CN109581432A - 一种星载导航接收机跟踪环路及其处理方法 - Google Patents

一种星载导航接收机跟踪环路及其处理方法 Download PDF

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CN109581432A CN201811564460.1A CN201811564460A CN109581432A CN 109581432 A CN109581432 A CN 109581432A CN 201811564460 A CN201811564460 A CN 201811564460A CN 109581432 A CN109581432 A CN 109581432A
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Abstract

本发明公开了一种星载导航接收机跟踪环路及其处理方法：(1)、分别对伪码剥离后的I支路和Q支路的超前相位信号、即时相位信号、滞后相位信号，在一个数据周期内进行积分累加；(2)、消除第一相干累加器的积分累加结果中调制的导航数据符号；(3)、分别对消除导航数据符号的I支路和Q支路超前相位信号、即时相位信号、滞后相位信号进行二次积分累加。(4)、利用I支路和Q支路超前相位信号、即时相位信号、滞后相位信号进行二次积分累加结果，进行载波跟踪环路和伪码跟踪环路鉴相、滤波处理得到载波频率控制字和伪码频率控制字。本发明减少了环路处理器的中断次数，有效降低了星载导航接收机处理器工作钟频率的要求。

Description

一种星载导航接收机跟踪环路及其处理方法
技术领域
本发明涉及一种星载导航接收机跟踪环路及其处理方法，属于卫星导航信号接收技术领域。
背景技术
在接收GNSS导航信号时，接收机跟踪环路需要对导航信号进行相干积分处理从而实现对信号伪随机噪声(PRN)码相位跟踪。由于导航信号中调制了电文数据信息且无法预测电文数据符号翻转，当接收机跟踪环路的相干积分时间大于电文数据比特宽度时，会遇到电文数据符号翻转，造成相干积分累加值损失，降低跟踪环路的稳定性和PRN码相位的跟踪精度，增加接收机定位误差。因此，在传统导航信号接收机中，跟踪环路的最大相干积分时间等于导航电文数据位宽宽度。
星载GNSS接收机需要跟踪GPS和北斗两个系统的卫星信号进行定位。GPS L1 C/A码信号导航电文速率为50bit/秒，电文数据位宽为20ms。跟踪通道完成20ms的相干积分后，向处理器发送一个中断信号。在收到中断信号后，处理器读取相干积分值进行鉴相和滤波处理，调整跟踪通道本地伪码相位，对接收的导航信号进行闭环跟踪。在跟踪GPS C/A码信号时，单个跟踪通道中断生成频率为50次/秒。
北斗B1I信号导航电文数据速率分为两种，第一种是由MEO卫星和IGSO卫星发射的B1I导航信号，其包含的D1导航电文数据速率50bit/秒。第二种是由GEO卫星发射的B1I导航信号，其包含的D2导航电文数据速率为500bit/秒。对于MEO/IGSO卫星信号，其电文数据速率与GPS类似，其跟踪通道中断生成频率为50次/秒；对于GEO卫星信号，其电文数据速率为500bit/秒，其跟踪通道中断生成频率为500次/秒，是前一种中断生成速率的10倍。
星载GNSS接收机同时对GPS和北斗两大系统的卫星信号进行多频点跟踪。若星载GNSS接收机跟踪GPS的L1CA、L5I、以及北斗的B1I、B3I共4个频点信号，每个频点信号配置12个跟踪通道，则接收机包含多达48个跟踪通道。假设接收机跟踪了GPS和北斗共24颗导航卫星，其中包含5颗北斗GEO卫星，则这些跟踪通道中断生成频率可达6900次/秒，这对接收机处理器性能提出了很高的要求。由于卫星载荷体积、重量、功率、抗辐射等要求，可选择的星载宇航级CPU器件的处理性能通常弱于地面接收机使用的CPU器件，星载处理器难以满足接收机处理速度要求。
如果可以延长接收机的相干累加时间，实现跨数据位宽的数据累加，就可以有效减小中断信号的产生频率，尤其是减小GEO卫星信号跟踪通道的中断产生频率。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种星载导航接收机跟踪环路及其处理方法，采用多周期相干累加方法，降低对星载CPU处理器的性能要求。
本发明的技术解决方案是：一种星载导航接收机跟踪环路，该跟踪环路包括第一相干累加器、符号变换器、第二相干累加器、环路处理器。其中：
第一相干累加器，分别对伪码剥离后的I支路超前相位信号IEmix(n)、I支路即时相位信号IPmix(n)、I支路滞后相位信号ILmix(n)、Q支路超前相位信号QEmix(n)、Q支路即时相位信号QPmix(n)、Q支路滞后相位信号QLmix(n)在一个数据周期内进行积分累加，得到I支路超前相位相干累加数据IEraw(n)、I支路即时相位相干累加数据IPraw(n)、I支路滞后相位相干累加数据ILraw(n)、Q支路超前相位相干累加数据QEraw(n)、Q支路即时相位相干累加数据QPraw(n)、Q支路滞后相位相干累加数据QLraw(n)；
符号变换器，消除第一相干累加器的积分累加结果中调制的导航数据符号，并将消除导航数据符号的I支路超前相位信号IEns(n)、I支路即时相位信号IPns(n)、I支路滞后相位信号ILns(n)、Q支路超前相位信号QEns(n)、Q支路即时相位信号QPns(n)、Q支路滞后相位信号QLns(n)输出至第二相干累加器；
第二相干累加器，分别对消除导航数据符号的I支路超前相位信号IEns(n)、I支路即时相位信号IPns(n)、I支路滞后相位信号ILns(n)、Q支路超前相位信号QEns(n)、Q支路即时相位信号QPns(n)、Q支路滞后相位信号QLns(n)进行二次积分累加，得到I支路超前相位二次累加数据IE(n)、Q支路超前相位二次累加数据QE(n)、I支路即时相位二次累加数据IP(n)、Q支路即时相位二次累加数据QP、I支路滞后相位二次累加数据IL(n)、Q支路滞后相位二次累加数据QL(n)，在二次积分完成时刻发送跟踪处理中断信号至环路处理器；
环路处理器，响应跟踪处理中断信号，读取二次累加数据IE(n)、QE(n)、IP(n)、QP(n)、IL(n)、QL(n)，进行载波跟踪环路和伪码跟踪环路鉴相、滤波处理得到载波频率控制字和伪码频率控制字，并将频率控制字分别输出给本地载波生成器和本地伪码生成器。
所述第一相干累加器的相干积分时间Tr满足如下条件：
式中，Bw导航电文数据位宽，N为正整数，N≥1，Tc为导航信号PRN码周期。
所述第二相干累加器的二次相干积分时间T大于一个数据位宽。
所述符号变换器的具体实现为：以即时I路累加数据IPraw(n)为准，对每组原始相干累加数据进行符号处理，当IPraw(n)为正数时，则保持相干累加数据原有符号不变；当IPraw(n)为负数时，则将相干累加数据都乘以-1。
本发明提供的另一个技术解决方案是：一种星载导航接收机跟踪环路处理方法，该方法包括如下步骤：
(1)、分别对伪码剥离后的I支路超前相位信号IEmix(n)、I支路即时相位信号IPmix(n)、I支路滞后相位信号ILmix(n)、Q支路超前相位信号QEmix(n)、Q支路即时相位信号QPmix(n)、Q支路滞后相位信号QLmix(n)在一个数据周期内进行积分累加；
(2)、消除第一相干累加器的积分累加结果中调制的导航数据符号；
(3)、分别对消除导航数据符号的I支路超前相位信号IEns(n)、I支路即时相位信号IPns(n)、I支路滞后相位信号ILns(n)、Q支路超前相位信号QEns(n)、Q支路即时相位信号QPns(n)、Q支路滞后相位信号QLns(n)进行二次积分累加，得到I支路超前相位二次累加数据IE(n)、Q支路超前相位二次累加数据QE(n)、I支路即时相位二次累加数据IP(n)、Q支路即时相位二次累加数据QP(n)、I支路滞后相位二次累加数据IL(n)、Q支路滞后相位二次累加数据QL(n)。
(4)、利用I支路超前相位二次累加数据IE(n)、Q支路超前相位二次累加数据QE(n)、I支路即时相位二次累加数据IP(n)、Q支路即时相位二次累加数据QP(n)、I支路滞后相位二次累加数据IL(n)、Q支路滞后相位二次累加数据QL(n)，进行载波跟踪环路和伪码跟踪环路鉴相、滤波处理得到载波频率控制字和伪码频率控制字，用于控制本地载波生成器输出的载波频率和本地伪码生成器输出的伪码频率。
所述载波跟踪环路鉴相公式为：
式中，为载波跟踪环路鉴相器输出。
所述载波跟踪环路的环路滤波器采用三阶滤波器。
所述伪码跟踪环路的鉴相公式为：
式中：δ(n)为伪码跟踪环路鉴相器输出。
所述伪码跟踪环路的环路滤波器采用二阶滤波器。
所述跟踪处理中断信号触发周期与第二相干累加器的二次相干积分时间T一致。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)、本发明通过消除导航数据符号的影响，实现了跨数据位宽相关值累加，减少了处理器的中断次数，有效降低了星载导航接收机处理器性能要求；
(2)、本发明提供了通过初始相干累加值符号转换，在不增加运算复杂度的情况下，可以消除导航数据符号翻转对相干累加的影响。
附图说明
图1为本发明公开的导航信号跨数据位宽相关值累加跟踪通道方案图；
图2为本发明实施例累加值符号变换示意图；
图3为本发明实施例第二相干累加器进行二次累加示意图。
图4为本发明实施例三阶环路滤波器示意图。
图5为本发明实施例二阶环路滤波器示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供了星载导航接收机跟踪环路及其处理方法，适用于常见的GNSS导航信号，包括GPS的L1CA信号，L5信号，北斗的B1I、B2a，B3I信号。
特别地，对于电文数据速率为500bit/秒的北斗GEO卫星信号，采用可以有效降低处理器中断生成频率，降低对星载处理器的性能需求。
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参考附图1，以本发明公开的一种星载接收机跟踪环路的具体实施例。对本发明进一步详细说明。
如图1所示，本实施例星载接收机跟踪环路包括本地载波发生器、本地伪码生成器、第一相干累加器、符号变换器、第二相干累加器、环路处理器。其中，本地载波发生器、本地伪码生成器、第一相干累加器、符号变换器、第二相干累加器采用FPGA实现，环路处理器采用CPU实现。
具体描述如下：
(1)载波发生器
载波发生器根据环路处理器输出的载波频率控制字，调整本地载波相位，生成正弦载波Isin(n)和余弦载波Qcos(n)。
(2)去载波器
去载波器将本地载波发生器输出的正弦载波Isin(n)和余弦载波Qcos(n)与接收到的导航信号通过乘法器进行正交混频运算，得到去除载波后的I支路信号Imix(n)和Q支路信号Qmix(n)。
(3)伪码发生器
伪码发生器根据伪码频率控制字，调整的本地伪码，生成本地超前相位伪码信号E(n)、即时相位伪码信号P(n)、滞后相位伪码信号L(n)；
(4)相关器
相关器将伪码生成器生成的本地超前相位伪码信号E(n)、即时相位伪码信号P(n)、滞后相位伪码信号L(n)，分别与去除载波后的I支路Imix(n)进行相关运算，得到伪码剥离后的I支路超前相位信号IEmix(n)、I支路即时相位信号IPmix(n)、I支路滞后相位信号ILmix(n)；将伪码生成器生成的本地超前相位伪码信号E(n)、即时相位伪码信号P(n)、滞后相位伪码信号L(n)分别与去除载波后的Q支路Qmix(n)进行相关运算，得到伪码剥离后的Q支路超前相位信号QEmix(n)、Q支路即时相位信号QPmix(n)、Q支路滞后相位信号QLmix(n)。
(5)第一相干累加器
第一相干累加器分别对伪码剥离后的I支路超前相位信号IEmix(n)、I支路即时相位信号IPmix(n)、I支路滞后相位信号ILmix(n)、Q支路超前相位信号QEmix(n)、Q支路即时相位信号QPmix(n)、Q支路滞后相位信号QLmix(n)在一个数据周期内进行积分累加，得到I支路超前相位相干累加数据IEraw(n)、I支路即时相位相干累加数据IPraw(n)、I支路滞后相位相干累加数据ILraw(n)、Q支路超前相位相干累加数据QEraw(n)、Q支路即时相位相干累加数据QPraw(n)、Q支路滞后相位相干累加数据QLraw(n)；
第一相干累加器的相干积分时间Tr满足如下条件：
式中，Bw导航电文数据位宽，N为正整数，N≥1，Tc为导航信号PRN码周期。
(6)符号变换器
由于导航信号中调制了电文数据信息，原始相干累加数据IEraw(n)、QEraw(n)、IPraw(n)、QPraw(n)、ILraw(n)、QLraw(n)可能为正也可能为负，需要消除初始相干累加数据中电文数据的影响。
符号变换器消除第一相干累加器的积分累加结果中调制的导航数据符号，并将消除导航数据符号的I支路超前相位信号IEns(n)、I支路即时相位信号IPns(n)、I支路滞后相位信号ILns(n)、Q支路超前相位信号QEns(n)、Q支路即时相位信号QPns(n)、Q支路滞后相位信号QLns(n)输出至第二相干累加器；
由于每组原始相干累加数据包含超前I路和Q路累加数据IEraw(n)、QEraw(n)、即时I路和Q路累加数据IPraw(n)、QPraw(n)、滞后I路和Q路累加数据ILraw(n)、QLraw(n)，这里以即时I路累加数据IPraw(n)为准，对每组原始相干累加数据进行符号处理。当IPraw(n)为正数时，则保持相干累加数据原有符号不变；当IPraw(n)为负数时，则将相干累加数据都乘以-1。即当IPraw(n)为正数时，则该组原始相干累加数据保持原有符号不变，即输出值IEns(n)＝IEraw(n)、QEns(n)＝QEraw(n)、IPns(n)＝IPraw(n)、QPns(n)＝QPraw(n)、ILns(n)＝ILraw(n)、QLns(n)＝QLraw(n)；当IPraw(n)为负数时，则将该组原始相干累加数据都乘以-1，即输出值IEns(n)＝-IEraw(n)、QEns(n)＝-QEraw(n)、IPns(n)＝-IPraw(n)、QPns(n)＝-QPraw(n)、ILns(n)＝-ILraw(n)、QLns(n)＝-QLraw(n)。累加值符号变换示意图如图2所示。
(7)、第二相干累加器
第二相干累加器分别对消除导航数据符号的I支路超前相位信号IEns(n)、I支路即时相位信号IPns(n)、I支路滞后相位信号ILns(n)、Q支路超前相位信号QEns(n)、Q支路即时相位信号QPns(n)、Q支路滞后相位信号QLns(n)进行二次积分累加，得到I支路超前相位二次累加数据IE(n)、Q支路超前相位二次累加数据QE(n)、I支路即时相位二次累加数据IP(n)、Q支路即时相位二次累加数据QP、I支路滞后相位二次累加数据IL(n)、Q支路滞后相位二次累加数据QL(n)，在二次累加完成时刻发送跟踪处理中断信号至环路处理器；
对Nr组原始累加值IEns(n)、QEns(n)、IPns(n)、QPns(n)、ILns(n)、QLns(n)的6种数据分别按照公式(2)～(6)进行累加，示意图如图3所示：
T为第二相干累加器总的相干累加时间，累加次数Nr与T应满足以下关系：
式中，Nr为正整数。
(8)环路处理器
环路处理器响应跟踪处理中断信号，读取二次累加数据IE(n)、QE(n)、IP(n)、QP(n)、IL(n)、QL(n)，进行载波跟踪环路和伪码跟踪环路鉴相、滤波处理得到载波频率控制字和伪码频率控制字，并将频率控制字分别输出给本地载波生成器和本地伪码生成器。
所述载波跟踪环路鉴相公式为：
式中，为载波跟踪环路鉴相器输出。
载波环路滤波器的相干累加时间设为T，使用三阶环路滤波器对载波鉴相输出进行滤波，并根据滤波结果计算载波频率控制字。
滤波器框图4所示，图中参数应满足如下条件：
所述伪码跟踪环路的鉴相公式为：
伪码环路滤波器的相干累加时间设为T，使用二阶环路滤波器对伪码鉴相输出进行滤波，并根据滤波结果计算伪码频率控制字输出给本地伪码生成器。
滤波器框图5所示，图中参数应满足如下条件：
根据滤波结果计算伪码频率控制字输出给本地伪码生成器。
对于电文数据速率500bit/秒，电文bit宽度2ms的北斗GEO卫星B1I信号而言，第一相干累加器相干积分时间为2ms，第二相干累加器的积分时间设为20ms，中断时间间隔为20ms，每次需要对10组原始累加值的数据分别进行累加，将第二次累加值输出给处理器，进行鉴相运算。
本发明通过消除导航数据符号的影响，实现了跨数据位宽相关值累加，减少了处理器的中断次数，有效降低了星载导航接收机处理器工作钟频率的要求。
本说明书中未进行详细描述部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种星载导航接收机跟踪环路，其特征在于包括第一相干累加器、符号变换器、第二相干累加器、环路处理器；其中：
第一相干累加器，分别对伪码剥离后的I支路超前相位信号IEmix(n)、I支路即时相位信号IPmix(n)、I支路滞后相位信号ILmix(n)、Q支路超前相位信号QEmix(n)、Q支路即时相位信号QPmix(n)、Q支路滞后相位信号QLmix(n)在一个数据周期内进行积分累加，得到I支路超前相位相干累加数据IEraw(n)、I支路即时相位相干累加数据IPraw(n)、I支路滞后相位相干累加数据ILraw(n)、Q支路超前相位相干累加数据QEraw(n)、Q支路即时相位相干累加数据QPraw(n)、Q支路滞后相位相干累加数据QLraw(n)；
符号变换器，消除第一相干累加器的积分累加结果中调制的导航数据符号，并将消除导航数据符号的I支路超前相位信号IEns(n)、I支路即时相位信号IPns(n)、I支路滞后相位信号ILns(n)、Q支路超前相位信号QEns(n)、Q支路即时相位信号QPns(n)、Q支路滞后相位信号QLns(n)输出至第二相干累加器；
第二相干累加器，分别对消除导航数据符号的I支路超前相位信号IEns(n)、I支路即时相位信号IPns(n)、I支路滞后相位信号ILns(n)、Q支路超前相位信号QEns(n)、Q支路即时相位信号QPns(n)、Q支路滞后相位信号QLns(n)进行二次积分累加，得到I支路超前相位二次累加数据IE(n)、Q支路超前相位二次累加数据QE(n)、I支路即时相位二次累加数据IP(n)、Q支路即时相位二次累加数据QP、I支路滞后相位二次累加数据IL(n)、Q支路滞后相位二次累加数据QL(n)，在二次积分完成时刻发送跟踪处理中断信号至环路处理器；
环路处理器，响应跟踪处理中断信号，读取二次累加数据IE(n)、QE(n)、IP(n)、QP(n)、IL(n)、QL(n)，进行载波跟踪环路和伪码跟踪环路鉴相、滤波处理得到载波频率控制字和伪码频率控制字，并将频率控制字分别输出给本地载波生成器和本地伪码生成器。
2.根据权利要求1所述的一种星载导航接收机跟踪环路，其特征在于所述第一相干累加器的相干积分时间Tr满足如下条件：
式中，Bw导航电文数据位宽，N为正整数，N≥1，Tc为导航信号PRN码周期。
3.根据权利要求1所述的一种星载导航接收机跟踪环路，其特征在于所述第二相干累加器的二次相干积分时间T大于一个数据位宽。
4.根据权利要求1所述的一种星载导航接收机跟踪环路，其特征在于所述符号变换器的具体实现为：以即时I路累加数据IPraw(n)为准，对每组原始相干累加数据进行符号处理，当IPraw(n)为正数时，则保持相干累加数据原有符号不变；当IPraw(n)为负数时，则将相干累加数据都乘以-1。
5.一种星载导航接收机跟踪环路处理方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)、分别对伪码剥离后的I支路超前相位信号IEmix(n)、I支路即时相位信号IPmix(n)、I支路滞后相位信号ILmix(n)、Q支路超前相位信号QEmix(n)、Q支路即时相位信号QPmix(n)、Q支路滞后相位信号QLmix(n)在一个数据周期内进行积分累加；
(2)、消除第一相干累加器的积分累加结果中调制的导航数据符号；
(3)、分别对消除导航数据符号的I支路超前相位信号IEns(n)、I支路即时相位信号IPns(n)、I支路滞后相位信号ILns(n)、Q支路超前相位信号QEns(n)、Q支路即时相位信号QPns(n)、Q支路滞后相位信号QLns(n)进行二次积分累加，得到I支路超前相位二次累加数据IE(n)、Q支路超前相位二次累加数据QE(n)、I支路即时相位二次累加数据IP(n)、Q支路即时相位二次累加数据QP(n)、I支路滞后相位二次累加数据IL(n)、Q支路滞后相位二次累加数据QL(n)。
(4)、利用I支路超前相位二次累加数据IE(n)、Q支路超前相位二次累加数据QE(n)、I支路即时相位二次累加数据IP(n)、Q支路即时相位二次累加数据QP(n)、I支路滞后相位二次累加数据IL(n)、Q支路滞后相位二次累加数据QL(n)，进行载波跟踪环路和伪码跟踪环路鉴相、滤波处理得到载波频率控制字和伪码频率控制字，用于控制本地载波生成器输出的载波频率和本地伪码生成器输出的伪码频率。
6.根据权利要求1所述的一种星载导航接收机跟踪环路处理方法，其特征在于所述载波跟踪环路鉴相公式为：
式中，为载波跟踪环路鉴相器输出。
7.根据权利要求1所述的一种星载导航接收机跟踪环路处理方法，其特征在于所述载波跟踪环路的环路滤波器采用三阶滤波器。
8.根据权利要求1所述的一种星载导航接收机跟踪环路处理方法，其特征在于所述伪码跟踪环路的鉴相公式为：
式中：δ(n)为伪码跟踪环路鉴相器输出。
9.根据权利要求1所述的一种星载导航接收机跟踪环路处理方法，其特征在于所述伪码跟踪环路的环路滤波器采用二阶滤波器。
10.根据权利要求1所述的一种星载导航接收机跟踪环路处理方法，其特征在于所述跟踪处理中断信号触发周期与第二相干累加器的二次相干积分时间T一致。
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