CN111399006B - 一种高灵敏度gnss载波跟踪环路优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法，用于卫星导航信号载波信号跟踪优化，当GNSS完成信号捕获，进入频率锁定环路处理，同时执行高灵敏度比特同步处理方法，在存在多普勒残余频率的情况下，实现数据电文比特边沿检测，确定边沿后进一步增加积分时间，提高相位锁定环路灵敏度。本发明针对相关器输出的累加量前后共轭相乘后，进行跨电文部分相干累加，然后与构造的电文跳变序列进行循环相关，实现电文跳变边沿检测。本发明作为GNSS接收机高动态高灵敏度载波跟踪环路优化方法，同时适用于其他扩频信号捕获。

Description

一种高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法

技术领域

本申请涉及卫星应用技术领域，特别是涉及一种高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法。

背景技术

高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法，主要是实现GNSS接收机在高动态、接收信号 功率微弱的条件下高灵敏度载波环路跟踪处理，是高动态高灵敏导航接收机中重要的一个环 节。

基于卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)具有全天候、高精度、 自动化、高性能等显著特点，并且为无源自主定位系统，使用其更容易获取载体的位置和飞 行参数。随着航天技术发展，人类探测范围逐步增大。目前，GNSS接收机已经在3000km以 下的低轨空间和地面用户取得了广泛的应用。针对3000km～36,000km轨道范围的卫星，开展 高灵敏度GNSS接收机设计与自主导航技术研究已经成为当前热点，并且针对10万公里轨道 以上，甚至月球空间航天器的GNSS可用性也已开展了研究工作。GNSS接收机处于高轨道， 接收地球对面导航星主瓣和旁瓣信号受传输路径衰减更大，接收信号功率更低，需要进一步 提高接收机的灵敏度。

针对地面用户的GNSS接收机，在空旷的场所中，接收信号功率比较强，当接收机处于 丛林、沟壕、街巷等复杂场所时，接收信号功率也会受到严重影响，对提高接收机灵敏度也 有一定的应用需求。

传统GNSS接收机环路，尤其是载波跟踪环路中的PLL处理，由于受到导航电文跳变的 影响，相干积分时间不能太长，因此严重影响了PLL跟踪灵敏度。本发明在接收机执行频率 锁定环路处理时，同时采用了高灵敏度比特同步处理方法，在存在多普勒残余频率的情况下， 实现数据电文比特边沿检测，确定边沿后进一步增加积分时间，并转入PLL处理，提高PLL 跟踪灵敏度。传统接收机在FLL直接转PLL然后再进行比特同步，与本发明存在一定差异。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法，本方法针 对GNSS接收机高动态、接收信号功率微弱的工况下，实现高灵敏度导航信号载波跟踪处理。

本发明的技术解决方案是：

一种高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法，包括以下步骤：

(1)当接收机由信号捕获转入信号跟踪后，针对模数转换采样后的数字中频信号，与本 地载波和即时支路伪码完成信号相关处理，然后利用累加器，实现IQ两路信号相关处理值在 一个伪码周期T内的能量累加，累加结果记作Acc；

(2)连续将步骤(1)中的累加值Acc，同时送入高灵敏度比特同步模块和载波跟踪环 路鉴别器，首先执行频率锁定跟踪环路FLL处理，T_Fll为FLL相干积分时间长度，避免电文跳变影响，取值小于M×T/4，M为1个比特电文中伪码周期T的个数；

(3)高灵敏度比特同步检测处理完成后，给出导航数据电文比特跳变边沿的位置信息， 将步骤(2)中FLL处理切换为相位锁定跟踪环路PLL处理，且已知电文比特边沿信息后， 相干积分时间长度由T_Fll增加至T_Pll，T_Pll取值为M×T，并同步更换环路滤波器参数，通过增 加相干积分时间长度，提高PLL跟踪灵敏度。

其中，所述高灵敏度比特同步处理模块：

针对累加器连续输出的Acc，将当前Acc值与上一次Acc值的复共轭值相乘，相乘结果 为二维序列，记做Z_i，j，i＝1，2，……，B，B为数据比特个数，j＝1，2，……，M。然后对 二维序列按行相加求和，即

进行部分相干处理得到Y_j，再将Y_j与构造的电文跳变 序列D进行循环相关，相关结果最大值处对应j位置，即为电文跳变边沿位置。

进一步的，所述的电文跳变序列D，指的是一个长度为M的序列；

电文跳变序列D与Y_j存在相关性；

对于GPS系统，M＝20，在20个伪码周期内，仅存在一个电文跳变的可能，假设电文跳 变第1个位置，即

D＝{0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1}

对于GLONASS系统，M＝20，在20个伪码周期内，除了存在一个电文跳变的可能，还存在明德码二次调制带来的电文跳变。假设数据电文跳变第1个位置，根据相对位置关系，在第11个位置处存在由明德码调制引起的电文跳变，即

D＝{0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1}

对于BDS系统的非GEO卫星，M＝20，在20个伪码周期内，除了存在一个电文跳变的可能，还存在NH码二次调制带来的电文跳变，北斗NH码如下：

NH＝{0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0}

假设数据电文跳变第1个位置，根据相对位置关系，NH码在第6、7、9、11、12、13、14、15、17、20位引起的电文跳变，即

D＝{0,1,1,1,1,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,1,0,1,1,0}

对于BDS系统的GEO卫星，M＝2，在2个伪码周期内，仅存在一个电文跳变的可能，假设电文跳变第1个位置，即D＝{0,1}；

所述的假设数据电文跳变第1个位置，也可假定在第n个位置，n＝2，3，……，M，但其位置与其他跳变相对位置关系不变，最大相关峰处对应值j加后上n，才表示电文跳变边沿 位置；

所述序列Y_j与序列D进行循环相关，其过程为：将部分相关处理结果Y_j进行M点FFT，将电文跳变序列D进行M点FFT再取共轭值，将两者结果相乘，然后再进行IFFT。

本申请提供一种高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法，直接应用于GNSS接收机。因 FLL比PLL具有更高的跟踪灵敏度，且在导航电文跳变边沿未知情况下，很难通过增加积分 时间的方法来提高跟踪灵敏度。因此，当GNSS信号完成高灵敏度捕获后，先使用FLL处理， 完成频率跟踪。尽管在接收机环路未实现相位锁定的FLL跟踪下，存在残余载波多普勒，本 发明方法任可实现高灵敏度电文跳变边沿检测，当已知电文跳变边沿信息后，可实现整个电 文周期的相干积分时间，提高了PLL环路跟踪灵敏度。

附图说明

图1为本发明方法流程图；

图2为本发明载波跟踪环路优化方法实现框图；

图3为本发明前后累加量复共轭值相乘实现框图；

图4为本发明基于电文跳变序列循环相关运算流程图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

本发明一种高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法，当接收机由信号捕获转入信号跟踪 后，将转入导航信号跟踪环路，通常GNSS接收机采用伪码跟踪环和载波跟踪环实现信号同 步处理。载波跟踪环相对于伪码跟踪环路更加脆弱，极易受到信号功率和飞行动态影响，本 方面针对载波跟踪环路进行优化设计。

当接收机由信号捕获转入信号跟踪后，针对模数转换生成的中频信号采样数据，完成与 本地NCO生成的载波相乘，与本地载波和即时支路伪码完成信号相关处理，然后利用累加器， 实现IQ两路信号相关处理值在一个伪码周期T内的能量累加，累加结果记作Acc。

将累加值Acc同时送入高灵敏度比特同步模块和载波环鉴别器，首先执行频率锁定跟踪 环路(FLL)处理，T_Fll为FLL相干积分时间长度，取值小于M×T/4，M为1个比特电文中伪码周期T的个数。

高灵敏度比特同步检测处理完成后，给出导航数据电文比特跳变边沿的位置后，将步骤 (2)中FLL处理切换为相位锁定环路(PLL)处理，已知电文比特边沿信息后，相干积分时 间长度由T_Fll增加至T_Pll，T_Pll取值为M×T，并同步更换环路滤波器参数，通过增加相干积分 时间长度，提高PLL跟踪灵敏度。

上述执行过程如图1和图2所示。

在高灵敏度比特同步处理模块中，针对累加器连续输出的Acc，将当前Acc值与上一次 Acc值的复共轭值相乘，相乘结果为二维序列，记做，i＝1，2，……，B，j＝1，2，……，M，B为数据比特个数。以GPS为例，每比特数据电文中包含20个伪码周期，M＝20，累加 值复共轭值相乘实现如图3所示，若为GLONASS系统实现方法与图中所示一致，若为BDS 系统中GEO卫星M＝2，非GEO卫星M＝20，比特个数B取值一般在50以上，但计算方式 一致。

通过复共轭值相乘方式计算求得的，其值与前后累加量Acc的相位差变化量直接相 关。若前后累加量Acc无电文跳变，尽管存在残余多普勒影响，则相位差在一个伪码周期内 变化量很小；若前后累加量Acc有电文跳变，则相位差会变化π值大小。

为降低数据处理量，提高比特同步处理增益，对经过复共轭值相乘的二维序列按行相 加求和，即

完成间隔数据位宽的部分相干处理得到Y_j。在求和过程中，若前后累加 量Acc无电文跳变，此时Y_j为相干累加值，能量值增加；若前后累加量Acc有电文跳变，相 位差会呈现﹢π和﹣π值交替变化，此时Y_j的相干累加值因为正负抵消，能量值最小。

Y_j为M维序列，j表示待估计的比特跳变的位置，本发明估计j位置的方法为：将Y_j与构造的电文跳变序列D进行循环相关，搜索相关结果最大值，最大值处对应j位置，即为电文跳变边沿位置，处理流程如图4所示。

由于Y_j中存在比特电文跳变的位置的能量最小。构造电文跳变序列D时，序列长度为M， 根据数据比特电文出现位置的特点，使构造D序列与Y_j具有相关性，构造方法如下：

对于GPS系统，M＝20，在20个伪码周期内，仅存在一个电文跳变的可能，假设电文跳 变第1个位置，即

D＝{0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1}

对于GLONASS系统，M＝20，在20个伪码周期内，除了存在一个电文跳变的可能，还存在明德码二次调制带来的电文跳变。假设数据电文跳变第1个位置，根据明德码二次调制所处位置，在第11个位置处存在由明德码调制引起的电文跳变，即

D＝{0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1}

对于BDS系统的非GEO卫星，M＝20，在20个伪码周期内，除了存在一个电文跳变的可能，还存在NH码二次调制带来的电文跳变，北斗NH码如下：

NH＝{0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0}

假设数据电文跳变第1个位置，根据相对位置关系，NH码在第6、7、9、11、12、13、14、15、17、20位引起的电文跳变，即

D＝{0,1,1,1,1,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,1,0,1,1,0}

对于BDS系统的GEO卫星，M＝2，在2个伪码周期内，仅存在一个电文跳变的可能，假设电文跳变第1个位置，即D＝{0,1}

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何书须本项技术 的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上作进一步的改进和变化。本发明说 明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (3)

1.一种高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)当接收机由信号捕获转入信号跟踪后，针对模数转换采样后的数字中频信号，与本地载波和即时支路伪码完成信号相关处理，然后利用累加器，实现IQ两路信号相关处理值在一个伪码周期T内的能量累加，累加结果记作Acc；

(2)连续将步骤(1)中的累加值Acc，同时送入高灵敏度比特同步模块和载波跟踪环路鉴别器，首先执行频率锁定跟踪环路FLL处理，T_Fll为FLL相干积分时间长度，避免电文跳变影响，取值小于M×T/4，M为1个比特电文中伪码周期T的个数；

(3)高灵敏度比特同步检测处理完成后，给出导航数据电文比特跳变边沿的位置信息，将步骤(2)中FLL处理切换为相位锁定跟踪环路PLL处理，且已知电文比特边沿信息后，相干积分时间长度由T_Fll增加至T_Pll，T_Pll取值为M×T，并同步更换环路滤波器参数，通过增加相干积分时间长度，提高PLL跟踪灵敏度。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法，其特征在于，所述高灵敏度比特同步处理模块：

针对累加器连续输出的Acc，将当前Acc值与上一次Acc值的复共轭值相乘，相乘结果为二维序列，记做Z_i，j，i＝1，2，……，B，B为数据比特个数，j＝1，2，……，M；然后对二维序列按行相加求和，即

进行部分相干处理得到Y_j，再将Y_j与构造的电文跳变序列D进行循环相关，相关结果最大值处对应j位置，即为电文跳变边沿位置。

3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度GNSS载波跟踪环路优化方法，其特征在于，所述的电文跳变序列D，指的是一个长度为M的序列；

电文跳变序列D与Y_j存在相关性；

对于GPS系统，M＝20，在20个伪码周期内，仅存在一个电文跳变的可能，假设电文跳变第1个位置，即

D＝{0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1}

对于GLONASS系统，M＝20，在20个伪码周期内，除了存在一个电文跳变的可能，还存在明德码二次调制带来的电文跳变；假设数据电文跳变第1个位置，根据相对位置关系，在第11个位置处存在由明德码调制引起的电文跳变，即

D＝{0,1,1,1,1,1,1,1,1,1,0,1,1,1,1,1,1,1,1,1}

对于BDS系统的非GEO卫星，M＝20，在20个伪码周期内，除了存在一个电文跳变的可能，还存在NH码二次调制带来的电文跳变，北斗NH码如下：

NH＝{0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0}

假设数据电文跳变第1个位置，根据相对位置关系，NH码在第6、7、9、11、12、13、14、15、17、20位引起的电文跳变，即

D＝{0,1,1,1,1,0,0,1,0,1,0,0,0,0,0,1,0,1,1,0}

对于BDS系统的GEO卫星，M＝2，在2个伪码周期内，仅存在一个电文跳变的可能，假设电文跳变第1个位置，即D＝{0,1}；

所述的假设数据电文跳变第1个位置，也可假定在第n个位置，n＝2，3，……，M，新构造的电文跳变序列为数据电文跳变在第1个位置时的D循环右移n-1位，因此相对位置关系不变，最大相关峰处对应值j加后上n，才表示电文跳变边沿位置；

所述序列Y_j与序列D进行循环相关，其过程为：将部分相关处理结果Y_j进行M点FFT，将电文跳变序列D进行M点FFT再取共轭值，将两者结果相乘，然后再进行IFFT。

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