CN109633713B

CN109633713B - 一种北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法

Info

Publication number: CN109633713B
Application number: CN201811626011.5A
Authority: CN
Inventors: 刘鲲; 刘元成; 龙必起; 陈丽恒
Original assignee: Leaguer Microelectronics Co ltd
Current assignee: Leaguer Microelectronics Co ltd
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-06-23
Anticipated expiration: 2038-12-28
Also published as: CN109633713A

Abstract

本发明公开了一种北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法，包括以下步骤：S1、信号经伪码解扩进入相关器；S2、根据累加运算结果，进行电文自预测；S3、使用预测值对接收信号进行电文剥离；S4、对电文剥离后的数据进行缓存；S5、得到数据的粗鉴频的频率误差值df₁；S6、得到数据的细鉴频的频率误差df₂；S7、将粗鉴频的频率误差值df₁和细鉴频的频率误差值df₂进行相加得到总频率误差值；S8、将总频率误差信号送入环路滤波器进行滤波；S9、环路滤波器输出信号驱动数控振荡器，进行频率跟踪。本发明通过采用进行过频率误差补偿的超前滞后非相干鉴频，频率跟踪环路更能细致地实施频率跟踪，提高了环路的稳定性。

Description

一种北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法

技术领域

本发明属于卫星导航领域，特别是涉及一种北斗导航弱信号接收的载波频率跟踪方法。

背景技术

卫星导航系统已经成为当今世界国家综合国力及科学技术发展水平的重要标志，是国家经济基础的重要组成部分，它已经进入人们的日常生活中，与社会发展和经济建设息息相关。我国也已经投入大量的资金和人力，积极进行北斗卫星导航系统(BeiDouNavigation Satellite System，BDS)的研究。到2020年左右，我国将建成覆盖全球的北斗卫星导航系统，其将成为继美国GPS、俄罗斯GLONASS和欧洲Galileo之后的又一个全球全天候的卫星导航系统。

随着卫星导航应用的进一步发展，要求接收机能工作于更为严苛的应用环境下，例如，城市峡谷、林荫大道等卫星信号严重遮挡环境。所谓的高灵敏度接收机(HS-GNSS,High Sensitivity-Global Navigation Satellite Systems),就是为满足此类对弱信号接收的需求。载波跟踪环路是弱信号接收的关键环节，其性能对高灵敏度接收机具有重要影响。通常，通过加长相干积分时间，来抵抗弱信号中噪声的影响，以提高载波跟踪环路性能。基于FFT鉴频的载波频率跟踪，利用了FFT频谱分析，得到频率误差信号。同时，FFT变换也是一个相干积分过程。然而，受限于FFT实现的复杂度以及频率跟踪环路迟延，FFT鉴频算法的相干积分时间不能太长。另一方面，较短的相干积分时间会带来FFT频谱分析分辨率低的问题。

发明内容

本发明提供一种北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法，可用于弥补FFT鉴频器频率分辨率低的不足，改善频率跟踪环路的稳定性。

本发明提出的一种北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法，包括以下步骤：

S1、接收信号经过伪码解扩以及载波剥离后，进入相关器进行累加运算，取得相关值；

S2、根据累加运算结果，进行电文自预测，通过电文自预测算法估计得出卫星发送信号中的电文数据比特，取得电文剥离所必需的电文比特；

S3、使用步骤S2中自预测算法估计得出的电文数据比特，对接收信号进行电文剥离，以去除电文数据调制对相干积分的影响；

S4、对电文剥离后的数据进行缓存，缓存到预定的N个数据；

S5、对所述N个数据进行FFT鉴频，得到粗鉴频的频率误差值df₁；

S6、对所述N个数据进行超前滞后非相干鉴频，得到细鉴频的频率误差值df₂；

S7、将粗鉴频的频率误差值df₁和细鉴频的频率误差值df₂进行相加得到总频率误差值；

S8、将所述总频率误差值送入环路滤波器进行滤波；

S9、环路滤波器输出信号驱动数控振荡器，进行频率跟踪。

优选地，S5包括以下步骤：S5.1、对输入的所述N个数据进行FFT变换；S5.2、对FFT变换输出进行模平方运算；S5.3、从模平方后的N个数据中搜索最大值，并得到最大值所对应的索引idx，其中，当索引idx>N/2时，idx＝idx–N；S5.4、计算粗鉴频的频率误差df₁＝idx/(Tcoh*N)，其中，Tcoh表示相关积分时间。

优选地，S6包括以下步骤：S6.1、利用上述的频率误差信号df₁和超前滞后非相干鉴频器的频率鉴别间隔fsh，进行频率搬移；S6.2、对频率搬移后的信号进行相干累加得到Xl＝∑Zl(i)，Xr＝∑Zr(i)，i＝1，2，…N；其中，Z1表示超前支路进行频率搬移后的信号值，Zr表示滞后支路进行频率搬移后的信号值；S6.3、累加后的信号再进行模平方El＝|Xl|²，Er＝|Xr|²；S6.4、对模平方输出信号进行频率误差计算，得到细鉴频的频率误差df₂。

优选地，S6.1中超前支路进行频率搬移后的公式为：Zl＝Y*exp(-j2pi(df₁–fsh))；滞后支路进行频率搬移后的公式为：Zr＝Y*exp(-j2pi(df₁+fsh))，其中，Y＝Yi+jYq为相关器输出的复数信号，pi为圆周率，fsh为超前滞后非相干鉴频器的频率鉴别间隔。

优选地，S6.1中频率鉴别间隔fsh满足条件fsh≤1/(Tcoh*N)。

优选地，S6.4中细鉴频的超前滞后非相干鉴频的频率误差计算公式为：

一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以上述任一项所述方法。

本发明的有益效果包括：通过采用进行过频率误差补偿的超前滞后非相干鉴频，频率跟踪环路更能细致地实施频率跟踪，提高了环路的稳定性。

附图说明

图1是本发明实施例的载波频率跟踪环路框图。

图2是本发明实施例的FFT鉴频器的处理流程图。

图3是本发明实施例的超前滞后非相干鉴频器的处理流程图。

图4是本发明实施例的频率跟踪环路的多普勒频率仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

如图1所示，为本发明实施例的的载波频率跟踪环路框图。接收信号经过伪码解扩以及载波剥离后，送入相关器，相关积分时间(Tcoh)为一个电文比特，即相关积分时间Tcoh＝20ms。

相关器输出的相关值，送入电文自预测，估计出卫星发送信号中的电文数据比特Dn。使用自预测算法估计得出的电文数据比特Dn对接收信号进行电文剥离，以去除电文数据调制对后续的相干积分的影响。电文自预测算法，可以采用已知的最大似然估计(Maximum likelihood，ML)的算法，或者差分解调估计算法，这里不作限定。

电文剥离后的数据送入缓存器，缓存到预定的N个数据后，送入FFT鉴频器和超前滞后非相干鉴频器。

如图2所示为FFT鉴频器的处理流程图，包括下列步骤(下述步骤中N代表上述预定的数据的个数)：

对输入的N个采样数据进行FFT变换；

对FFT变换输出进行模平方运算；

从模平方后的N个数据中搜索最大值，并得到最大值所对应的索引idx；

当且仅当索引idx>N/2时，idx＝idx–N；

计算粗鉴频的频率误差df₁＝idx/(Tcoh*N)。

粗鉴频的频率误差df₁送入超前滞后非相干鉴频器。利用df₁，非相干鉴频器可以对输入信号中的频率误差进行初略的校正，以便进行细鉴频。

超前滞后非相干鉴频器的处理流程如图3所示，包括下列步骤：

超前支路进行频率搬移，得到搬移后的信号值Z1，如公式(1)：

Zl＝Y*exp(-j2pi(df₁–fsh)) (1)

式中，pi为圆周率，Y为相关器输出的复数信号，Y＝Yi+jYq，fsh为超前滞后非相干鉴频器的频率鉴别间隔，其必须满足条件fsh≤1/(Tcoh*N)。间隔越小，鉴频输出的线性度越好，优选地，fsh可选择为1/(Tcoh*N*8)。

滞后支路进行频率搬移，得到搬移后的信号值Zr，如公式(2)，表示滞后支路进行频率搬移后的信号值：

Zr＝Y*exp(-j2pi(df₁+fsh)) (2)

对频率搬移后的信号进行相干累加，如公式(3)：

Xl＝∑Zl(i),i＝1,2,…N

Xr＝∑Zr(i),i＝1,2,…N (3)

公式(3)中，X1表示总的超前支路进行频率搬移后的信号值之和，Xr表示总的滞后支路进展频率搬移后的信号值之和。

对上述进行相干累加后的信号再进行模平方，如公式(4)：

El＝|Xl|²

Er＝|Xr|² (4)

最后，进行频率误差计算，得到细鉴频的频率误差df₂，频率误差计算公式为：

FFT鉴频得到的粗鉴频信号df₁和非相干鉴频器得到的细鉴频信号df₂相加，得到总的载波频率误差信号。频率误差信号送入环路滤波器进行滤波后，驱动数控振荡器(NCO，numerically controlled oscillator)，完成载波频率跟踪。

如图4所示的频率跟踪环路的多普勒频率仿真结果示意图，图中的1代表仿真参考，该仿真曲线在10s后没有加入噪声，故多普勒频率非常稳定；2代表本发明实施例的仿真结果；3代表采用FFT鉴频算法的仿真结果。从图中可以看出，本发明的频率误差补偿的超前滞后非相干鉴频比传统的FFT鉴频更为稳定。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，该计算机程序可被处理器执行以实现上述任一种所述方法。

本领域技术人员将认识到，对以上描述做出众多变通是可能的，所以实施例和附图仅是用来描述一个或多个特定实施方式。

尽管已经描述和叙述了被看作本发明的示范实施例，本领域技术人员将会明白，可以对其做出各种改变和替换，而不会脱离本发明的精神。另外，可以做出许多修改以将特定情况适配到本发明的教义，而不会脱离在此描述的本发明中心概念。所以，本发明不受限于在此披露的特定实施例，但本发明可能还包括属于本发明范围的所有实施例及其等同物。

Claims

1.一种北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

S2、根据累加运算结果，进行电文自预测，通过电文自预测算法估计得出卫星发送信号中的电文数据比特；

S3、使用步骤S2中电文自预测算法估计得出的电文数据比特，对接收信号进行电文剥离，以去除电文数据调制对相干积分的影响；

S4、对电文剥离后的数据进行缓存，缓存到预定的N个数据；

S6、对所述N个数据进行超前和滞后非相干鉴频，得到细鉴频的频率误差值df₂；

S8、将所述总频率误差值送入环路滤波器进行滤波；

S9、环路滤波器输出信号驱动数控振荡器，进行频率跟踪。

2.如权利要求1所述的北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法，其特征在于，S5包括以下步骤：

S5.1、对输入的所述N个数据进行FFT变换；

S5.2、对FFT变换输出进行模平方运算；

S5.3、从模平方后的N个数据中搜索最大值，并得到最大值所对应的索引idx，其中，当索引idx>N/2时，idx＝idx–N；

S5.4、计算粗鉴频的频率误差值df1＝idx/(Tcoh*N)，其中，Tcoh表示相关积分时间。

3.如权利要求1所述的北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法，其特征在于，S6包括以下步骤：

S6.1、利用粗鉴频的频率误差值df₁和超前滞后非相干鉴频器的频率鉴别间隔fsh，进行频率搬移；

S6.2、对频率搬移后的信号进行相干累加得到Xl＝∑Zl(i)，Xr＝∑Zr(i)，i＝1，2，…N；其中，Z1表示超前支路进行频率搬移后的信号值，Zr表示滞后支路进行频率搬移后的信号值；

S6.3、对S6.2中进行相干累加后的信号值X1和Xr再分别进行模平方，即El＝|Xl|²，Er＝|Xr|²；

S6.4、对模平方输出信号进行频率误差计算，得到细鉴频的频率误差值df₂。

4.如权利要求3所述的北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法，其特征在于：S6.1中超前支路进行频率搬移后的公式为：Zl＝Y*exp(-j2pi(df₁–fsh))，滞后支路进行频率搬移的公式为：Zr＝Y*exp(-j2pi(df₁+fsh))，其中，Y＝Yi+j Yq为相关器输出的复数信号，pi为圆周率，fsh为超前滞后非相干鉴频器的频率鉴别间隔。

5.如权利要求3所述的北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法，其特征在于：S6.1中频率鉴别间隔fsh满足条件fsh≤1/(Tcoh*N)。

6.如权利要求3所述的北斗导航弱信号接收的频率跟踪方法，其特征在于：S6.4中细鉴频的超前滞后非相干鉴频的频率误差计算公式为：

7.一种计算机可读存储介质，其存储有与计算设备结合使用的计算机程序，所述计算机程序可被处理器执行以实现权利要求1至6任一项所述方法。