CN108226966A - 一种二次载波剥离跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种二次载波剥离跟踪方法，输入信号与本地中频信号混频得到中频混频信号，降采样处理，得到比中频混频信号更低数据速率的中频混频减采样信号，中频混频减采样信号与载波环路输出信号混频，输出的混频信号经过积分清零输出I、Q支路信号，经过鉴别器计算，滤波器滤波得到输入信号与本地信号之间的频率和相位差异。本发明能够降低数据采样率，减小数据量，节省硬件资源。

Description

一种二次载波剥离跟踪方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，涉及一种改进的卫星导航基带载波剥离跟踪方法。

背景技术

卫星导航定位系统已成为现代科学技术研究发展的重要支撑手段，能为舰船、飞机、车辆以及地面人员等提供全天候、连续实时、高精度的定位、测速和时间信息。为满足各类平台的应用需求，卫星导航接收机不断向小尺寸、低功耗发展。

传统载波跟踪环路在接收机内部复制一个包含多普勒频移在内的载波频率，使其尽可能的与实际接收到的卫星信号中的载波频率相一致，并让两者相乘混频后彻底剥离接收信号的载波，使信号下变频至中心频率为零的基带信号。在现有各类车载、机载平台上已使用的卫导终端中，跟踪环路多在FPGA芯片中实现，其采样率都设置在60MHz，也就是说数字信号速率是60MHz，FPGA程序处理速度必然要大于等于60MHz，这就对FPGA芯片的各类资源提出了更高的要求，比如乘法器、加法器、存储器等。同时，由于处理速度太快，一颗卫星往往就需要一个通道单独跟踪，不可以复用，这就进一步增加了FPGA资源的占用。高速处理及通道单独占用，都不利于卫星导航接收机向小尺寸和低功耗发展。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航基带二次载波剥离跟踪方法，先将载波中频频率进行剥离，再对残余多普勒频率进行剥离，能够降低数据采样率，减小数据量，通过复用跟踪通道，节省了硬件资源。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

第一步，输入信号S_IF与本地中频信号S_{mix_IF}混频得到中频混频信号S_BF；

第二步，降采样处理，得到比中频混频信号S_BF更低数据速率的中频混频减采样信号其中，N为降采样倍数，S_BF(n)为中频混频信号S_BF的采样点；

第三步：中频混频减采样信号S_BFL与载波环路输出信号S_{mix_c}混频，其中载波环路输出信号S_{mix_c}(t)＝2c(t)cos[2π(f'_{D_acq}+f_Δ)t+θ]，c(t)为本地产生的同倍速率降采样的伪码；f'_{D_acq}为捕获的多普勒频移；f_Δ为载波跟踪多普勒误差；θ为载波跟踪相位差异；

第四步，第三步输出的混频信号经过积分清零输出I、Q支路信号I_P(t)和Q_P(t)，其中，I_P(t)＝aD(t)cos(ω_et+θ_e)，Q_P(t)＝aD(t)sin(ω_et+θ_e)，ω_e和θ_e分别为输入信号S_IF和本地信号S_mix之间的载波频率误差和初相误差，ω_e＝2πf₀-2π(f_{mix_IF}+f_D'_{_acq}+f_Δ)，θ_e＝θ₀-θ；

第五步，I_P(t)和Q_P(t)经过鉴别器计算，滤波器滤波得到输入信号与本地信号之间的频率和相位差异f_Δ+θ。

本发明的有益效果是：

本发明的第一步将数据直接去掉了固有中频，降低了数据频率，有利于降低数据采样率，使得通道可以复用，节省了硬件资源。

本发明的第二步进行了降采样处理，减少了数据量，有效降低了接收机功耗。

附图说明

图1是本发明环路结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

如图1所示，本发明算法实现步骤如下：

第一步：输入信号S_IF与本地中频信号S_{mix_IF}混频得到中频混频信号S_BF，各信号的表达式如下：

其中，为接收信号功率(W)；D(t)为调制的数据；f₀为载波频率(Hz)；f_{mix_IF}为本地中频(Hz)；θ₀为初相(rad)；n(t)为带限噪声。

第二步：降采样处理，得到比中频混频信号S_BF更低数据速率的中频混频减采样信号S_BFL。

其中，N为降采样倍数，S_BF(n)为中频混频信号S_BF的采样点。

第三步：中频混频减采样信号S_BFL与载波环路输出信号S_{mix_c}混频，其中载波环路输出信号S_{mix_c}的表达式如下：

S_{mix_c}(t)＝2c(t)cos[2π(f'_{D_acq}+f_Δ)t+θ] (5)

其中，c(t)为本地产生的同倍速率降采样的伪码；f'_{D_acq}为捕获的多普勒频移；f_Δ为载波跟踪多普勒误差；θ为载波跟踪相位差异。

第四步：第三步输出的混频信号经过积分清零输出I、Q支路信号，其表达式如下：

I_P(t)＝aD(t)cos(ω_et+θ_e) (6)

Q_P(t)＝aD(t)sin(ω_et+θ_e) (7)

其中，ω_e和θ_e分别为输入信号S_IF和本地信号S_mix之间的载波频率误差和初相误差，即：

ω_e＝2πf₀-2π(f_{mix_IF}+f'_{D_acq}+f_Δ) (8)

θ_e＝θ₀-θ (9)

第五步：I、Q支路输出结果I_P(t)和Q_P(t)经过鉴别器计算，滤波器滤波可得到输入信号与本地信号之间的频率和相位差异f_Δ+θ。

本发明适用于GPS、BDS和GLONASS卫星导航信号跟踪。以GPS的L1卫星导航信号跟踪为例阐述本发明的具体实施过程。

步骤1：将GPS的L1卫星导航信号中频输入信号S_IF与本地中频信号S_{mix_IF}混频得到中频混频信号S_BF，其中L1的本地中频f_{mix_IF}为46.52MHz，其表达式分别如式(1)，式(2)，式(3)所示。

步骤2：降采样处理：L1的码速率是1.023MHz，多普勒频率根据理论推导可知其范围在±5kHz以内，根据奈奎斯特采样定理可知，f_s≥2f_max就可以完整地保留原始信号中的信息，载波剥离后的数据采样率可设计为一个较低的值，比如3MHz。因此，降采样部分采用降20倍采样率，将采样过程如式(10)所示。

步骤3：中频混频减采样信号S_BFL与载波环路输出信号S_{mix_c}混频，其表达式如式(10)和式(5)所示。

步骤4：步骤3输出的混频信号经过积分清零输出I、Q支路信号，如式(6)，式(7)所示。

步骤5：I、Q支路输出结果I_P(t)和Q_P(t)经过鉴别器计算，滤波器滤波可得到输入信号与本地信号之间的频率和相位差异f_Δ+θ。

至此，完成对GPS的L1卫星导航信号的二次载波剥离跟踪。

Claims (1)

1.一种二次载波剥离跟踪方法，其特征在于包括下述步骤：

第一步，输入信号S_IF与本地中频信号S_{mix_IF}混频得到中频混频信号S_BF；

第二步，降采样处理，得到比中频混频信号S_BF更低数据速率的中频混频减采样信号其中，N为降采样倍数，S_BF(n)为中频混频信号S_BF的采样点；

第三步：中频混频减采样信号S_BFL与载波环路输出信号S_{mix_c}混频，其中载波环路输出信号S_{mix_c}(t)＝2c(t)cos[2π(f′_{D_acq}+f_Δ)t+θ]，c(t)为本地产生的同倍速率降采样的伪码；f′_{D_acq}为捕获的多普勒频移；f_Δ为载波跟踪多普勒误差；θ为载波跟踪相位差异；

第四步，第三步输出的混频信号经过积分清零输出I、Q支路信号I_P(t)和Q_P(t)，其中，I_P(t)＝aD(t)cos(ω_et+θ_e)，Q_P(t)＝aD(t)sin(ω_et+θ_e)，ω_e和θ_e分别为输入信号S_IF和本地信号S_mix之间的载波频率误差和初相误差，ω_e＝2πf₀-2π(f_{mix_IF}+f′_{D_acq}+f_Δ)，θ_e＝θ₀-θ；

第五步，I_P(t)和Q_P(t)经过鉴别器计算，滤波器滤波得到输入信号与本地信号之间的频率和相位差异f_Δ+θ。