CN105929418B - 一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法和锁频环 - Google Patents

一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法和锁频环 Download PDF

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Abstract

一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法和锁频环。其中，该方法包括以下步骤：接收模块接收经过比特同步和子帧同步后的卫星信号；分配模块从卫星信号的当前数据比特时延的起点开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，N≥1；设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特时延的起点之间的时间段为标记时间段；鉴频模块在N个相干积分时间段内，采用四象限反正切函数对卫星信号进行鉴频；在标记时间段内，采用判符号函数对卫星信号进行鉴频。本申请防止了数据比特跳变对鉴频结果的影响，同时，适用于高动态环境下的信号跟踪，适用范围更广。

Description

一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法和锁频环
技术领域
本申请涉及卫星信号跟踪技术领域，尤其是一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法和锁频环。
背景技术
载波环路跟踪算法是实现卫星信号跟踪的常见算法，其包括锁相环跟踪算法和锁频环跟踪算法。比较常用的鉴频算法有四象限反正切函数和判符号函数。
其中，四象限反正切函数为：
Pcross和Pdot分别称点积和叉积，分别为：
Pcross＝Ik-1Qk-IkQk-1
Pdot＝Ik-1Ik-QkQk-1
式中，Ik-1、Qk-1、Ik和Qk分别为k-1时刻和k时刻的I支路、Q支路的相干积分结果，Δfd为鉴频得到的频率误差。
判符号函数为：
式中，sign()为符号函数。
上述两个算法中，四象限反正切函数是一种较准确的鉴频方法，且其鉴别的相位变化范围从-180度到180度，适用于高动态情形，但是，四象限反正切函数对数据比特跳变敏感，不能检测出数据比特跳变引起的180度反向。如果一个相干积分时间位于不同的数据比特时延内，且该两个数据比特又发生了跳变，那么该鉴频器得到的相位差异变化量，实际上包含了一个180度的相变，使得接收机复制载波相位向着相反的方向进行调整，从而导致信号失锁。采用判符号函数的鉴频器，虽能够有效的检测出数据比特跳变所引起的180度相变，但是其鉴别的相位变化范围从-90度到90度，鉴频范围有一定局限性，不适用于高动态下的弱信号跟踪。
发明内容
本申请提供一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法和锁频环，解决现有技术中，数据比特跳变影响鉴频结果、鉴频范围受限的问题。
根据本申请的第一方面，本申请提供一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法，包括以下步骤：接收经过比特同步和子帧同步后的卫星信号；从卫星信号的当前数据比特起始沿 开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，N≥1；设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间段为标记时间段；在 N个相干积分时间段内，采用四象限反正切函数对卫星信号进行鉴频；在标记时间段内，采用判符号函数对卫星信号进行鉴频。
根据本申请的第二方面，本申请提供一种锁频环，包括鉴频器，鉴频器包括接收模块、分配模块和鉴频模块；接收模块用于接收经过比特同步和子帧同步后的卫星信号；分配模块用于从卫星信号的当前数据比特起始沿 开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，N≥ 1；还用于设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间 段为标记时间段；鉴频模块用于在N个相干积分时间段内，采用四象限反正切函数对卫星信号进行鉴频；在标记时间段内，采用判符号函数对卫星信号进行鉴频。
本申请的有益效果是，由于本申请同时采用了四象限反正切函数和判符号函数进行鉴频，弥补了原有单一算法的缺陷。对数据比特时延分配后，标记时间段采用判符号函数进行鉴频，能够有效的检测出数据比特跳变所引起的相变，防止了数据比特跳变对鉴频结果的影响。同时，相干积分时间段采用四象限反正切函数，适用于高动态环境下的信号跟踪，适用范围更广。
附图说明
图1为实施例1的流程图；
图2为实施例4的流程图；
图3为使用四象限反正切函数与符号函数进行鉴频所得结果的对比图；
图4为使用四象限反正切函数后普勒频移变化的波形图；
图5为使用四象限反正切函数进行鉴频后的结果示意图；
图6为本申请鉴频后所得的结果示意图；
图7为纯锁频环准静态下水平定位结果的对比图；
图8为实际跑车过程中水平位置变换的示意图；
图9为图8所对应的6号星的多普勒频移和接收机的速度变化示意图；
图10为采用本申请的鉴频方法跟踪动态多普勒频移变化的示意图；
图11为采用本申请进行鉴频的部分跑车结果示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
实施例1：
一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法，如图1所示，包括以下步骤：
S101：接收经过比特同步和子帧同步后的卫星信号。
比特同步和子帧同步由载波环跟踪算法完成，完成比特同步和子帧同步后，再对卫星信号进行鉴频。
S102：从卫星信号的当前数据比特起始沿 开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，N≥1；设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间段为标记时间段；
卫星信号传输的是比特数据，数据比特时延由卫星信号的频段确定。当卫星信号的频段固定时，数据比特时延也是固定的。因此，根据卫星信号的频段，可人为预先设定不同的相干积分时长，依据设定的相干积分时长从当前数据比特起始沿 开始，对数据比特时延进行分配，从而分配出N个连续的相干积分时间段，其中，N≥1。此时，数据比特时延会被完整分配为N个连续的相干积分时间段，或者分配为N个连续的相干积分时间段和一个剩余时间段，设定第N 个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间段为标记时间段。
S103：在N个相干积分时间段内，采用四象限反正切函数对卫星信号进行鉴频；在标记时间段内，采用判符号函数对卫星信号进行鉴频。
从卫星信号的当前数据比特时延起点开始，在N个相干积分时间段内，均采用四象限反正切函数对卫星信号进行鉴频；在标记时间段内，采用判符号函数对卫星信号进行鉴频。
上述的四象限反正切函数为：
Pcross和Pdot分别称点积和叉积，分别为：
Pcross＝Ik-1Qk-IkQk-1
Pdot＝Ik-1Ik-QkQk-1
式中，Ik-1、Qk-1、Ik和Qk分别为k-1时刻和k时刻的I支路、Q支路的相干积分结果，Δfd为鉴频得到的频率误差。
判符号函数为：
式中，sign()为符号函数。
实施例2：
一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法，包括以下步骤：
S201：接收经过比特同步和子帧同步后的卫星信号；
S202：从卫星信号的当前数据比特起始沿 开始，按照预设的相干积分时长将当前数据比特时延分配为N个连续的相干积分时间段和一个剩余时间段；设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间段为标记时 间段；
S203：在N个相干积分时间段内，采用四象限反正切函数对卫星信号进行鉴频；在标记时间段内，采用判符号函数对卫星信号进行鉴频。
与实施例1相比，本实施例将当前数据比特时延分配为N个连续的相干积分时间段和一个剩余时间段，这里的剩余时间段是指按照预设的相干积分时长无法将当前数据比特时延分配完，存在一个剩余时间段，此时，标记时间段包括当前数据比特起始沿 同下一数据比特起始沿之间的间隔时间段和剩余时间 段。同时，剩余时间段的时长小于预设的相干积分时长，就保证了数据比特时延尽可能被分配至相干积分时间段，以提升鉴频结果的准确性。
实施例3：
一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法，包括以下步骤：
S301：接收经过比特同步和子帧同步后的卫星信号；
S302：从所述卫星信号的当前数据比特起始沿 开始，按照预设的相干积分时长将当前数据比特时延完整分配为N个连续的相干积分时间段；设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间段为标记时间段；
S303：在N个相干积分时间段内，采用四象限反正切函数对卫星信号进行鉴频；在标记时间段内，采用判符号函数对卫星信号进行鉴频。
与实施例1相比，本实施例将当前数据比特时延完整分配为N个连续的相干积分时间段，没有剩余时间。此时，标记时间段为当前数据比特起始沿 同下一数据比特起始沿之间的间隔时间段。
当本实施例应用于低动态环境时，跳变对鉴频结果的影响不明显，在标记时间段内，也可不做鉴频处理。
实施例4：
作为实施例1的改进，如图2所示，本实施例在实施例1的步骤S101和步骤S102之间添加了步骤：判断卫星信号的载噪比是否低于门限值。当卫星信号的载噪比低于门限值时，才进入步骤S102。载噪比较低的信号往往是信号较弱的信号，因此，本实施例更加适用于弱卫星信号的跟踪，可提高跟踪精度。
进一步的，在步骤S103完成鉴频之后，调载波的多普勒频移，并对鉴频后的卫星信号进行alpha滤波处理，从而输出较为精确的载波相位测量值，提高定位精度。其中，alpha滤波算法为：
Xk＝Xk-1+α*(X'k-Xk-1)；
X'k为k时刻的估计值，Xk-1为k-1时刻最优值，Xk为k时刻最优值。
实施例5：
本实施例给出一种具体应用来对本申请进行说明。设定一个数据比特的时间为20ms，在载波环跟踪完成比特同步、子帧同步之后，若卫星信号的载噪比低于门限值27db，则进入后续的鉴频步骤。设置相干积分时间长度为6ms，则一个数据比特时延内有3个相干积分时间段为6ms，剩余时间段的长度为2ms。从数据比特起始沿开始，经历的3个相干积分时间段，采用四象限反正切函数进行鉴频。对于剩余时间段，即当前数据比特的第19ms和20ms，采用判符号函数的鉴频方法，当前数据比特和下一数据比特之间的时间段，也采用判符号函数进行鉴频。完成鉴频之后，调载波的多普勒频移，并对鉴频后的卫星信号进行alpha滤波处理。
这里需要说明的是，单个数据比特的时长、载噪比的门限值和相干积分时间长度需要结合实际情况作出调整，而不限于本实施例提供的数据。
实施例6：
一种锁频环，包括鉴频器，鉴频器包括接收模块、分配模块和鉴频模块；接收模块用于接收经过比特同步和子帧同步后的卫星信号；分配模块用于从卫星信号的当前数据比特起始沿 开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，N≥1；还用于设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间段为标记时间段；鉴频模块用于在 N 个相干积分时间段内，采用四象限反正切函数对卫星信号进行鉴频，在标记时间段内，采用判符号函数对卫星信号进行鉴频。在具体应用时，锁频环需要结合锁相环，形成载波环，对卫星信号进行跟踪。
实施例7：
作为实施例6的改进，本实施例在鉴频器之后还连接有一环路滤波器，环路滤波器用于调载波的多普勒频移，对鉴频后的卫星信号进行alpha滤波处理，从而输出较为精确的载波相位测量值，提高定位精度。
图3为使用四象限反正切函数与符号函数进行鉴频所得结果的对比图。从图中可以看出，传统的四象限反正切函数因数据比特跳变会引起鉴频结果的 180°反相，如图3中虚线框选的部分。图4为使用四象限反正切函数后普勒频移变化的波形图，从图4可知，由于鉴频结果的180°反相，导致跟踪环路载波多普勒频移发生错误调整，从而锁定到其他频率上。
图5示出了采用传统四象限反正切函数进行鉴频后的结果，可看出因数据比特跳变引起的鉴频结果的180°反相。图6为本申请鉴频后所得结果，同样条件下，本申请的方案能得到较好的鉴频结果。
图7为纯锁频环准静态下水平定位结果对比图，图中圆框圈定的数值点即为本申请所得的结果，圆框外为四象限反正切函数鉴频后的结果。可看出四象限反正切函数的鉴频结果因为存在180°反相，导致定位结果不停地跳变，导致定位离散度很大。而本申请方案所得鉴频结果稳定，定位结果稳定且精度高。
图8为实际跑车过程中，因频率锁定在错误偏差频率上对定位结果影响。
图9为图8所对应的6号星的多普勒频移和接收机的速度变化。当6号星被剔除后，水平定位及速度变化恢复正常。
图10为采用本申请的鉴频方法跟踪动态多普勒频移变化的波形图，场景中的动态为垂直方向上的类正弦波运动，最大速度为30m/s，最大加速度为1gm/s2，本申请可更好地跟踪多普勒频移的动态变化。
图11为采用本申请进行鉴频的其中一段的跑车结果，结果显示具有较好的动态性能和精度。
以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换。

Claims (10)

1.一种用于卫星信号跟踪的高动态鉴频方法，其特征在于：包括以下步骤：
接收经过比特同步和子帧同步后的卫星信号；
从所述卫星信号的当前数据比特起始沿开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，N≥1；设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间段为标记时间段；
在N个相干积分时间段内，采用四象限反正切函数对卫星信号进行鉴频；在标记时间段内，采用判符号函数对卫星信号进行鉴频。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述接收经过比特同步和子帧同步后的卫星信号之后，还包括：
判断卫星信号的载噪比是否低于门限值；
若低于，从卫星信号的当前数据比特起始沿开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，N≥1；设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间段为标记时间段。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：从所述卫星信号的当前数据比特起始沿开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，具体为：
从所述卫星信号的当前数据比特起始沿开始，按照预设的相干积分时长将当前数据比特时延分配为N个连续的相干积分时间段和一个剩余时间段；
标记时间段包括当前数据比特起始沿同下一数据比特起始沿之间的间隔时间段和剩余时间段。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：从所述卫星信号的当前数据比特起始沿开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，具体为：
从所述卫星信号的当前数据比特起始沿开始，按照预设的相干积分时长将当前数据比特时延完整分配为N个连续的相干积分时间段；
标记时间段为当前数据比特起始沿同下一数据比特起始沿之间的间隔时间段。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：还包括：
对鉴频后的卫星信号进行alpha滤波。
6.一种锁频环，包括鉴频器，其特征在于：所述鉴频器包括接收模块、分配模块和鉴频模块；
接收模块用于接收经过比特同步和子帧同步后的卫星信号；
分配模块用于从所述卫星信号的当前数据比特起始沿开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，N≥1；还用于设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间段为标记时间段；
鉴频模块用于在N个相干积分时间段内，采用四象限反正切函数对卫星信号进行鉴频，在标记时间段内，采用判符号函数对卫星信号进行鉴频。
7.根据权利要求6所述的锁频环，其特征在于：
还包括判断模块，所述判断模块在接收模块接收到经过比特同步和子帧同步后的卫星信号之后，用于判断卫星信号的载噪比是否低于门限值；
分配模块在判断模块判断到所述卫星信号的载噪比低于门限值之后，用于从卫星信号的当前数据比特起始沿开始，按照预设的相干积分时长为当前数据比特时延分配N个连续的相干积分时间段，N≥1；还用于设定第N个相干积分时间段的结束至下一数据比特起始沿之间的时间段为标记时间段。
8.根据权利要求6或7所述的锁频环，其特征在于：
分配模块用于从所述卫星信号的当前数据比特起始沿开始，按照预设的相干积分时长将当前数据比特时延分配为N个连续的相干积分时间段和一个剩余时间段；
标记时间段包括当前数据比特起始沿同下一数据比特起始沿之间的间隔时间段和剩余时间段。
9.根据权利要求6或7所述的锁频环，其特征在于：
分配模块用于从所述卫星信号的当前数据比特起始沿开始，按照预设的相干积分时长将当前数据比特时延完整分配为N个连续的相干积分时间段；
标记时间段为当前数据比特起始沿同下一数据比特起始沿之间的间隔时间段。
10.根据权利要求6或7所述的锁频环，其特征在于：
还包括环路滤波器，环路滤波器用于对鉴频后的卫星信号进行alpha滤波。
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