(s)，y₂(s)，因此对y_u(s)的差分自然包含了来自y₁(s)，y₂(s)差分形成的附加噪声。

本发明相对于载波相位2次差分求解方法而言测量噪声更小，精度更高，因为载波相位信息即y(s)微分后就是速度信息y_u(s)，其余分析同上。

本发明相对于位置2次差分求解方法而言测量噪声更小，精度更高。因为位置信息大多基于码环跟踪测量得到的伪距求解，而伪距测量精度远低于载波测量精度，因此差分过程放大了噪声。

本发明所采用的方法基于卫星接收机实施，具有测量范围大的特点，其加速度测量范围在理论上仅仅受环路的阶数影响，当采用三阶环后，可以跟踪任意恒定加速度运动情况下的载波信号；而在实际中，能够跟踪加速度的范围受影响因素很多。然而已经出现了30g左右甚至更高的高动态卫星接收机，即如果采用本发明的方法后加速度测量范围可以达到与跟踪能力相同的即30g甚至更高的范围。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种利用卫星接收机载波跟踪环路测量加速度的方法，其特征在于，具体步骤为：

(1)利用射频前端处理芯片将天线接收到的射频信号转化为数字中频信号；

(2)采用频域并行捕获方法实现信号捕获；

(3)采用三阶锁相环实现载波跟踪，采用延迟锁定环实现伪码跟踪；

(4)数字中频信号经过基带信号处理实现载波剥离和伪码剥离后，得到导航电文，对其进行解码获得卫星星历，利用其中的卫星速度信息差分解算出卫星加速度

(5)将载波环路滤波器中的加速度状态量送出，经过固定的比例关系k_a的比例变换后得到用户相对被跟踪卫星i的视线加速度

载波跟踪环路采用三阶锁相环，u_in(s)为输入信号的相位，e(s)＝u_in(s)-y(s)为相位误差，y_u(s)＝y₁(s)+y₂(s)+y₃(s)为环路滤波器的结果，代表了本地信号的频率，与相对速度成线性关系，为输出，代表了本地压控振荡器信号的相位，y_a(s)为三阶环路滤波器中的加速度状态量，也为其中：

$\left\{\begin{array}{c}{y}_1\left(s\right)=k_{1}e\left(s\right)=s^2{y}_3\left(s\right)\·\frac{k_1}{k_3}\\ y_2\left(s\right)=\frac{1}{s}\·k_{2}e\left(s\right)={\mathrm{sy}}_3\left(s\right)\·\frac{k_2}{k_3}\\ y_3\left(s\right)=\frac{1}{s^2}\·k_{3}e\left(s\right)\end{array}\right.$

y_a(s)＝s·y₃(s)

(6)接收机稳定工作时，对导航电文进行解码得到卫星的速度，对卫星速度差分获得卫星加速度利用多个卫星通道的和就解算出接收机的加速度。

2.根据权利要求1所述的利用卫星接收机载波跟踪环路测量加速度的方法，其特征在于，利用以下公式解算接收机加速度a^r：

$a_i^{\mathrm{sr}}={[{(a_x^r-a_{\mathrm{ix}}^s)}^2+{(a_y^r-a_{\mathrm{iy}}^s)}^2+{(a_z^r-a_{\mathrm{iz}}^s)}^2]}^{1/2}+\mathrm{\δa}$

其中，a^r为接收机加速度，i＝1,2,3,4，分别为a^r在地球系下三个轴向的分量，分别为在地球系下三个轴向的分量，分别为卫星加速度在地球系下三个轴向的分量，δa为因接收机时钟和卫星钟之间的钟差引起的加速度误差。