CN105223592B - 一种高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置 - Google Patents

一种高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置，包括鉴别器：用于生成剥离伪码后的接收信号与本地复现载波信号的相位差或频率差，并将所述相位或频率差送入环路滤波器；环路滤波器：根据所述鉴别器的输出生成对接收信号速度和加速度的估计值；数控振荡器：根据所述环路滤波器的输出得到本地复现载波信号的频率，并生成本地复现载波信号输入鉴别器；开环加速度估计器：用于估计接收信号的多普勒频率变化率，并将所述多普勒频率变化率赋值给环路滤波器。本发明环路跟踪高动态信号的能力强，能有效提高环路性能，且当接收信号存在几十g、甚至上百g的加速度，或接收信号动态变化很大时，也能跟踪接收信号。

Description

一种高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置
技术领域
本发明涉及一种高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置。
背景技术
目前的高动态接收机方案中，主要通过优化环路参数和改变鉴别器结构两种途径实现高动态信号的跟踪。优化环路参数的方法一般通过使用较大的环路带宽提高环路的动态性能；改变鉴别器结构的方法一般通过增大鉴别器的牵引范围、采用鉴频器代替鉴相器等方法提高环路动态性能。上述两类方法可以在一定程度上提高环路跟踪高动态信号的能力，但当接收信号存在几十g、甚至上百g的加速度，或接收信号动态变化很大(如，短时间内加速度突然增大或减小)时，很难跟踪接收信号。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置，包括载波跟踪环和开环加速度估计器；
所述载波环包括：
鉴别器：用于生成剥离伪码后的接收信号与本地复现载波信号的相位差或频率差，并将所述相位或频率差送入环路滤波器；
环路滤波器：根据所述鉴别器的输出生成对接收信号速度和加速度的估计值；
数控振荡器：根据所述环路滤波器的输出得到本地复现载波信号的频率，并生成本地复现载波信号输入鉴别器；
开环加速度估计器：用于估计接收信号延时T1后的多普勒频率和接收信号的多普勒频率变化率，并将所述多普勒频率和多普勒频率变化率赋值给载波环的环路滤波器。
所述环路滤波器包括加速度估计积分器、速度估计积分器和比例支路；所述鉴别器的输出乘以系数K3，作为加速度估计积分器的输入；所述鉴别器的输出乘以系数K1后作为比例支路的输入；鉴别器输出值乘以系数K2，然后与加速度估计积分器的输出相加，得到的和值作为速度估计积分器的输入；速度估计积分器的输出和比例支路的输出相加后的和值，作为数控振荡器的输入；数控振荡器的输出送入所述鉴别器。
所述开环加速度估计器包括上侧支路和下侧支路；所述上侧支路和下侧支路结构相同；所述上侧支路计算当前接收信号的多普勒频率f2，下侧支路计算t1-T1时刻接收信号的多普勒频率f1。
所述上侧支路具体计算流程包括：
1)时长Ts的积分清零器对接收信号进行长度为Ts的积分操作，完成一次积分后积分器清零并开始下一次积分运算，每完成一次积分输出一个积分值；
2)时长Ts的积分清零器的输出作为N点存储器的输入，N点存储器存储完N点积分值后，将所述N点积分值并行输入L点FFT运算模块，L的值大于或等于N，且L的值为2的幂次；
3)L点FFT运算模块对N点积分值进行傅里叶变换，当N小于L时，在N点积分值后面补L-N个零，以使得L点FFT运算模块的输入为L点；
4)完成傅里叶变换后，对傅里叶变换结果取包络并搜索包络的最大值及该最大值的位置；
5)根据包络最大值的位置计算多普勒频率f2。
所述下侧支路具体计算流程包括：
1)将接收信号延时T1，时长Ts的积分清零器对延时T1后的接收信号进行长度为Ts的积分操作，完成一次积分后积分器清零并开始下一次积分运算，每完成一次积分输出一个积分值；
2)时长Ts的积分清零器的输出作为N点存储器的输入，N点存储器存储完N点积分值后，将所述N点积分值并行输入L点FFT运算模块，L的值大于或等于N，且L的值为2的幂次；
3)L点FFT运算模块对N点积分值进行傅里叶变换，当N小于L时，在N点积分值后面补L-N个零，以使得L点FFT运算模块的输入为L点；
4)完成傅里叶变换后，对傅里叶变换结果取包络并搜索包络的最大值及该最大值的位置；
5)根据包络最大值的位置计算多普勒频率f1。
接收信号的多普勒频率变化率a计算公式为：a＝(f2-f1)/T1。
所述多普勒频率变化率a赋值给所述加速度估计积分器，所述多普勒频率f2赋值给所述速度估计积分器。
在引导阶段，所述载波环不工作，开环加速度估计器独立工作；在跟踪阶段，所述载波环和开环加速度估计器分别独立工作，每经过时间间隔T2后，分别提取开环加速度估计器得到的多普勒频率变化率a和载波环加速度估计积分器估计的频率变化率a1，并对两者做差，若差值大于门限Th，则用多普勒频率变化率a和多普勒频率f2分别初始化载波环的加速度估计积分器和速度估计积分器；若差值小于等于门限，则载波环继续独立运行。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明捕获和引导阶段，通过FFT估计接收信号加速度，实现高动态下的GNSS信号捕获与引导；在跟踪阶段，通过FFT开环估计接收信号加速度，当载波环估计的加速度与FFT开环估计的加速度之差超过门限时，将FFT开环估计的加速度累加至环路的加速度估计器，本发明环路跟踪高动态信号的能力强，能有效提高环路性能，且当接收信号存在几十g、甚至上百g的的加速度，或接收信号动态变化很大时，也能跟踪接收信号。
附图说明
图1为本发明一实施例引导阶段环路原理图；
图2为本发明一实施例开环加速度估计器结构图；
图3为本发明一实施例跟踪阶段载波环原理图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种能够在复杂动态条件下捕获、跟踪卫星导航信号的基带处理装置，主要用于完成导航信号捕获之后的引导和跟踪阶段。捕获成功后，环路首先进入引导阶段。该阶段主要进行多普勒频率精捕获和环路的初始化(包括环路速度积分器的初始化和加速度积分器的初始化)。频率的精捕获通过对剥离伪码和粗捕获频率后的接收信号做FFT实现。为了得到频率变化率的估计(加速度)，需要对相隔一段时间的两段信号分别进行频率精捕获，通过两次精捕获的频率差估计接收信号的频率变化率。得出的频率变化率对载波环的加速度估计积分器进行初始化，第二次频率精捕获结果对载波环的速度估计积分器进行初始化。
本发明提供的引导阶段环路结构如图1所示，包括两部分，即载波跟踪环和开环加速度估计器。引导阶段载波环不工作，只启动开环加速度估计器。图1中的载波跟踪环包括鉴别器、环路滤波器和数控振荡器(NCO)三部分。鉴别器生成接收信号(此处及以后所指的接收信号，均为剥离伪码后的信号)与本地复现载波信号的相位或频率差；鉴别器的输出送入环路滤波器，环路滤波器根据鉴别器的输出结果生成对接收信号速度和加速度的估计；NCO根据环路滤波器的输出得到本地复现载波信号的频率，并生成本地复现载波信号输入鉴别器。环路滤波器包括加速度估计积分器、速度估计积分器和比例支路三部分，环路滤波器中的系数T为载波环的预检测积分时间，K1、K2、K3为环路滤波器系数，上述系数根据环路带宽及其他环路相关指标确定(如环路带宽Bn为30Hz时，K1＝2.4×Bn/0.7845＝91.78，K2＝1.1×Bn×Bn/0.61544＝1608.6，K3＝Bn×Bn×Bn/0.482813＝55922.3)。鉴别器的输出乘以系数K3和K1后，分别作为加速度估计积分器和比例支路的输入；鉴别器输出值乘以K2和加速度估计积分器的输出相加，得到的和值作为速度估计积分器的输入；速度估计积分器的输出和比例支路的输出相加后的和值，为数控振荡器的输入；数控振荡器的输出送入鉴别器。
开环加速度估计器的结构如图2所示，包含两个支路，上侧支路计算当前信号的多普勒频率f2(为了便于描述，当前时刻记为t1)，下侧支路计算t1-T1时刻信号的多普勒频率，两个支路的结构相同。下面只给出上侧支路详细运算流程如下：
1)时长Ts的积分清零器对接收信号进行长度为Ts的积分操作，完成一次积分后积分器清零并开始下一次积分运算，每完成一次积分输出一个积分值；
2)时长Ts的积分清零器的输出作为N点存储器的输入，N点存储器存储完N点积分值后并行输入L点FFT运算模块，L的值大于等于N且为2的幂次；
3)L点FFT计算N点积分值的傅里叶变换，当N小于L时，在N点积分值后面补L-N个零，以使得FFT的输入为L点；
4)完成FFT运算后，由搜索包络最大值模块对FFT结果取包络并搜索包络的最大值及其位置；
5)根据包络最大值的位置计算多普勒频率f2。
相关积分的长度Ts根据接收机捕获指标确定(动态指标要求越高，Ts值越小)，两次FFT使用的输入数据的起始时间间隔为T1(T1的值需要在加速度估计精度和加速度估计范围之间折中，T1越小加速度估计范围越大，加速度估计精度越差)，每次FFT的输入点数为N(N的值需要在加速度估计精度和加速度估计范围之间折中，N越小加速度估计范围越大，加速度估计精度越差)，输出点数为L，L大于等于N且为2的幂次，L大于N时需要在输入的N点数据后面补零，使输入点数为L。两次FFT估计出的两个多普勒频率分别记为f1和f2，多普勒频率变化率的计算表达式为(f2-f1)/T1。开环加速度估计器得到的多普勒频率变化率赋值给图1中载波环的加速度估计积分器，得到的多普勒频率f2赋值给图1中载波环的速度估计积分器。
引导阶段结束后，环路进入跟踪阶段，载波环在这个阶段开始工作，与传统环路相比，本发明设计的跟踪环路增加了一个开环加速度估计器，其原理如图3所示(载波环各个模块的功能与图1相同；图3与图1的不同之处在于：图1为引导阶段，主要任务是初始化载波跟踪环，因此图1中只启动开环加速度估计器，载波跟踪环不工作；图3为跟踪阶段，载波跟踪环和开环加速度估计器分别独立工作)，载波环和开环加速度估计器分别独立工作，每经过时间间隔T2后，分别提取开环加速度估计器得到的频率变化率a和载波环加速度估计积分器估计的频率变化率a1，并对两者做差，若差值大于门限Th，则说明当前的接收信号动态超过了载波跟踪环的动态容忍能力，需要用开环加速度估计器输出的a和f2分别初始化载波环的加速度估计积分器和速度估计积分器；若差值小于等于门限，则说明当前的接收信号动态在载波跟踪环动态容忍能力范围内，载波跟踪环继续独立运行。门限Th的值根据环路能够容忍的加速度误差确定(如接收信号在短时间内加速度发生突变，导致接收信号的实际加速度与载波环估计的加速度相差2g(g为重力加速度)时，环路能够自行收敛，当加速度误差大于2g时，环路容易失锁，则门限Th可设置为2g加速度对应的多普勒频率变化率)。T2的值由接收机的动态指标确定，T2的值越小，载波环适应复杂信号动态的能力越强，但开环加速度估计器估计的精度也越低。

Claims (5)

1.一种高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置，其特征在于，包括载波跟踪环和开环加速度估计器；
所述载波环包括：
鉴别器：用于生成剥离伪码后的接收信号与本地复现载波信号的相位差或频率差，并将所述相位差或频率差送入环路滤波器；
环路滤波器：根据所述鉴别器的输出生成对接收信号速度和加速度的估计值；所述环路滤波器包括加速度估计积分器、速度估计积分器和比例支路；所述鉴别器的输出乘以系数K3，作为加速度估计积分器的输入；所述鉴别器的输出乘以系数K1后作为比例支路的输入；鉴别器输出值乘以系数K2，然后与加速度估计积分器的输出相加，得到的和值作为速度估计积分器的输入；速度估计积分器的输出和比例支路的输出相加后的和值，作为数控振荡器的输入；数控振荡器的输出送入所述鉴别器；
数控振荡器：根据所述环路滤波器的输出得到本地复现载波信号的频率，并生成本地复现载波信号输入鉴别器；
开环加速度估计器：用于估计接收信号延时T1后的多普勒频率和接收信号的多普勒频率变化率，并将当前接收信号的多普勒频率f2和多普勒频率变化率赋值给载波环的环路滤波器；所述开环加速度估计器包括上侧支路和下侧支路；所述上侧支路和下侧支路结构相同；所述上侧支路计算当前接收信号的多普勒频率f2，下侧支路计算t1-T1时刻接收信号的多普勒频率f1；所述上侧支路具体计算流程包括：
1)时长Ts的积分清零器对接收信号进行长度为Ts的积分操作，完成一次积分后积分器清零并开始下一次积分运算，每完成一次积分输出一个积分值；
2)时长Ts的积分清零器的输出作为N点存储器的输入，N点存储器存储完N点积分值后，将所述N点积分值并行输入L点FFT运算模块，L的值大于或等于N，且L的值为2的幂次；
3)L点FFT运算模块对N点积分值进行傅里叶变换，当N小于L时，在N点积分值后面补L-N个零，以使得L点FFT运算模块的输入为L点；
4)完成傅里叶变换后，对傅里叶变换结果取包络并搜索包络的最大值及该最大值的位置；
5)根据包络最大值的位置计算多普勒频率f2。
2.根据权利要求1所述的高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置，其特征在于，所述下侧支路具体计算流程包括：
1)将接收信号延时T1，时长Ts的积分清零器对延时T1后的接收信号进行长度为Ts的积分操作，完成一次积分后积分器清零并开始下一次积分运算，每完成一次积分输出一个积分值；
2)时长Ts的积分清零器的输出作为N点存储器的输入，N点存储器存储完N点积分值后，将所述N点积分值并行输入L点FFT运算模块，L的值大于或等于N，且L的值为2的幂次；
3)L点FFT运算模块对N点积分值进行傅里叶变换，当N小于L时，在N点积分值后面补L-N个零，以使得L点FFT运算模块的输入为L点；
4)完成傅里叶变换后，对傅里叶变换结果取包络并搜索包络的最大值及该最大值的位置；
5)根据包络最大值的位置计算多普勒频率f1。
3.根据权利要求2所述的高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置，其特征在于，接收信号的多普勒频率变化率a计算公式为：a＝(f2-f1)/T1。
4.根据权利要求3所述的高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置，其特征在于，所述多普勒频率变化率a赋值给所述加速度估计积分器，所述多普勒频率f2赋值给所述速度估计积分器。
5.根据权利要求4所述的高动态环境下卫星导航接收机载波环跟踪装置，其特征在于，在引导阶段，所述载波环不工作，开环加速度估计器独立工作；在跟踪阶段，所述载波环和开环加速度估计器分别独立工作，每经过时间间隔T2后，分别提取开环加速度估计器得到的多普勒频率变化率a和载波环加速度估计积分器估计的频率变化率a1，并对两者做差，若差值大于门限Th，则用多普勒频率变化率a和多普勒频率f2分别初始化载波环的加速度估计积分器和速度估计积分器；若差值小于等于门限，则载波环继续独立运行。
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