CN107329155A - 一种基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置及方法,利用悲观计数器的计数值作为输入，用于调整环路的参数，其实现过程简单方便，不会增加任何的复杂度，非常适合工程实现和应用。

Description

一种基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置及方法
技术领域
本发明涉及高精度卫星导航接收机，特别是一种基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置及方法。
背景技术
相位锁定环路(锁相环，PLL)是以锁定输入载波信号的相位为目标的一种载波环实现形式。锁相环是卫星导航接收机中必不可缺的部分。数字锁相环由鉴相器，环路滤波器和数字振荡器三个部分组成。其中，环路滤波器的参数设置是整个锁相环是否能够精确锁定的关键。环路噪声带宽，环路阶数，以及环路系数的设计是环路滤波器参数设置的三个关键环节。传统三阶环路滤波器模型如图1所示，K1，K2和K3为环路滤波器参数，其取值取决于环路噪声带宽。而环路噪声带宽的取值必须在低噪声和高动态之间做出平衡和选择，因而，自适应的环路噪声带宽是能随着用户动态应力的强弱不同而实时地、自适应地得到调整。与此同时，环路的阶数和环路系数的设计也随之调整。
比较常见的自适应环路参数设置为将基于卡尔曼滤波的自适应环路参数设置方法。卡尔曼滤波技术以环路鉴相器的输出作为测量值输入，以相位差异、多普勒频移和多普勒频移变化率作为被估算的滤波状态变量，并用状态方程将这三个变量联系起来。根据测量输入值的噪声情况，卡尔曼滤波器可以自动地调节测量值在滤波结果中的权重或者增益，进而得到一个低噪的滤波结果。然而，基于卡尔曼滤波技术的自适应环路参数调整方法实现过程比较复杂，对于卡尔曼滤波器的参数也需要不断地调整，不适合工程实现。
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，提供一种基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置，包括：
鉴相器，鉴相器的输入为基带信号的能量；
悲/乐观计数器：用于接收鉴相器的输出信号，若鉴相器输出信号的值小于0.7，悲观计数器清零，乐观计数器加1；若鉴相器输出信号的值大于0.7，悲观计数器加1，乐观计数器清零；
环路滤波器：用于利用悲观计数器的值计算环路参数，并在计算好环路参数后，接收所述鉴相器的输出信号，对鉴相器的输出信号、环路参数、悲观计数器的值进行运算处理，得到需要调整的频率改变量，并送入数字振荡器；其中，本发明考虑三阶环路的自适应参数调整，而加速度估计器为第三阶环路，速度估计器为第二阶环路，比例支路为第一阶环路，T代表环路相干积分时间长度；
数字振荡器：用于输出调整后的本振频率。
所述环形滤波器包括加速度估计器、速度估计器、比例支路。
所述加速度估计器系数表达式K3的表达式为：其中MAX_D为悲观计数器的最大值，Bn为初始噪声带宽；K3的初始值为
所述速度估计器系数表达式K2的表达式为K2的初始值为：
所述比例支路系数表达式为K1的初始值为：
环路失锁状态下，设置初始噪声带宽为Bn＝110Hz；环路锁定状态下，设置初始噪声带宽为Bn＝25Hz。
相应的，本发明还提供了一种基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置方法，该方法主要实现过程为：在环路锁定状态下，根据悲观计数器的值D，改变初始噪声带宽以及初始环路参数的值，进行环路参数更新；若环路处于失锁状态，那不改变环路参数的值；当悲观计数器的值D累加到最大值MAX_D时，当环路锁定状态转为环路失锁状态时，调整初始噪声带宽，并且不再更新环路参数值，直到环路进入再次锁定状态后，再更新环路参数值；其中环路参数更新的表达式如下：
更新的加速度估计器系数表达式为：
更新的速度估计器系数表达式为：
更新的比例支路系数表达式为：
其中，MAX_D为悲观计数器的最大值，Bn为初始噪声带宽。
所述环路参数初始值设定为：
初始加速度估计器系数表达式为：
初始速度估计器系数表达式为：
初始比例支路系数表达式为：
环路失锁状态下，设置初始噪声带宽为Bn＝110Hz；环路锁定状态下，设置初始噪声带宽为Bn＝25Hz；当环路从锁定状态进入失锁状态时，增大环路带宽，噪声带宽从25Hz变到110Hz；当环路锁定状态转为环路失锁状态时，将噪声带宽从25Hz变到110Hz。
悲观计数器的值设置方法如下：如果鉴相器输出信号的值小于0.7，悲观计数器清零，乐观计数器加1；如果鉴相器输出信号的值大于0.7，悲观计数器加1，乐观计数器清零。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用悲观计数器的计数值作为输入，用于调整环路的参数，其实现过程简单方便，不会增加任何的复杂度，非常适合工程实现和应用。
附图说明
图1为现有的三阶环路滤波器模型图；
图2为本发明装置原理图。
具体实施方式
本发明主要有以下几个模块：鉴相器，悲/乐观计数器模块，环路滤波器(其中包括加速度估计器，速度估计器，比例支路)，数字振荡器，如图2所示。其中，各个模块的功能和整体实现流程如下：
步骤1：鉴相器的输出信号分别进入悲/乐观计数器模块和环路滤波器模块；
步骤2：通过判断输出信号的值是否小于0.7，决定悲观计数器的值；
步骤3：悲/乐观计数器模块输出悲观计数器的值到环路滤波器模块；
步骤4：环路滤波器模块利用悲观计数器的值计算环路参数，即K1，K2和K3；
步骤5：设置好环路参数K1，K2和K3的值以后，将鉴相器输出信号送入环路滤波器；
步骤6：环路滤波器输出送入数字振荡器；
步骤7：数字振荡器输出调整后的本振频率；
本发明提出的基于悲观计数器环路参数设置方法的原理和具体实现过程包括：
1、计算悲观计数器的值；
通过判断鉴相器输出信号的值是否小于0.7，决定悲观计数器的值。如果鉴相器输出信号的值小于0.7，悲观计数器清零，乐观计数器加1；如果鉴相器输出信号的值大于0.7，悲观计数器加1，乐观计数器清零。每一次鉴相器的输出都会改变悲观计数器的值，设为D。
2、初始环路参数设置。
根据下面公式可以计算得到相应的K1，K2和K3的值
初始加速度估计器系数表达式为
初始速度估计器系数表达式为
初始比例支路系数表达式为
其中，环路失锁状态下，设置初始噪声带宽为Bn＝110Hz。环路锁定状态下，设置初始噪声带宽为Bn＝25Hz，根据上面的公式可以计算得到相应的K1，K2和K3的值。
当环路从失锁状态进入到锁定状态时，环路滤波器参数由失锁的参数改变到锁定的参数状态，即降低环路带宽。当环路从锁定状态进入失锁状态时，增大环路带宽，噪声带宽从25Hz变到110Hz。
3、环路参数更新
只有当环路锁定状态下，才根据悲观计数器的值，改变噪声带宽以及初始环路参数的值。若环路处于失锁状态，那不改变环路参数的值。其中环路参数更新的表达式如下：
更新的加速度估计器系数表达式为
更新的速度估计器系数表达式为
更新的比例支路系数表达式为
其中MAX_D为悲观计数器的最大值，若D累加到D＝MAX_D，则环路转为环路失锁状态，将噪声带宽从25Hz变到110Hz，并且不再更新环路参数值，直到环路进入再次锁定状态再次更新环路参数值。

Claims (10)

1.一种基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置，其特征在于，包括：
鉴相器，鉴相器的输入为基带信号的能量；
悲/乐观计数器：用于接收鉴相器的输出信号，若鉴相器输出信号的值小于0.7，悲观计数器清零，乐观计数器加1；若鉴相器输出信号的值大于0.7，悲观计数器加1，乐观计数器清零；
环路滤波器：用于利用悲观计数器的值计算环路参数，并在计算好环路参数后，接收所述鉴相器的输出信号，对鉴相器的输出信号、环路参数、
悲观计数器的值进行运算处理，得到需要调整的频率改变量，并将需要调整的频率改变量送入数字振荡器；
数字振荡器：用于对需要调整的频率改变量进行处理，并输出调整后的本振频率。
2.根据权利要求1所述的基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置，其特征在于，所述环形滤波器包括加速度估计器、速度估计器、比例支路。
3.根据权利要求2所述的基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置，其特征在于，所述加速度估计器系数表达式K3的表达式为：其中MAX_D为悲观计数器的最大值，Bn为初始噪声带宽；K3的初始值为
4.根据权利要求3所述的基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置，其特征在于，所述速度估计器系数表达式K2的表达式为 K2的初始值为：
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>1.1</mn> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1.1</mn> <msubsup> <mi>B</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mn>0.61544025</mn> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
5.根据权利要求4所述的基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置，其特征在于，所述比例支路系数表达式为K1的初始值为：
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>2.4</mn> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2.4</mn> <msub> <mi>B</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow> <mn>0.7845</mn> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
6.根据权利要求3～5之一所述的基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置装置，其特征在于，环路失锁状态下，设置初始噪声带宽为Bn＝110Hz；环路锁定状态下，设置初始噪声带宽为Bn＝25Hz。
7.一种基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置方法，其特征在于，该方法主要实现过程为：在环路锁定状态下，根据悲观计数器的值D，改变初始噪声带宽以及初始环路参数的值，进行环路参数更新；若环路处于失锁状态，那不改变环路参数的值；当悲观计数器的值D累加到最大值MAX_D时，当环路锁定状态转为环路失锁状态时，调整初始噪声带宽，并且不再更新环路参数值，直到环路进入再次锁定状态后，再更新环路参数值；其中环路参数更新的表达式如下：
更新的加速度估计器系数表达式为：
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>D</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>A</mi> <mi>X</mi> <mo>_</mo> <mi>D</mi> </mrow> </mfrac> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>3</mn> </msubsup> </mrow>
更新的速度估计器系数表达式为：
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mn>0.1</mn> <mi>D</mi> </mrow> <mrow> <mi>M</mi> <mi>A</mi> <mi>X</mi> <mo>_</mo> <mi>D</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow>
更新的比例支路系数表达式为：
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1.4</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>D</mi> <mrow> <mi>M</mi> <mi>A</mi> <mi>X</mi> <mo>_</mo> <mi>D</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>;</mo> </mrow>
其中，MAX_D为悲观计数器的最大值，Bn为初始噪声带宽。
8.根据权利要求7所述的基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置方法，其特征在于，所述环路参数初始值设定为：
初始加速度估计器系数表达式为：
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>3</mn> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>B</mi> <mi>n</mi> <mn>3</mn> </msubsup> <mn>0.482812876125</mn> </mfrac> </mrow>
初始速度估计器系数表达式为：
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>1.1</mn> <msubsup> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>1.1</mn> <msubsup> <mi>B</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msubsup> </mrow> <mn>0.61544025</mn> </mfrac> </mrow>
初始比例支路系数表达式为：
<mrow> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mn>2.4</mn> <msub> <mi>&amp;omega;</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2.4</mn> <msub> <mi>B</mi> <mi>n</mi> </msub> </mrow> <mn>0.7845</mn> </mfrac> <mo>.</mo> </mrow>
9.根据权利要求7所述的基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置方法，其特征在于，环路失锁状态下，设置初始噪声带宽为Bn＝110Hz；环路锁定状态下，设置初始噪声带宽为Bn＝25Hz；当环路从锁定状态进入失锁状态时，增大环路带宽，噪声带宽从25Hz变到110Hz；当环路锁定状态转为环路失锁状态时，将噪声带宽从25Hz变到110Hz。
10.根据权利要求7所述的基于悲观计数器的卫星导航环路参数设置方法，其特征在于，悲观计数器的值设置方法如下：如果鉴相器输出信号的值小于0.7，悲观计数器清零，乐观计数器加1；如果鉴相器输出信号的值大于0.7，悲观计数器加1，乐观计数器清零。
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