CN104849735A - 一种组合导航接收机的频率假锁检测装置和方法 - Google Patents

一种组合导航接收机的频率假锁检测装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种组合导航接收机的频率假锁检测装置和方法。频率假锁检测装置包括积分模块、载噪比计算模块和假锁检测模块。频率假锁检测方法包括积分步骤、载噪比计算步骤和假锁检测步骤。本发明通过利用宽带信号功率和窄带信号功率的比值与噪声基底功率的比较，避免了载噪比的计算，结构简单、高效，更适合硬件实现。它通过计算宽带信号载噪比和窄带信号载噪比的差异检测频率假锁，与跟踪环路独立运行，既不影响跟踪环路，也不受跟踪环路参数影响。

Description

一种组合导航接收机的频率假锁检测装置和方法
技术领域
本发明涉及频率假锁检测装置和方法，尤其涉及一种组合导航接收机的频率假锁检测装置和方法。
背景技术
组合导航接收机使用卫星导航和惯性导航相组合的方式，卫星导航接收机利用锁频环(FLL)或锁相环(PLL)跟踪输入信号的载波频率，使接收机本地载波与输入信号载波频率相同，从而实现载波信号的剥离，得到基带信号。
如1图所示，输入信号101是经过卫星导航接收机天线、射频放大、下变频、量化后输出的数字中频信号，本地载波产生器102生成本地中频载波同相信号、正交信号，分别与输入信号101进行混频后，得到的两路基带信号再分别与本地码产生器103产生的本地扩频码相乘，从而实现解扩，得到I、Q两路解扩后的信号104a和104b。再经过Tcoh时间的积分，分别得到I、Q两路相干积分信号105a和105b。
鉴相器/鉴频器模块106对相干积分信号105a和105b进行鉴频鉴相，得到本地载波和输入信号的频率偏差和相位偏差。经过环路滤波器107后反馈并调整本地载波102和本地码103的频率和相位，最终实现本地载波和输入信号频率的同步。
鉴相器/鉴频器模块106对相干积分信号105a和105b进行鉴频鉴相，得到本地载波和输入信号的频率偏差和相位偏差。经过环路滤波器107后反馈并调整本地载波102和本地码103的频率和相位，最终实现本地载波和输入信号101频率的同步。
由于初始频率误差、鉴频器(鉴相器)特性、环路参数等因素的影响，FLL或PLL有可能产生错误的控制，使本地载波频率与输入信号频率不同，但环路却处于一种稳定状态，此时称为环路的假锁或错锁。当接收机发生频率假锁时，卫星信号测量值的误差增大，接收机的定位精度下降。同时由于本地载波频率并不是输入信号的真正的频率，会得到错误的卫星多普勒测量值，最终导致用户速度计算的错误。
大部分假锁发生在输入信号频率的旁瓣处，这是因为输入信号功率谱为sinc函数型，其旁瓣也具有一定的能量。当本地载波频率靠近输入信号的旁瓣时，如果鉴频器的鉴别范围不够大，那么跟踪环路可能会旁瓣处的频率保持锁定。
通过加大锁频环或锁相环的环路带宽，可以检测到频率假锁，但是过大的环路带宽会降低环路的跟踪灵敏度。另外，频率假锁可能发生在第二或更远的旁瓣时，环路的带宽无法增加这么大。
通过定位定速之后，预测卫星的多普勒与跟踪环路的锁定频率比较，也可以检测频率假锁。但该方法只能在定位定速实现之后才可使用，另外该方法反应滞后，当检测到频率假锁时，该卫星已经对定位定速造成影响。
专利《卫星定位接收机及其载波跟踪环路假锁检测方法》(申请号：201310198814.6)考察一段时间内的锁相/频环的鉴相/频器输出平均值，与门限比较后判断是否假锁。该方法只能在假锁发生时刻有作用，当环路稳定后鉴相/频器的误差并不会表现出较大的偏差，该方法失效。另外，对于超过锁相/频范围的假锁频率偏差，上述方法也无法辨别，对于弱信号下的检测也无能为力。
由于输入信号的能量主要集中在主瓣处，旁瓣只有很小的能量，所以当卫星导航接收机环路假锁在旁瓣处时，接收机处理信号的载噪比会有明显的下降，利用该特点可实现频率假锁的检测。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种组合导航接收机中频率假锁检测装置和方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、实时高效的卫星导航接收机中频率假锁错锁检测装置和方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种组合导航接收机的频率假锁检测装置，包括：
积分模块，所述积分模块由同相宽带积分器、正交宽带积分器、同相窄带积分器和正交窄带积分器组成；所述同相宽带积分器与正交宽带积分器分别积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I和正交解扩信号Q，输出同相宽带积分信号Ip(n)和正交宽带积分信号In(n)，积分时长与所述组合导航接收机积分时长相等；所述同相窄带积分器与正交窄带积分器分别积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I和正交解扩信号Q，输出同相窄带积分信号Qp(n)和正交窄带积分信号Qn(n)，所述积分时长小于所述组合导航接收机的积分时长。
在本发明的较佳实施方式中，还包括：
宽带载噪比计算模块，接收同相宽带积分信号Ip(n)和正交宽带积分信号In(n)，计算输出宽带载噪比CN0_1；
窄带载噪比计算模块，接收同相窄带积分信号Qp(n)和正交窄带积分信号Qn(n)，计算输出窄带载噪比CN0_2；
检测模块304，如果所述宽带载噪比CN0_1与窄带载噪比CN0_2的差大于所述组合导航接收机的载噪比差距，输出假锁标志109。
在本发明的另一较佳实施方式中，还包括：
宽带功率计算单元；所述宽带功率计算单元由宽带幅度计算模块和宽带累加模块组成；所述同相宽带积分信号和正交宽带积分信号依次通过宽带幅度计算模块和宽带累加器处理获取宽带功率信号；
窄带功率计算单元；所述窄带功率计算单元由窄带幅度计算模块和窄带累加模块组成；所述同相窄带积分信号和正交窄带积分信号依次通过窄带幅度计算模块和窄带累加器处理获取窄带功率；
噪声功率计算单元；所述噪声功率计算单元由噪声幅度计算模块和噪声累加模块组成；所述同相解扩噪声和正交解扩噪声依次通过噪声幅度计算模块和噪声累加器处理获取噪声功率；
检测模块408，满足宽带通道功率-a*窄带通道功率≥b*噪声通道功率时，输出假锁标志109，系数a和b由所述组合导航接收机的载噪比差距确定。
本发明还提供了一种用于所述检测装置的组合导航接收机的频率假锁检测方法,包括积分步骤：
分别用同相宽带积分器和同相窄带积分器积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I，获取同相宽带积分信号Ip(n)和同相宽带积分信号In(n)；积分时长等于所述组合导航接收机的积分时长；
分别用正交宽带积分器、和正交窄带积分器积分所述组合导航接收机的正交解扩信号Q，获取同相窄带积分信号Qp(n)和同相窄带积分信号Qn(n)，积分时长小于所述组合导航接收机的积分时长；。
在本发明的较佳实施方式中，还包括：
宽带载噪比计算步骤：由同相宽带积分信号Ip(n)和同相宽带积分信号In(n)计算宽带载噪比CN0_1；计算
窄带载噪比计算步骤：由同相窄带积分信号Qp(n)和同相窄带积分信号Qn(n)计算窄带载噪比CN0_2；
假锁检测步骤：如果所述宽带载噪比CN0_1与窄带载噪比CN0_2的差大于所述组合导航接收机的载噪比差距，输出假锁标志109。
所述宽带载噪比步骤和窄带载噪比计算步骤中采用VSM方法或窄带宽带功率比(NWPR)方法计算宽带载噪比CN0_1和窄带载噪比CN0_2。
在本发明的另一较佳实施方式中，还包括：
宽带功率计算步骤；由同相宽带积分信号Ip(n)和同相宽带积分信号In(n)提取宽带信号的幅度，再进行非相干累加，求取宽带功率；
窄带功率计算步骤；由同相窄带积分信号Qp(n)和同相窄带积分信号Qn(n)提取宽窄信号的幅度，再进行非相干累加，求取窄带功率；
噪声功率计算步骤；由同相解扩噪声和正交解扩噪声提取噪声幅度，再进行非相干累加，求取噪声功率；
假锁检测步骤：满足宽带通道功率-a*窄带通道功率≥b*噪声通道功率时，输出假锁标志109，系数a和b由所述组合导航接收机的载噪比差距确定。
本发明的有益效果在于：
1、本发明通过计算宽带信号载噪比和窄带信号载噪比的差异检测频率假锁，与跟踪环路独立运行，既不影响跟踪环路，也不受跟踪环路参数影响。
2、本发明通过利用宽带信号功率和窄带信号功率的比值与噪声基底功率的比较，避免了载噪比的计算，结构简单、高效，更适合硬件实现。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是应用本发明的卫星导航接收机载波跟踪环路原理框图；
图2是窄带、宽带信号频率误差损耗图；
图3是本发明实施例1的原理框图；
图4是本发明实施例2的原理框图。
具体实施方式
实施例1：
如图3所示，一种组合导航接收机的频率假锁检测装置，包括：
积分模块，所述积分模块由同相宽带积分器、正交宽带积分器、同相窄带积分器和正交窄带积分器组成；所述同相宽带积分器与正交宽带积分器分别积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I和正交解扩信号Q，输出同相宽带积分信号Ip(n)和正交宽带积分信号In(n)，积分时长与所述组合导航接收机积分时长相等；所述同相窄带积分器与正交窄带积分器分别积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I和正交解扩信号Q，输出同相窄带积分信号Qp(n)和正交窄带积分信号Qn(n)，所述积分时长小于所述组合导航接收机的积分时长。
宽带载噪比计算模块，接收同相宽带积分信号Ip(n)和正交宽带积分信号In(n)，计算输出宽带载噪比CN0_1；
窄带载噪比计算模块，接收同相窄带积分信号Qp(n)和正交窄带积分信号Qn(n)，计算输出窄带载噪比CN0_2；
检测模块304，如果所述宽带载噪比CN0_1与窄带载噪比CN0_2的差大于所述组合导航接收机的载噪比差距，输出假锁标志109。
实施例2：
如图4所示，
一种组合导航接收机的频率假锁检测装置，包括：
积分模块，所述积分模块由同相宽带积分器、正交宽带积分器、同相窄带积分器和正交窄带积分器组成；所述同相宽带积分器与正交宽带积分器分别积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I和正交解扩信号Q，输出同相宽带积分信号Ip(n)和正交宽带积分信号In(n)，积分时长与所述组合导航接收机积分时长相等；所述同相窄带积分器与正交窄带积分器分别积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I和正交解扩信号Q，输出同相窄带积分信号Qp(n)和正交窄带积分信号Qn(n)，所述积分时长小于所述组合导航接收机的积分时长。
宽带功率计算单元；所述宽带功率计算单元由宽带幅度计算模块和宽带累加模块组成；所述同相宽带积分信号和正交宽带积分信号依次通过宽带幅度计算模块和宽带累加器处理获取宽带功率信号；
窄带功率计算单元；所述窄带功率计算单元由窄带幅度计算模块和窄带累加模块组成；所述同相窄带积分信号和正交窄带积分信号依次通过窄带幅度计算模块和窄带累加器处理获取窄带功率；
噪声功率计算单元；所述噪声功率计算单元由噪声幅度计算模块和噪声累加模块组成；所述同相解扩噪声和正交解扩噪声依次通过噪声幅度计算模块和噪声累加器处理获取噪声功率；
检测模块408，满足宽带通道功率-a*窄带通道功率≥b*噪声通道功率时，输出假锁标志109，系数a和b由所述组合导航接收机的载噪比差距确定。
实施例3：
一种用于所述检测装置的组合导航接收机的频率假锁检测方法,包括积分步骤：
分别用同相宽带积分器和同相窄带积分器积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I，获取同相宽带积分信号Ip(n)和同相宽带积分信号In(n)；积分时长等于所述组合导航接收机的积分时长；
分别用正交宽带积分器和正交窄带积分器积分所述组合导航接收机的正交解扩信号Q，获取同相窄带积分信号Qp(n)和同相窄带积分信号Qn(n)，积分时长小于所述组合导航接收机的积分时长；。
宽带载噪比计算步骤：由同相宽带积分信号Ip(n)和正交宽带积分信号Qp(n)计算宽带载噪比CN0_1；计算
窄带载噪比计算步骤：由同相窄带积分信号In(n)和正交窄带积分信号Qn(n)计算窄带载噪比CN0_2；
假锁检测步骤：如果所述宽带载噪比CN0_1与窄带载噪比CN0_2的差大于阈值，输出假锁标志109。
所述宽带载噪比步骤和窄带载噪比计算步骤中采用VSM方法或窄带宽带功率比(NWPR)方法计算宽带载噪比CN0_1和窄带载噪比CN0_2。
同相宽带积分信号Ip(n)、同相宽带积分信号In(n)、同相窄带积分信号Qp(n)和同相窄带积分信号Qn(n)的长度相等，均为M，VSM计算载噪比C/N0的方法如下：
C / N 0 = 10 log ( 1 T coh ( M M + 2 Z - 1 ) )
其中：Tcoh为积分时间。
在本实施例中，正交宽带积分器和同相宽带积分器的积分时间均为0.001s，同相正交积分器和正交窄带积分的积分时间均为0.02s。阈值为13dB。
如果CN0_1-CN0_2>13dB，频率假锁标志109为真，假锁；
如果CN0_1–CN0_2<13dB，频率假锁标志109为假，未假锁。
实施例4：
一种用于所述检测装置的组合导航接收机的频率假锁检测方法,包括积分步骤：
分别用同相宽带积分器和同相窄带积分器积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I，获取同相宽带积分信号Ip(n)和同相宽带积分信号In(n)；积分时长等于所述组合导航接收机的积分时长；
分别用正交宽带积分器、和正交窄带积分器积分所述组合导航接收机的正交解扩信号Q，获取同相窄带积分信号Qp(n)和同相窄带积分信号Qn(n)，积分时长小于所述组合导航接收机的积分时长；。
宽带功率计算步骤；由同相宽带积分信号Ip(n)和同相宽带积分信号In(n)提取宽带信号的幅度，再进行非相干累加，求取宽带功率；
窄带功率计算步骤；由同相窄带积分信号Qp(n)和同相窄带积分信号Qn(n)提取宽窄信号的幅度，再进行非相干累加，求取窄带功率；
噪声功率计算步骤；由同相解扩噪声和正交解扩噪声提取噪声幅度，再进行非相干累加，求取噪声功率；
假锁检测步骤：满足宽带通道功率-a*窄带通道功率≥b*噪声通道功率时，输出假锁标志109，系数a和b由所述组合导航接收机的载噪比差距确定。
提取宽带信号幅度A的方法为：
A = I P 2 ( n ) + Q P 2 ( n ) / R ( &tau; ) | sin c ( f e T ) |
式中，τ表示本地扩频码103和输入信号101扩频码的相位差，fe表示本地载波102和输入信号101频率的差，T表示积分时间。
提取宽带信号幅度的方法类似。
在本实施例中，输入信号为GPS系统L1的C/A码信号，同相宽带积分器和正交宽带积分器的积分时间均为0.001s，累加次数为1000次；同相窄宽带积分器和正交窄带积分器的积分时间均为0.02s，累加次数为50次；组合导航接收机的载噪比差距Δ＝10dB，a＝0.5，b＝0.5。
如图1所示,本实施例108与上述卫星导航接收机中的跟踪环路独立运行，以解扩后的信号104a和104b作为输入，计算后输出频率假锁标志109。窄带信号的第一旁瓣如图2所示，当本地载波与输入信号101频率偏差为75Hz时，窄带信号的频率误差损耗值为0.2122(-13.46dB)，而此时宽带信号的频率误差损耗值为0.9908(-0.08dB)，则宽带信号比窄带信号能量高13.38dB。根据上述原理，计算窄带信号功率和宽带信号功率的差值可判断信号频率的偏差，从而指示频率假锁是否发生。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种组合导航接收机的频率假锁检测装置,其特征在于，包括
积分模块，所述积分模块由同相宽带积分器、正交宽带积分器、同相窄带积分器和正交窄带积分器组成；所述同相宽带积分器与所述正交宽带积分器分别积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I和正交解扩信号Q，输出同相宽带积分信号Ip(n)和正交宽带积分信号In(n)，积分时长与所述组合导航接收机积分时长相等；所述同相窄带积分器与所述正交窄带积分器分别积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I和正交解扩信号Q，输出同相窄带积分信号Qp(n)和正交窄带积分信号Qn(n)，所述积分时长小于所述组合导航接收机的积分时长。
2.根据权利要求1所述的组合导航接收机的频率假锁检测装置,其特征在于，还包括：
宽带载噪比计算模块，接收同相宽带积分信号Ip(n)和正交宽带积分信号In(n)，计算输出宽带载噪比CN0_1；
窄带载噪比计算模块，接收同相窄带积分信号Qp(n)和正交窄带积分信号Qn(n)，计算输出窄带载噪比CN0_2；
检测模块(304)，如果所述宽带载噪比CN0_1与窄带载噪比CN0_2的差大于所述组合导航接收机的载噪比差距，输出假锁标志(109)。
3.根据权利要求1所述的组合导航接收机的频率假锁检测装置,其特征在于，还包括：
宽带功率计算单元；所述宽带功率计算单元由宽带幅度计算模块和宽带累加模块组成；所述同相宽带积分信号和正交宽带积分信号依次通过宽带幅度计算模块和宽带累加器处理获取宽带功率信号；
窄带功率计算单元；所述窄带功率计算单元由窄带幅度计算模块和窄带累加模块组成；所述同相窄带积分信号和正交窄带积分信号依次通过窄带幅度计算模块和窄带累加器处理获取窄带功率；
噪声功率计算单元；所述噪声功率计算单元由噪声幅度计算模块和噪声累加模块组成；所述同相解扩噪声和正交解扩噪声依次通过噪声幅度计算模块和噪声累加器处理获取噪声功率；
检测模块(408)，满足宽带通道功率-a*窄带通道功率≥b*噪声通道功率时，输出假锁标志(109)，系数a和b由所述组合导航接收机的载噪比差距确定。
4.一种用于权利要求1所述检测装置的组合导航接收机的频率假锁检测方法,其特征在于，包括积分步骤：
分别用同相宽带积分器和同相窄带积分器积分所述组合导航接收机的同相解扩信号I，获取同相宽带积分信号Ip(n)和同相宽带积分信号In(n)；积分时长等于所述组合导航接收机的积分时长；
分别用正交宽带积分器、和正交窄带积分器积分所述组合导航接收机的正交解扩信号Q，获取同相窄带积分信号Qp(n)和同相窄带积分信号Qn(n)；积分时长小于所述组合导航接收机的积分时长。
5.基于权利要求4所述的组合导航接收机的频率假锁检测方法,其特征在于，还包括：
宽带载噪比计算步骤：由同相宽带积分信号Ip(n)和同相宽带积分信号In(n)计算宽带载噪比CN0_1；计算
窄带载噪比计算步骤：由同相窄带积分信号Qp(n)和同相窄带积分信号Qn(n)计算窄带载噪比CN0_2；
假锁检测步骤：如果所述宽带载噪比CN0_1与窄带载噪比CN0_2的差大于所述组合导航接收机的载噪比差距，输出假锁标志(109)。
6.基于权利要求5所述的组合导航接收机的频率假锁检测方法,其特征在于，所述宽带载噪比步骤和窄带载噪比计算步骤中采用VSM方法或窄带宽带功率比方法计算宽带载噪比CN0_1和窄带载噪比CN0_2。
7.基于权利要求4所述的组合导航接收机的频率假锁检测方法,其特征在于，还包括：
宽带功率计算步骤；由同相宽带积分信号Ip(n)和同相宽带积分信号In(n)提取宽带信号的幅度，再进行非相干累加，求取宽带功率；
窄带功率计算步骤；由同相窄带积分信号Qp(n)和同相窄带积分信号Qn(n)提取宽窄信号的幅度，再进行非相干累加，求取窄带功率；
噪声功率计算步骤；由同相解扩噪声和正交解扩噪声提取噪声幅度，再进行非相干累加，求取噪声功率；
假锁检测步骤：满足宽带通道功率-a*窄带通道功率≥b*噪声通道功率时，输出假锁标志(109)，系数a和b由所述组合导航接收机的载噪比差距确定。
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