CN104407362A - 一种四路信号处理的载波锁相环 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于四路信号处理和卡尔曼滤波的载波跟踪环，属于信号处理技术领域，包括如下步骤：使用一个卡尔曼滤波器取代了环路滤波器，首先预测算法根据上一时刻测量和反馈结果获取环路状态和测量结果的先验估计；测量算法是根据四路信号的鉴相结果对先验估计进行纠正；反馈算法是根据估计和纠正结果生成控制量对载波NCO和数字调相器进行调整；更新算法是根据以上结果在环路状态方程中进行体现。同时将参与环路跟踪的信号增加为四路，通过增加的两路信号处理，对相位的随机跳变尝试纠正，来减小环路发生失锁的概率。本发明适用于基于四路信号处理的载波锁相环技术。

Description

一种四路信号处理的载波锁相环

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种基于四路信号处理和卡尔曼滤波的载波跟踪环。 

背景技术

载波锁相环是卫星导航接收机中最脆弱的一环，热噪声、信号遮挡、动态应力和电离层闪烁等都是影响载波跟踪的因素。由于监测型接收机位置固定且相对开阔，因此环路受到动态应力和信号遮挡的影响较小，这时电离层闪烁就成为影响载波锁相环跟踪的主要因素。电离层闪烁会严重影响卫星导航接收机的性能，闪烁带来的信号振幅与相位的随机快速起伏会使接收机测量精度下降、周跳频繁、误码率上升，当闪烁趋于严重时，还会使接收机信号失锁，甚至无法工作。这给需要长时间连续稳定跟踪信号的监测型接收机载波环路带来了巨大挑战。 

一系列专门针对电离层闪烁情况下的信号处理方法也被开发出来。人们研究了各种类型的环路鉴相器在闪烁情况下的性能，一种快速自适应带宽锁相环的方法被提出，它可以通过对电离层闪烁的迅速识别，来切换锁相环的工作带宽。另外，人们还研究出了一种在航空用GPS接收机中使用外部惯性设备的多普勒信息辅助跟踪方法，这种方法可以较好的消除一部分动态从而提高闪烁情况下的跟踪门限。此外，还出现了一种基于先验信息的后处理、固定增益矩阵等基于卡尔曼滤波的载波跟踪的方法，它对闪烁信号的处理有一定的效果。Wei-Lung M教授在2004年提出了一种使用模糊理论来控制环路滤波器带宽的方法，它可以增强载波环在各种复杂环境下跟踪的鲁棒性，这种方法理论上也可用于电离层闪烁下的信号跟踪。 

总体来说，上述算法可以归为两类，一类是利用优化环路滤波器设计期望在电离层闪烁发生时利用滤波器滤除部分影响，保持环路跟踪；另一类是利用适当算法快速恢复失锁后的锁相环，即容忍跟踪环路的短时失锁。这些方法都使用了常规鉴相方法，即两路信号求相差的方法，对于通过改变鉴相器结构以获取更优鉴相结果的方法还很少有提及，因此需要继续深入研究。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种四路信号处理的载波锁相环设计方法，该方法可以在电离层闪烁严重到现有常规两路信号处理的载波锁相环失锁时，仍保证信号的跟踪，在闪烁结束后可以迅速恢复正常跟踪。 

为达到上述目的，本发明采取如下技术方案： 

基于卡尔曼滤波的四路信号锁相环其环路结构框图如图1所示，在传统的锁相环基础上，使用一个卡尔曼滤波器取代了环路滤波器，同时将参与环路跟踪的信号增加为四路，其中I、Q为常规锁相环的同向、正交支路，I2和Q2为与其相位间隔θ的支路。卡尔曼滤波器根据对I、Q、I2和Q2四路信号的处理，估计信号的相位、多普勒频率以及多普勒频率的变化量三个状态变量，并以此三个估计量综合控制本地NCO产生复现载波。【结合图1对本发明的环路结构进行详细说明，构成单元或部件、各单元和部件之间的连接关系。凡是图中的部件都要提及（名称、功能）基于卡尔曼滤波的四路信号锁相环其环路结构框图如图1所示。接收信号进入环路之前先要进行码剥离，通过使用本地复现的即时码与接收信号进行相关运算来实现。码剥离之后是载波剥离，常规的锁相环只有两路，即接收信号与载波NCO产生的两路载波进行相关运算得到I和Q支路，本发明增加了调相器，将载波NCO产生的两路载波调相θ后与接收信号相关得到I2和Q2支路，载波NCO和调相器是由卡尔曼滤波器反馈控制的。载波剥离之后是积分清零，通过一段时间的相干积分来实现。积分清零之后是鉴相器，本发明中使用的是二象限反正切鉴相器。最后的过程是卡尔曼滤波，状态方程得到当前时刻状态变量（信号的相位、多普勒频率以及多普勒频率的变化量）的先验估计，结合鉴相器对当前时刻一些变量的观测及其与估计量的误差，利用更新方程可以得到状态变量的后验估计，同时可以计算得到反馈量，用于控制载波NCO和调相器】

其中，卡尔曼滤波算法主要分为预测、测量、反馈和更新四部分，如图2所示。预测算法根据上一时刻测量和反馈结果获取环路状态和测量结果的先验估计；测量算法根据四路信号的鉴相结果对先验估计进行纠正；反馈算法根据估计和纠正结果生成控制量对载波NCO和数字调相器进行调整；更新算法是根据以上结果在环路状态方程中进行体现。

四路信号处理载波锁相环的卡尔曼滤波器在k+1时刻信号的滤波过程如下： 

预测：

                                                

更新：

                                       

完成滤波器更新后，由生成的控制量、和，对环路NCO进行控制，进入下一滤波周期。

本发明的这种四路信号处理的载波锁相环，使用卡尔曼滤波器根据对四路信号的处理，估计信号的三个状态变量，并以此三个估计量综合控制本地NCO产生复现载波。利用增加两路信号处理对载波锁相环跟踪结果的先验估计进行纠正，使环路可以在同时发生振幅衰落和相位跳变时保持跟踪，该方法在电离层闪烁下具有更强的鲁棒性，因此可以保证在持续中等强度和短时大强度的电离层闪烁发生时保持环路跟踪。 

附图说明

图1为本发明的构成框图； 

图2为本发明的算法流程图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。 

下面结合附图对示例性实施例的详细描述，本发明的优点和特点以及实现的方法可更容易地理解。卡尔曼滤波算法主要分为预测、测量、更新和反馈四部分，各部分的具体内容为： 

1、预测

载波锁相环工作的主要原理是估计接收信号载波与本地NCO（Numerical Controlling Oscillator）复现载波在k时刻的相位差，传统载波锁相环使用三阶环路滤波器消除因载体运动而带来的动态应力，实际上是对k时刻载波多普勒和载波多普勒变化率的估计，则可设滤波器k时刻的状态向量为：

                                              

滤波器的k时刻输入向量u _k 由控制NCO生成本地相应多普勒频率的载波的频率控制量和相位矫正量组成，即：

                                                

结合输入量，滤波器k+1时刻状态量的先验估计可由下列方程得到：

                                

式中，T为k+1时刻与k时刻的时间间隔，即环路的积分累加时间。 

其中，滤波器的状态转移矩阵A和输入关系矩阵B分别为： 

                                    

则卡尔曼滤波器的状态转移方程：

                                              

式中，为状态过程噪声，频率或相位跟踪中的过程噪声符合正态白噪声。且协方差为：

                                    

上式中q代表了频率的二阶变化率的抖动情况。

2、测量 

滤波器在k+1时刻对输入信号载波和本地载波的相位差进行观测得到测量值y _k+1。

                                            

式中的atan代表二象限反正切，也可使用其它科斯塔斯鉴相器代替。为k+1时刻的观测噪声。

测量前，可以计算先验估计： 

                  

代表了在积分累加时间T内，真实相位与本地复现载波相位误差的平均值。可得：

                            

化简后，得，则卡尔曼滤波器测量关系矩阵C为：

                                              

3、更新

用与的差值对先验估计进行修正，得到最后的卡尔曼滤波器更新方程：

                                   

式中：K矩阵为卡尔曼增益矩阵，由过程噪声和测量噪声的协方差共同决定。定义k+1时刻对状态向量真值先验估计和后验估计的均方误差分别为和：

                                    

则为：

                                      

4、反馈

状态向量完成更新后，要对三个反馈量、和进行更新【此处的更新为反馈算法，更新这三个变量（反馈给NCO和调相器）；而第3步的更新算法更新的是状态向量】

将该乘上一个增益系数G _k 作为k+1时刻主支路与次主路的相位间距，即：

                                                  

之所以要使用增益系数G _k 是因为θ _k 太小会影响电离层闪烁发生时对相位的修正，但G _k 的取值不能过大，因为这会造成次支路偏离真实相位过大，增加因相位失配造成的信噪比损失，影响测量准确性。

NCO的相位校正量由主支路和从支路的鉴相差值更新： 

                                

必须使NCO相位误差在仅考虑噪声的情况下趋于稳态，得到： 

              

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种四路信号处理的载波锁相环，其特征在于，使用一个卡尔曼滤波器取代了环路滤波器，并将参与环路跟踪的信号增加为四路，其中I、Q分别为常规锁相环的同向、正交支路；I2和Q2分别为与其相位间隔θ的支路；卡尔曼滤波器根据对I、Q、I2和Q2四路信号的处理，估计信号的相位、多普勒频率以及多普勒频率的变化量三个状态变量，并以此三个估计量综合控制本地NCO产生复现载波。

2.如权利要求1所述的四路信号处理的载波锁相环，其特征在于，所述的卡尔曼滤波器对信号的处理过程包括依次进行的预测、测量、更新和反馈四部分算法，其中：预测算法根据上一时刻测量和反馈结果获取环路状态和测量结果的先验估计；测量算法根据四路信号的鉴相结果对先验估计进行纠正；更新算法是根据以上结果在环路状态方程中进行体现；反馈算法根据估计和纠正结果生成控制量对载波NCO和数字调相器进行调整。

3.如权利要求2所述的四路信号处理的载波锁相环，其特征在于，所述的预测算法具体为：

滤波器k时刻的状态向量 为：

    

其中为复现载波在k时刻的相位差，为k时刻载波多普勒，为载波多普勒变化率的估计；

滤波器的k时刻输入向量为：

     

其中，为由控制NCO生成本地相应多普勒频率的载波的频率控制量，为相位矫正量；   

结合输入量，滤波器k+1时刻状态量的先验估计可由下列方程得到：

         

式中，T为k+1时刻与k时刻的时间间隔，即环路的积分累加时间； 

其中，滤波器的状态转移矩阵A和输入关系矩阵B分别为：

       

则卡尔曼滤波器的状态转移方程：

      

式中，为状态过程噪声，频率或相位跟踪中的过程噪声符合正态白噪声。

4.如权利要求2所述的四路信号处理的载波锁相环，其特征在于，所述的测量算法具体为：滤波器在k+1时刻对输入信号载波和本地载波的相位差进行观测得到测量值y _k+1：

       

式中的atan代表二象限反正切，也可使用其它科斯塔斯鉴相器代替；为k+1时刻的观测噪声。

5.如权利要求2所述的四路信号处理的载波锁相环，其特征在于，所述的更新算法具体为：

用与的差值对先验估计进行修正，得到最后的卡尔曼滤波器更新方程：

式中：K矩阵为卡尔曼增益矩阵，由过程噪声和测量噪声的协方差共同决定；定义k+1时刻对状态向量真值先验估计和后验估计的均方误差分别为和：

则为：

。

6.如权利要求2所述的四路信号处理的载波锁相环，其特征在于，所述的反馈算法具体为：

状态向量完成更新后，要对三个反馈量、和进行更新，将该乘上一个增益系数作为k+1时刻主支路与次主路的相位间距，即：

        

NCO的相位校正量由主支路和从支路的鉴相差值更新：

        

必须使NCO相位误差在仅考虑噪声的情况下趋于稳态，得到： 

    。