CN112099060A - 一种基于环路的自适应载波频率跟踪方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及一种基于环路的自适应载波跟踪方法及装置。通过将基带信号与载波NCO输入到乘法器中相乘，经积分器处理得到载波NCO的同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk；采用二象限反正切算法对同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk进行点叉积鉴频，得到载波NCO的频率估计误差值
输入频率估计误差值
到环路滤波器滤波得到载波NCO的频率值
输入频率值
到模糊逻辑控制器，计算得到环路带宽调节系数，输入环路带宽调节系数到环路滤波器，根据环路带宽调节系数和环路滤波器的带宽范围调整环路的带宽。能够在高动态环路场景中，能够保证动态适应性的同时尽可能提高测速精度。
Description
技术领域
本公开涉及航天测控通信领域，尤其涉及一种基于环路的自适应载波频率跟踪方法及装置。
背景技术
GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)能够全天时地在全球范围内提供精确的位置速度和时间信息，具有十分广阔的用途和发展前景。在导弹、航空、航天等应用领域，飞行器运动速度较高，载体与卫星间的径向运动使得载波信号多普勒频移剧烈变化。为了提高其动态跟踪性能，常规GNSS频率跟踪环路需要增大载波环路带宽。然而，随着环路带宽的增加，环路抗热噪声的能力下降，跟踪精度逐渐恶化。特别是在低载噪比工作环境下，过高的噪声功率会使鉴频器输出超出环路的工作门限，导致载波跟踪失锁。
在环路输出上添加二次平滑等需要长时间积分的算法可以有效降低热噪声误差，但是这类算法是对一段时间内载波频率的均值进行估计，高动态场景下，测量结果不满足实时性要求。多环路联合跟踪技术通过融合不同结构和相干积分时间的环路在降低噪声对多普勒频率鉴别的影响的同时避免由单个环路输出多普勒频移误差过大造成的跟踪失锁。但是这一类算法大多通过硬切换的方式更换环路工作状态，在切换的瞬间，本地载波频率控制不连续，跟踪稳定性较差。卡尔曼滤波能够明显提高跟踪精度，但卡尔曼滤波是一种高斯线性最优估计方法，若噪声表现为时变统计特性，或模型存在较大误差或者系统状态参数发生突变时，会出现模型失配问题。此外，在高动态场景下，环路模型具有明显的非线性，如果卡尔曼滤波器输出误差较大，导致环路带宽在迭代的过程中发散，会引起环路失锁。惯性器件辅助的超紧组合技术利用惯性导航系统提供频率辅助信息，减小了环路跟踪动态的要求。但使用惯性器件会提高整机成本，且系统结构较为复杂，不利于大范围推广应用。基于模糊逻辑控制器的载波环路以环路鉴别误差作为模糊控制器的输入，当环路鉴别误差减小时，模糊控制器降低环路带宽，提高跟踪精度，反之则提高环路带宽，保证动态适应性。但是，现有方法还未针对10G以上的径向加速度的场景进行设计，无法适应较高动态的场景。针对上述问题，考虑在大动态场景下设计模糊逻辑控制器，从而在保证跟踪环路稳定性的同时提高跟踪精度。
发明内容
有鉴于此，本公开提出了基于环路的自适应载波频率跟踪方法及装置，能够在高动态环路场景中，能够保证动态适应性的同时尽可能提高测速精度。
根据本公开的一方面，提供了一种基于环路的自适应载波频率跟踪方法，所述方法包括：
将基带信号与载波NCO输入到乘法器中相乘，经积分器积分累加处理得到载波NCO的同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk；
采用二象限反正切算法对所述同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk进行点叉积鉴频，得到所述载波NCO的频率估计误差值
输入所述载波NCO的频率估计误差值
到环路滤波器滤波，得到所述载波NCO的频率值
输入所述载波NCO的频率值
到模糊逻辑控制器，计算得到所述环路带宽调节系数，输入所述环路带宽调节系数到所述环路滤波器，根据所述环路带宽调节系数和所述环路滤波器的带宽范围调整环路的带宽。
在一种可能的实现方式中，所述输入所述载波NCO的频率值
到模糊逻辑控制器，计算得到所述环路带宽调节系数，包括：
采用二阶频率抖动算法计算得到第一频率抖动估计量
和第二频率抖动估计量
根据模糊逻辑控制器的模糊规则计算环路带宽调节系数αk。
在一种可能的实现方式中，所述模糊逻辑控制器的模糊规则为所述载波NCO的频率测量误差σFLL不能超过所述鉴频器牵引范围的四分之一。
在一种可能的实现方式中，当
时，根据所述模糊规则计算的隶属函数为：
当
时，根据所述模糊规则计算的隶属函数为：
利用加权平均法计算环路带宽调节系数αk：
其中
T为预检测积分时间。
在一种可能的实现方式中，输入所述环路带宽调节系数到所述环路滤波器调整环路的带宽，包括：
根据所述环路带宽调节系数αk和环路滤波器的带宽范围调整环路带宽的幅值。
根据本公开的另一方面，提出了一种基于环路的自适应载波频率跟踪装置，采用上述所述的基于环路自适应载波跟踪方法，所述装置包括：乘法器、积分器、鉴频器、环路滤波器、模糊逻辑控制器、载波NCO；
所述乘法器的第一输入端和第二输入端分别输入基带信号与载波NCO分，乘法器的输出端与积分器的输入端相连；
所述鉴频器的输入端与所述积分器的输出端相连，所述鉴频器的输出端与所述环路滤波器的第一输入端相连；
所述环路滤波器的第二输入端与所述模糊逻辑控制器的输出端相连接，所述环路滤波器的第一输出端与所述载波NCO相连，第二输出端与所述模糊逻辑控制器的输入端相连；
其中，所述积分器用于输出载波NCO的同相支路的预检测积分值和正交支路的预检测积分值所述环路滤波器用于获取载波NCO频率的测量值，所述鉴频器采用二象限反正切点叉积鉴频算法，获取载波NCO的频率估计误差值，所述模糊逻辑控制器用于获取所述环路带宽的调节系数，并将所述环路带宽调节系数输入到所述环路滤波器调整环路的带宽。
通过将基带信号与载波NCO输入到乘法器中相乘，经积分器积分累加处理得到载波NCO的同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk；采用二象限反正切算法对所述同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk进行点叉积鉴频，得到所述载波NCO的频率估计误差值
输入所述载波NCO的频率估计误差值
到环路滤波器滤波，得到所述载波NCO的频率值
输入所述载波NCO的频率值
到模糊逻辑控制器，计算得到所述环路带宽调节系数，输入所述环路带宽调节系数到所述环路滤波器，根据所述环路带宽调节系数和所述环路滤波器的带宽范围调整环路的带宽。能够在高动态环路场景中，能够保证动态适应性的同时尽可能提高测速精度。
根据下面参考附图对示例性实施例的详细说明，本公开的其它特征及方面将变得清楚。
附图说明
包含在说明书中并且构成说明书的一部分的附图与说明书一起示出了本公开的示例性实施例、特征和方面，并且用于解释本公开的原理。
图1示出根据本公开一实施例的基于环路的自适应载波频率跟踪方法的流程图。
图2示出根据本公开一实施例的基于环路的自适应载波频率跟踪装置的原理图。
具体实施方式
以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
图2示出根据本公开一实施例的基于环路的自适应载波频率跟踪装置的原理图。
如图2所示，基于环路的自适应载波频率跟踪装置包括：乘法器、积分器、鉴频器、环路滤波器、模糊逻辑控制器、载波NCO；
所述乘法器的第一输入端和第二输入端分别输入基带信号与载波NCO分，乘法器的输出端与积分器的输入端相连；
所述鉴频器的输入端与所述积分器的输出端相连，所述鉴频器的输出端与所述环路滤波器的第一输入端相连；
所述环路滤波器的第二输入端与所述模糊逻辑控制器的输出端相连接，所述环路滤波器的第一输出端与所述载波NCO相连，第二输出端与所述模糊逻辑控制器的输入端相连；
所述积分器用于输出载波NCO的同相支路的预检测积分值和正交支路的预检测积分值所述环路滤波器用于获取载波NCO频率的测量值，所述鉴频器采用二象限反正切点叉积鉴频算法，获取载波NCO的频率估计误差值，所述模糊逻辑控制器用于获取所述环路带宽的调节系数，并将所述环路带宽调节系数输入到所述环路滤波器调整环路的带宽。
其中，所述环路滤波器可以为二阶环路滤波器，例如可以为Jaffe-Rechtin滤波器等，在此不作限定；所述基带信号可以为高频信号、中频信号等，在此也不作限定；模糊逻辑控制器可以为Takagi–Sugeno模糊逻辑控制器，Takagi–Sugeno模糊逻辑控制器为单输入单输出的模糊逻辑控制模型，当然模糊逻辑控制器还可以根据具体的需要选择别的模糊逻辑控制器，在此也不做限定。
本公开的基于环路的自适应载波频率跟踪装置，通过包括乘法器、积分器、鉴频器、环路滤波器、模糊逻辑控制器、载波NCO；乘法器的第一输入端和第二输入端分别输入基带信号与载波NCO分，乘法器的输出端与积分器的输入端相连；鉴频器的输入端与所述积分器的输出端相连，鉴频器的输出端与所述环路滤波器的第一输入端相连；环路滤波器的第二输入端与模糊逻辑控制器的输出端相连接，环路滤波器的第一输出端与所述载波NCO相连，第二输出端与所述模糊逻辑控制器的输入端相连。能够在高动态场景下，模糊逻辑控制器实时计算环路滤波器调节系数，能够随载波的频率变化自适应调整环路参数，在保证动态适应性的同时提高了测速精度，且能够在径向速度10km/s，加速度30G的条件下有效提高载波频率估计精度。
图1示出根据本公开一实施例的基于环路的自适应载波频率跟踪方法的流程图。该方法可以应用于上述的基于环路的自适应载波频率跟踪装置，如图1所示，该方法包括：
步骤S11，将基带信号与载波NCO输入到乘法器中相乘，经积分器积分累加处理得到载波NCO的同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk。
在一示例中，如图2所示，设在第k个预检测积分时间中，将多普勒信号(基带信号)与载波NCO输入到乘法器中，中频信号分别与本地载波NCO及载波伪码相乘，经积分其积分累加处理后得到载波NCO的同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk：
Ik＝AdR(εk)sinc(πTΔfk)cosΔωk+nI,k；
Qk＝AdR(εk)sinc(πTΔfk)sinΔωk+nQ,k；
其中，A为信号幅度，d为导航数据，R[·]为载波伪码自相关函数，εk为载波伪码相位误差，T为预检测积分时间，nI,k，nQ,k分别表示载波NCO的同相支路和正交支路的噪声分量。多普勒频率误差Δfk和载波NCO相位误差Δωk，分别表示输入的基带信号与本地载波NCO的频率和相位误差。
步骤S12，采用二象限反正切算法对所述同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk进行点叉积鉴频，得到所述载波NCO的频率估计误差值
为了抗数据为跳变，采用二象限反正切算法对所述同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk进行点叉积鉴频，得到所述载波NCO的频率估计误差值
步骤S13，输入所述载波NCO的频率估计误差值
到环路滤波器滤波，得到所述载波NCO的频率测量值
其中，Bk为环路中第k个预检测积分时间内的环路带宽，
a2＝1/0.532，
是环路的第K-1个预检测积分时间内的载波NCO的频率估计误差值，
是环路的第K+1个预检测积分时间内的载波NCO的频率测量值。联立环路的第K个、第K-1个、第K+1个预检测积分时间内的载波NCO的频率测量值的公式，可以求得第K个预检测积分时间内的载波NCO的频率测量值。
步骤S14，输入所述载波NCO的频率值
到模糊逻辑控制器，计算得到所述环路带宽调节系数；输入所述环路带宽调节系数到所述环路滤波器，根据所述环路带宽调节系数和所述环路滤波器的带宽范围调整环路的带宽。
其中，可以将载波NCO的频率值
输入到Takagi-Sugeno模糊逻辑控制器，采用二阶频率抖动算法计算得到第一频率抖动估计量
和第二频率抖动估计量
根据模糊逻辑控制器的模糊规则计算环路带宽调节系数αk，以更新环路的第k+1个预检测积分时间内环路带宽。
在一实例中，可以基于二阶锁频环热噪声频率抖动算法，计算得到第一频率抖动估计量
其中，F为噪声系数，在接近接收机载噪比门限时取值为2，在较高载噪比条件下取值为1，γk为基于M2M4算法的载噪比估计值。定义L为参与信噪比估计的点数，
则
可以基于信号二阶动态模型，计算得到第二频率抖动估计量
其中，
在一种可能的实现方式中，模糊逻辑控制器的模糊规则为所述载波NCO的频率测量误差σFLL不能超过所述鉴频器牵引范围的四分之一。
由于M2M4是一种包络估计算法，无论环路是否锁定，第一频率抖动估计量
均有效，而第二频率抖动估计量
只有在环路锁定的情况下才有效。因此，可以认为在
的情况下环路有失锁的倾向，需要适当增大带宽，反之环路稳定，可适当减小带宽。为保证环路的自适应载波频率稳定跟踪，可以将载波NCO频率测量误差不能超过所选鉴频器频率牵引范围的1/4。对于点叉积鉴频器来说，其频率牵引范围为1/(2T)，即：
当σFLL超出这一范围后，环路将不能正常工作，若
和
过大，说明环路有失锁倾向，需要增加环路带宽。除此以外，为了防止过度调节导致的环路失锁和抖动，αk的取值需要在1附近小范围抖动。基于上述限定条件，制定模糊规则如下：
当
时，根据所述模糊规则计算的隶属函数为：
当
时，根据所述模糊规则计算的隶属函数为：
利用加权平均法计算环路带宽调节系数αk：
其中
T为预检测积分时间。
在一实例中，将所述环路带宽调节系数αk输入到环路滤波器，根据所述环路带宽调节系数αk和环路滤波器的带宽范围调整环路带宽的幅值。
为了防止环路带宽发散，需要对环路带宽进行限幅。如果滤波器环路带宽Bk+1超出预设的范围[Bmin,Bmax]，则将Bk+1置为边界值，即：
根据环路带宽调节系数对环路滤波器的带宽进行调整，将调整后的环路滤波器的带宽输入到载波NCO中，以调整下一环路的预检测积分时间内的环路带宽和带宽幅值。
通过将基带信号与载波NCO输入到乘法器中相乘，经积分器积分累加处理得到载波NCO的同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk；采用二象限反正切算法对所述同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk进行点叉积鉴频，得到所述载波NCO的频率估计误差值
输入所述载波NCO的频率估计误差值
到环路滤波器滤波，得到所述载波NCO的频率值
输入所述载波NCO的频率值
到模糊逻辑控制器，计算得到所述环路带宽调节系数，输入所述环路带宽调节系数到所述环路滤波器，根据所述环路带宽调节系数和所述环路滤波器的带宽范围调整环路的带宽。能够在高动态环路场景中，能够保证动态适应性的同时尽可能提高测速精度。
以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。
Claims (6)
1.一种基于环路的自适应载波频率跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：
将基带信号与载波NCO输入到乘法器中相乘，经积分器积分累加处理得到载波NCO的同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk；
采用二象限反正切算法对所述同相支路的预检测积分值Ik和正交支路的预检测积分值Qk进行点叉积鉴频，得到所述载波NCO的频率估计误差值
输入所述载波NCO的频率估计误差值
到环路滤波器滤波，得到所述载波NCO的频率值
输入所述载波NCO的频率值
到模糊逻辑控制器，计算得到所述环路带宽调节系数；输入所述环路带宽调节系数到所述环路滤波器，根据所述环路带宽调节系数和所述环路滤波器的带宽范围调整环路的带宽。
2.根据权利要求1所述的环路自适应载波频率跟踪方法，其特征在于，输入所述载波NCO的频率值
到模糊逻辑控制器，计算得到所述环路带宽调节系数，包括：
采用二阶频率抖动算法计算得到第一频率抖动估计量
和第二频率抖动估计量
根据模糊逻辑控制器的模糊规则计算环路带宽调节系数αk。
3.根据权利要求2所述的环路自适应载波频率跟踪方法，其特征在于，
所述模糊逻辑控制器的模糊规则为所述载波NCO的频率测量误差σFLL不能超过所述鉴频器牵引范围的十二分之一。
4.根据权利要求2所述的环路自适应载波频率跟踪方法，其特征在于，
当
时，根据所述模糊规则计算的隶属函数为：
当
时，根据所述模糊规则计算的隶属函数为：
利用加权平均法计算环路带宽调节系数αk：
其中
T为预检测积分时间。
5.根据权利要求2所述的环路自适应载波频率跟踪方法，其特征在于，输入所述环路带宽调节系数到所述环路滤波器调整环路的带宽，包括：
根据所述环路带宽调节系数αk和环路滤波器的带宽范围调整环路带宽的幅值。
6.一种基于环路的自适应载波频率跟踪装置，其特征在于，采用上述权利要求1-5任意一项所述的基于环路自适应载波跟踪方法，所述装置包括：乘法器、积分器、鉴频器、环路滤波器、模糊逻辑控制器、载波NCO；
所述乘法器的第一输入端和第二输入端分别输入基带信号与载波NCO分，乘法器的输出端与积分器的输入端相连；
所述鉴频器的输入端与所述积分器的输出端相连，所述鉴频器的输出端与所述环路滤波器的第一输入端相连；
所述环路滤波器的第二输入端与所述模糊逻辑控制器的输出端相连接，所述环路滤波器的第一输出端与所述载波NCO相连，第二输出端与所述模糊逻辑控制器的输入端相连；
其中，所述积分器用于输出载波NCO的同相支路的预检测积分值和正交支路的预检测积分值所述环路滤波器用于获取载波NCO频率的测量值，所述鉴频器采用二象限反正切点叉积鉴频算法，获取载波NCO的频率估计误差值，所述模糊逻辑控制器用于获取所述环路带宽的调节系数，并将所述环路带宽调节系数输入到所述环路滤波器调整环路的带宽。
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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