CN106019324A - 高动态卫星导航接收机环路跟踪器及其跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种跟踪装置及其跟踪方法，具体为高动态卫星导航接收机环路跟踪器及其跟踪方法。包括载波环和码环，码环包括码环鉴别器和码环滤波器组成，码环鉴别器输出端与码环滤波器连接；载波环包括载波环频率鉴别器、载波环相位鉴别器、载波环带宽调整、载波环滤波器；载波环频率鉴别器和载波环相位鉴别器分别与载波环带宽调整连接，载波环带宽调整再与载波环滤波器连接，载波环滤波器输出端与码环滤波器连接。本发明提供的高动态卫星导航接收机环路跟踪器及其跟踪方法，实现卫星导航接收机在高动态情形下能够对卫星信号的载波频率和伪码相位进行稳定跟踪。

Description

高动态卫星导航接收机环路跟踪器及其跟踪方法

技术领域

本发明涉及一种跟踪装置及其跟踪方法，具体为高动态卫星导航接收机环路跟踪器及其跟踪方法。

背景技术

随着我国北斗卫星事业的蓬勃发展，卫星导航接收机的使用范围越来越广。目前卫星导航接收机已经成为火箭、导弹运行过程中一个不可或缺部分，其中导航接收机的环路跟踪器在火箭、导弹发射过程以及火箭各级脱落过程中确保卫星导航接收机能够稳定跟踪卫星信号起着关键性作用，因此研究发明一种高动态环路跟踪器对克服高动态载波在运行过程中使得卫星导航接收机产生很大的多普勒频偏、码相位频偏，使得卫星导航接收机对环路的跟踪性能恶化，甚至导致失锁现象具有重要意义！

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种高动态卫星导航接收机环路跟踪器及其跟踪方法，在高动态情形下实现对卫星信号的载波多普勒频率和伪码相位稳定跟踪，使卫星导航接收机能够精确定位，从而推动我国北斗卫星导航接收机在更广泛的领域内使用。

具体技术方案为：

高动态卫星导航接收机环路跟踪器，包括载波环和码环，码环包括码环鉴别器和码环滤波器组成，码环鉴别器输出端与码环滤波器连接；载波环包括载波环频率鉴别器、载波环相位鉴别器、载波环带宽调整、载波环滤波器；载波环频率鉴别器和载波环相位鉴别器分别与载波环带宽调整连接，载波环带宽调整再与载波环滤波器连接，载波环滤波器输出端与码环滤波器连接。

高动态卫星导航接收机环路跟踪器的跟踪方法，包括以下过程：

载波环从外部获得相关器结果I_p、Q_p后，送载波环相位鉴别器Phase_Detector进行载波环相位误差θ_e计算，同时相关结果送载波环频率鉴别器Freq_Detector计算载波频率误差f_e，在环路带宽调整及环路滤波系数计算Loop_B_Coeff_Cal中根据锁定指示Lock_flag的大小以及环路带宽调整表选择锁相环、锁频环环路带宽及使用权值大小根据调整后的带宽计算环路滤波系数，将计算的环路滤波系数kf₁、kf₂、kf₃、kp₁、kp₂、kp₃、kp₄、权值调整后的鉴频误差f_{shift_e}、鉴相误差θ_{shift_e}一起送载波环滤波器Carri_Loop_Filter对载波环误差进行滤波处理，输出的滤波频率结果f_{carri_e}转化为频率控制字输出；

表1 环路带宽调整表

锁定指示	锁频环带宽(Bnf)	锁相环带宽(Bnp)	锁频环权值	锁相环权值
					>0.85	10	15	0.0	2.0
>0.80	10	15	0.1	1.9
					>0.75	10	15	0.2	1.8
>0.70	10	20	0.3	1.7
					>0.65	10	25	0.5	1.5
>0.60	12	30	0.7	1.3
					>0.55	16	35	0.8	1.2
>0.50	20	45	0.9	1.1
					>0.45	24	50	1.0	1.0
>0.40	28	55	1.1	0.9
					>0.3	32	60	1.2	0.8
>0.2	36	65	1.3	0.7
					其他	40	70	1.5	0.5

码环从外部获得的相关器结果I_e、Q_e、I_l、Q_l送码环鉴别器Code_Phase_Detector计算码相位误差将计算得到的码相位误差和载波环输出的载波频率f_{carri_e}一起送码环滤波器Code_Loop_Filter对码相位误差进行滤波处理，并将滤波后的码频率误差f_{code_e}转化为相应的频率控制字从码环输出。

本发明提供的高动态卫星导航接收机环路跟踪器及其跟踪方法，实现卫星导航接收机在高动态情形下能够对卫星信号的载波频率和伪码相位进行稳定跟踪。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是实施例中的载波环环路滤波器原理图；

图3是实施例中的二阶码环原理图；

图4是本发明的工作流程图。

具体实施方式

结合附图说明本发明具体实施方式。

如图1所示，高动态卫星导航接收机环路跟踪器，包括载波环和码环，码环包括码环鉴别器和码环滤波器组成，码环鉴别器输出端与码环滤波器连接；载波环包括载波环频率鉴别器、载波环相位鉴别器、载波环带宽调整、载波环滤波器；载波环频率鉴别器和载波环相位鉴别器分别与载波环带宽调整连接，载波环带宽调整再与载波环滤波器连接，载波环滤波器输出端与码环滤波器连接。

载波环通过三阶锁频环辅助四阶锁相环实现对载波频率的跟踪，码环采用载波环辅助的二阶延迟锁定环实现对伪码相位的跟踪。

载波环中载波环相位鉴别器采用二象限反正切函数计算载波相位误差θ_e。载波环频率鉴别器在不存在数据位影响的条件下，利用四象限反正切函数计算载波频率误差θ_e，当存在数据位影响时，采用二象限反正切函数计算载波频率误差f_e；载波环带宽调整是根据当前环路跟踪情况，对锁频环和锁相环的使用比例及环路带宽进行相应的调整得到调整后的鉴频误差f_{shift_e}和鉴相误差θ_{shift_e}同时根据调整后的带宽，计算载波环路滤波器系数kf₁、kf₂、kf₃、kp₁、kp₂、kp₃、kp₄，载波环频率鉴别器、载波环相位鉴别器的具体使用比例及环路带宽调整如表1所示。载波环滤波器是高动态环路跟踪的核心模块，其由三阶锁频环和四阶锁相环组成，具体原理如图2所示。图中f_{shift_e}为载波环路滤波器输入的鉴频误差，kf₁、kf₂、kf₃为载波环滤波器中三阶锁频环的环路滤波系数，T为载波环路滤波器的积分时间，θ_{shift_e}为载波环路滤波器输入的鉴相误差，kp₁、kp₂、kp₃、kp₄为载波环路器中四阶锁相环的环路滤波系数，载波环路滤波器的输出f_{carri_e}代表了载波环的复现频率，对该值的积分即为跟踪环路复现的载波相位，V在s域的表达式为：

$f_{carri\_e}\left(s\right)=f_{shift\_e}(\frac{{\mathrm{kf}}_1}{s}+\frac{{\mathrm{kf}}_2}{s^2}+\frac{{\mathrm{kf}}_3}{s^3})+{\mathrm{\θ}}_{shift\_e}({\mathrm{kp}}_1+\frac{{\mathrm{kp}}_2}{s}+\frac{{\mathrm{kp}}_3}{s^2}+\frac{{\mathrm{kp}}_4}{s^3})$

通过变换可得载波环路滤波器的更新公式为：

f_{carri_e}(n)＝3f_{carri_e}(n-1)-3f_{carri_e}(n-2)+f_{carri_e}(n-3)+c_f0f_{shift_e}(n)+c_f1f_{shift_e}(n-1)+c_f2f_{shift_e}(n-2)+c_f3f_{shift_e}(n-3)+c_p0θ_{shift_e}(n)+c_p1θ_{shift_e}(n-1)+c_p2θ_{shift_e}(n-2)+c_p3θ_{shift_e}(n-3)

其中：

$\left\{\begin{array}{c}{c}_{f0}=k_{f1}\left(\frac{T}{2}\right)+k_{f2}{\left(\frac{T}{2}\right)}^2+k_{f3}{\left(\frac{T}{2}\right)}^3\\ c_{f1}=-k_{f1}\left(\frac{T}{2}\right)+k_{f2}{\left(\frac{T}{2}\right)}^2+3k_{f3}{\left(\frac{T}{2}\right)}^3\\ c_{f2}=-k_{f1}\left(\frac{T}{2}\right)-k_{f2}{\left(\frac{T}{2}\right)}^2+3k_{f3}{\left(\frac{T}{2}\right)}^3\\ c_{f3}=k_{f1}\left(\frac{T}{2}\right)-k_{f2}{\left(\frac{T}{2}\right)}^2+k_{f3}{\left(\frac{T}{2}\right)}^3\end{array}\right.\left\{\begin{array}{c}{c}_{p0}=k_{p1}+k_{p2}\left(\frac{T}{2}\right)+k_{p3}{\left(\frac{T}{2}\right)}^2+k_{p4}{\left(\frac{T}{2}\right)}^3\\ c_{p1}=-3k_{p1}-k_{p2}\left(\frac{T}{2}\right)+k_{p3}{\left(\frac{T}{2}\right)}^2+3k_{p4}{\left(\frac{T}{2}\right)}^3\\ c_{p2}=3k_{p1}-k_{p2}\left(\frac{T}{2}\right)-k_{p3}{\left(\frac{T}{2}\right)}^2+3k_{p4}{\left(\frac{T}{2}\right)}^3\\ c_{p3}=-k_{p1}+k_{p2}\left(\frac{T}{2}\right)-k_{p3}{\left(\frac{T}{2}\right)}^2+k_{p4}{\left(\frac{T}{2}\right)}^3\end{array}\right.$

通过可控根原理可知：

$k_{p1}=\frac{64}{27}{B}_{np},k_{p2}=\frac{1}{2}{k}_{p1}^2,k_{p3}=\frac{1}{8}{k}_{p1}^3,k_{p4}=\frac{1}{64}{k}_{p1}^4$

$k_{f1}=\frac{64}{23}{B}_{nf},k_{f2}=\frac{4}{9}{k}_{f1}^2,k_{f3}=\frac{2}{27}{k}_{f1}^3$

B_np为锁相环带宽，B_nf为锁频环带宽。

将环路滤波器的输出结果f_{carri_e}转化为频率控制字输出环路跟踪器送载波NCO产生一定频率的载波。

码环中码环鉴别器利用超前减滞后非相干幅值法对码相位误差进行计算。其公式为：

式中d为1表示相关器间隔为0.5个码片。在载波辅助的前提下，采用二阶的码环路滤波器对码相位误差进行滤波。码环路滤波器原理如图3所示。

图中为码环滤波器输入的码相位误差，即超前减滞后非相干幅值法计算的码相位鉴别误差，c₀、c₁分别为码环滤波器系数，T为环路积分时间，当T一定时码环路滤波系数：

$c_0=\frac{8{\mathrm{\ξB}}_n}{{(1+4{\mathrm{\ξ}}^2)}^2}$

$c_1=\frac{16{\mathrm{\ξ}}^2{B}_n}{1+4\mathrm{\ξ}}$

式中ξ为环路阻尼系数为0.707，B_n为码环带宽在环路跟踪过程中带宽由2Hz切换为1Hz；最后将码环滤波器输出结果f_{code_e}转化为频率控制字送伪码产生器对伪码产生频率进行调整。

如图4所示，载波环从外部获得相关器结果(I_p、Q_p)后，送载波环相位鉴别器Phase_Detector进行载波环相位误差θ_e计算，同时利用相关结果计算锁定指示Cal_lock_flag根据计算锁定指示的大小决定当前环路跟踪情况决定是否启动锁频环，如果满足启动锁频环条件，将相关结果送载波环频率鉴别器Freq_Detector计算鉴频误差f_e，在环路带宽调整及环路滤波系数计算Loop_B_Coeff_Cal中根据锁定指示(Lock_flag)的大小以及表1所示选择四阶锁相环、三阶锁频环环路带宽及使用权值大小根据调整后的带宽计算环路滤波系数，将计算的环路滤波系数kf₁、kf₂、kf₃、kp₁、kp₂、kp₃、kp₄、权值调整后的鉴频误差f_{shift_e}、鉴相误差θ_{shift_e}一起送载波环滤波器Carri_Loop_Filter对载波环误差进行滤波处理，输出的滤波频率结果f_{carri_e}转化为频率控制字输出。

码环从外部获得的相关器结果I_e、Q_e、I_l、Q_l送码环鉴别器Code_Phase_Detector计算码相位误差将计算得到的码相位误差和载波环输出的载波频率f_{carri_e}一起送二阶码环滤波器Code_Loop_Filter对码相位误差进行滤波处理，并将滤波后的码频率误差f_{code_e}转化为相应的频率控制字从码环输出。

Claims (2)

1.高动态卫星导航接收机环路跟踪器，其特征在于：包括载波环和码环，码环包括码环鉴别器和码环滤波器组成，码环鉴别器输出端与码环滤波器连接；载波环包括载波环频率鉴别器、载波环相位鉴别器、载波环带宽调整、载波环滤波器；载波环频率鉴别器和载波环相位鉴别器分别与载波环带宽调整连接，载波环带宽调整再与载波环滤波器连接，载波环滤波器输出端与码环滤波器连接。

2.根据权利要求1所述的高动态卫星导航接收机环路跟踪器的跟踪方法，其特征在于：包括以下过程：

载波环从外部获得相关器结果I_p、Q_p后，送载波环相位鉴别器Phase_Detector进行载波环相位误差θ_e计算，同时相关结果送载波环频率鉴别器Freq_Detector计算载波频率误差f_e，在环路带宽调整及环路滤波系数计算Loop_B_Coeff_Cal中根据锁定指示Lock_flag的大小以及环路带宽调整表选择锁相环、锁频环环路带宽及使用权值大小根据调整后的带宽计算环路滤波系数，将计算的环路滤波系数kf₁、kf₂、kf₃、kp₁、kp₂、kp₃、kp₄、权值调整后的鉴频误差f_{shift_e}、鉴相误差θ_{shift_e}一起送载波环滤波器Carri_Loop_Filter对载波环误差进行滤波处理，输出的滤波频率结果f_{carri_e}转化为频率控制字输出；

表1 环路带宽调整表

码环从外部获得的相关器结果I_e、Q_e、I_l、Q_l送码环鉴别器Code_Phase_Detector计算码相位误差将计算得到的码相位误差和载波环输出的载波频率f_{carri_e}一起送码环滤波器Code_Loop_Filter对码相位误差进行滤波处理，并将滤波后的码频率误差f_{code_e}转化为相应的频率控制字从码环输出。