CN104765052B - 一种geo导航卫星高灵敏度载波跟踪方法 - Google Patents

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    • G01S19/24—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system
    • G01S19/29—Acquisition or tracking or demodulation of signals transmitted by the system carrier including Doppler, related

Abstract

针对BDS系统中GEO卫星播发的导航信号电文速率高，信号跟踪灵敏度受限的问题，本发明提出了一种GEO导航卫星高灵敏度载波跟踪方法，这是一种类似平方环的载波跟踪算法，通过对信号作平方处理，可进一步增加信号的积分时间，同时采用四象限相位鉴别器，提高鉴别器线性范围，该算法在提高信号跟踪灵敏度的同时还可以降低接收机的处理负担。分析和仿真表明，对GEO信号而言，在一定条件下，该方法可以跟踪24.5dBHz的信号，同时降低37％的计算量，可用于实际接收机的研发和设计中。

Description

一种GEO导航卫星高灵敏度载波跟踪方法
技术领域
本发明涉及导航接收机设备研制领域，具体的说是一种提高导航接收机载波跟踪灵敏度的方法，其可运用在卫星导航系统中接收终端类设备的研制中。
背景技术
卫星导航信号常常会面临城区，遮挡等情况，导致信号强度较低，因此高灵敏度信号跟踪成为导航信号接收的一个研究热点。北斗导航系统(BeiDou Navigation SatelliteSystem,BDS)中存在两种信息速率的导航电文，分别为50bps的D1电文(D1NAV Message)和500bps的D2(D2NAV Message)电文。其中D2导航电文由地球同步轨道(GeostationaryEarth Orbit,GEO)卫星播发，由于其信息速率较高，限制了信号接收时的相干积累时间，导致信号跟踪灵敏度相对较低。
目前传统的高灵敏度载波跟踪方法主要有两大类，一类是基于电文估计延长信号相干积累时间的方法，另一类是基于多信号联合矢量跟踪的方法。其中基于电文估计的方法虽然能够延长信号的相干积累时间，但是，随着信号强度的减弱，电文估计的误码率将会增大，在提高信号相干积累时间的同时，会引起能量损耗，并且在载波跟踪的同时进行电文估计会增加信号跟踪的复杂度，增加接收机的复杂性；信号矢量联合跟踪的方法虽然能够同时利用多颗卫星的能量进行接收机位置速度的跟踪，但是有文献表明该存在有偏估计的风险，可能导致较大的跟踪误差，并且其实现的复杂度相当复杂。
发明内容
背景技术中介绍的两种方法均不具备较高的工程实用价值，针对现有技术存在的缺陷，为此本发明针对BDS系统中的D2导航信号，提出了一种GEO导航卫星高灵敏度载波跟踪方法，具体的说是一种基于平方处理的载波跟踪方法。该方法需要对相关器输出的信号进行平方操作，通过平方处理可以延长信号的积累时间，并且采用性能更好的四象限鉴别器，提高信号载波相位跟踪的线性范围，从而提高信号的跟踪灵敏度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种GEO导航卫星高灵敏度载波跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤101，天线接收卫星播发的GNSS信号，包含GEO卫星信号；
步骤102，GNSS信号进入射频前端进行下变频，得到模拟中频信号；
步骤103，AD转换器将模拟中频信号转换为数字中频信号，数字中频信号表示为
其中A为信号幅度；d(t)为信号上调制的导航电文；c(t)为伪随机调制码；n(t)为带限白噪声，双边带功率谱密度为N0；
步骤104，数字中频信号通过数字信号处理器完成GEO导航卫星信号的载波跟踪，具体采用以下步骤:
步骤201，数字中频信号载波剥离，得到基带数字信号；
在解调的过程中因为相位关系得到两路相互正交的信号分别为和基带数字信号为具体为：
步骤202，对基带数字信号进行解扩和相干积累，主要通过接收机中本地复制的伪码信号和基带数字信号相乘获得，相干积累的过程为信号累加的过程；通过该步骤，能够获得解扩后的基带信号具体为
其中R(Δτ)为本地信号和基带接收信号相关累加产生的相关峰，当两者间的时间很小的时候有R(Δτ)＝1，为了简化分析，在这里设定R(Δτ)＝1条件成立。
步骤203，对解扩后的信号进行平方处理，剥离导航电文，并进行N次非相干后积累，得到非相干后积累的基带信号其中
其中k表示步骤202中第k次输出的相关值，k从1到N进行循环计数；
步骤204，利用四象限鉴别器对步骤203输出的信号进行鉴相处理，获得信号的相位误差估计值其具体公式为
其中系数1/2是用来消除平方处理对原始信号相位估计的影响；
步骤205，将相位误差估计值通过环路滤波器，进而调整本地载波NCO输出的载波频率，实现信号载波跟踪的一个完成流程。
本发明的有益技术效果是：
1、本发明的采用平方处理提高信号的非相干积累时间，并且消除导航信号上面的导航电文。
接收机接收全球导航系统中GEO卫星信号，进行模拟下变频得到模拟中频信号，数模转换后获得数字信号，可以表示为
其中A为信号幅度；d(t)为信号上调制的导航电文；c(t)为伪随机调制码；n(t)为带限白噪声，双边带功率谱密度为N0。
对该信号剥离载波，得到基带复信号，
信号信噪比记为SNRb，表达式为
其中2σ2为复噪声功率大小。
对上述信号进行伪码剥离，并进行相干积累，得到I、Q两路相关后的基带信号为：
对该信号进行平方处理，得到复平方后的信号为：
其中ns(t)平方后的噪声分量，包括单独噪声分量的平方分量和噪声和信号的乘积分量其方差为
故复平方后信号的信噪比为
对复平方信号进行N次积累，积累后信号的信噪比为SNRd
上述平方-积累环节产生增益的条件为SNRd>SNRb，即
N≥4+2/SNRb
通过上式可以得出最少的后积累次数。
2、采用四象限鉴别器，提高导航信号载波相位跟踪的线性范围。
传统跟踪算法中，由于导航电文未知，需采用二象限鉴别器。但本发明所给方法已经剥离了电文，因此可以采用性能更好的四象限鉴别器。
四象限鉴别器的鉴相公式为
其中鉴别器结果满足
下面将详细对比不同输入信噪比下二象限(Atan)和四象限(Atan2)鉴别器性能。
鉴别器增益G的定义如图3所示。以Atan鉴别器为例，定义归一化方差为
其中σAtan为热噪声引起的鉴别器输出抖动。
如图4所示通过比较二象限(Atan)和四象限(Atan2)鉴别器性能可以得出以下结论
在输入信噪比较大的情况下，二象限鉴别器的增益和四象限鉴别器的大致相同，但信噪比较低时，四象限的增益明显比二象限的大；
四象限和二象限鉴别器的线性范围均会随信噪比的变小而变小，但两者的比值大致保持为2倍左右；
四象限鉴别器的输出归一化噪声标准差整体比二象限鉴别器小。
综上所述四象限鉴别器的归一化噪声方差要小于二象限鉴别器，且其线性范围要也较大，在信号较弱的时候，尤其信噪比接近或低于0dB时优势较为明显，因此将其应用在弱信号跟踪的中可以发挥较好的性能。
附图说明
图1为接收机信号处理的基本流程结构图
图2为中频数字信号处理中的GEO信号载波跟踪算法流程图
图3为鉴别器线性范围和增益示意图
图4为比较Atan鉴别器和Atan2鉴别器的线性范围、增益和输出噪声方差
图5为对24.5dBHz的GEO卫星信号的跟踪结果示意图
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提出了一种结合平方运算和四象限鉴别器以提高GEO卫星信号载波跟踪灵敏度的方法。
如图1所示，GNSS接收机主要由天线、射频前端、AD转换器和中频数字处理器组成，图2为本实施例提供的高灵敏度GEO信号载波跟踪方法流程图，包含在接收机的中频数字处理器中。
步骤101，天线接收卫星播发的GNSS信号，包含GEO卫星信号。
步骤102，GNSS信号进入射频前端进行下变频，得到模拟中频信号。
步骤103，AD转换器将模拟中频信号转换为数字中频信号，数字中频信号可以表示为
其中A为信号幅度；d(t)为信号上调制的导航电文；c(t)为伪随机调制码；n(t)为带限白噪声，双边带功率谱密度为N0。
步骤104，数字中频信号通过数字信号处理器完成信号的跟踪解调测量等，本实施例主要关注GEO卫星信号的载波跟踪环节。
步骤201，数字中频信号载波剥离，得到基带数字信号。在解调的过程中因为相位关系得到两路相互正交的信号分别为和基带数字信号为具体为：
步骤202，对基带数字信号进行解扩和相干积累，主要通过接收机中本地复制的伪码信号和基带数字信号相乘获得，相干积累的过程为信号累加的过程。通过该步骤，可以获得解扩后的基带信号具体为
其中R(Δτ)为本地信号和基带接收信号相关累加产生的相关峰，当两者间的时间很小的时候有R(Δτ)＝1，为了简化分析，在此设定R(Δτ)＝1条件成立。
步骤203，对解扩后的信号进行平方处理，剥离导航电文，并进行N次非相干后积累，得到非相干后积累的基带信号其中
其中k表示步骤202中第k次输出的相关值，k从1到N进行循环计数。
步骤204，利用四象限鉴别器对步骤203输出的信号进行鉴相处理，可以获得信号的相位误差估计值其具体公式为
其中系数1/2是用来消除平方处理对原始信号相位估计的影响。
步骤205，将相位误差估计值通过环路滤波器，进而调整本地载波NCO输出的载波频率，实现信号载波跟踪的一个完成流程。环路滤波器采用传统的二阶或三节滤波器即可。
图5为本实施例对24.5dBHz的GEO卫星信号的跟踪结果，其中信号伪距动态采用v＝300m/s，a＝10m/s2的正弦模型，在环路带宽为5Hz，后积累次数为10次。上述仿真结果表明在载噪比为24.5dBHz时，采用上述方法可以稳定跟踪信号的多普勒，但此时载波相位已经出现了较大概率的周跳。对于导航型接收机而言，在已经获得卫星电文的情况下，跟踪载波的周跳是允许的。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (1)

1.一种GEO导航卫星高灵敏度载波跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤101，天线接收卫星播发的GNSS信号，包含GEO卫星信号；
步骤102，GNSS信号进入射频前端进行下变频，得到模拟中频信号；
步骤103，AD转换器将模拟中频信号转换为数字中频信号，数字中频信号表示为
其中A为信号幅度；d(t)为信号上调制的导航电文；c(t)为伪随机调制码；n(t)为带限白噪声，双边带功率谱密度为N0；
步骤104，数字中频信号通过数字信号处理器完成GEO导航卫星信号的载波跟踪，具体采用以下步骤:
步骤201，数字中频信号载波剥离，得到基带数字信号；
在解调的过程中因为相位关系得到两路相互正交的信号分别为和基带数字信号为具体为：
步骤202，对基带数字信号进行解扩和相干积累，主要通过接收机中本地复制的伪码信号和基带数字信号相乘获得，相干积累的过程为信号累加的过程；通过该步骤，能够获得解扩后的基带信号具体为
其中R(Δτ)为本地信号和基带接收信号相关累加产生的相关峰，当两者间的时间很小的时候有R(Δτ)＝1，在这里设定R(Δτ)＝1条件成立；
步骤203，对解扩后的信号进行平方处理，剥离导航电文，并进行N次非相干后积累，得到非相干后积累的基带信号其中
其中k表示步骤202中第k次输出的相关值，k从1到N进行循环计数；
步骤204，利用四象限鉴别器对步骤203输出的信号进行鉴相处理，获得信号的相位误差估计值其具体公式为
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