CN112305566A - 基于频率补偿的gnss信号跟踪环路失锁检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法，包括如下步骤：对下变频、剥离伪码、积分清除后的I路和Q路信号进行多路频率补偿；然后进行固定时间的相干积分和非相干积分，将非相干积分结果最大值作为信号值；进行抛物线插值频率鉴定，将频率差为±50H和±100Hz非相干积分结果的均值作为噪声值；最后计算信号值与噪声值之间比值，将其作为检测量进行失锁检测。本发明方法克服噪声信号的不利影响，提高GNSS信号的失锁判断的实时性和准确性，确保在复杂信号干扰、低功率条件下能够及时、准确地判断环路状态。

Description

基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法

技术领域

本发明属于GNSS卫星通信技术领域，尤其涉及一种基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法。

背景技术

近年来，卫星导航定位系统得到了快速发展，越来越多的GNSS接收机被安装在车载、手持设备中，其提供的高精度、实时、全天候导航定位服务极大地满足了人们的定位、导航和授时需求。然而，用户能获取连续、精确的位置、速度和时间信息的前提是GNSS接收机能够精确的跟踪卫星信号。

一般情况下，绝大多数的GNSS接收机不可避免地会在室内、森林山谷、城市等复杂环境(统称为室内环境)下应用，尤其对于普通手持用户，几乎全部处于市区和室内。在上述环境中，GNSS卫星信号会随着不同障碍物而产生不同程度的衰减。研究结果表明，木制建筑对信号能造成10dB的衰减，普通墙体能够造成25dB的衰减，而钢筋混凝土结构墙体则会带来更大程度上的信号衰减。除此之外，室内、城市环境中多径干扰严重，接收机天线除了接受直接来自卫星方向的信号，还接受其他物体反射回来的信号。由于直射波和反射波路径不同，从而使信号变形，产生测量误差即多径效应。

所以与普通环境相比，GNSS信号在室内环境中信号功率有更大的衰减，接收信号含有更大的干扰，接收机环路跟踪到的信号幅度、码相位和载波相位不可避免地产生畸变。如果GNSS接收机跟踪环路无法产生与直达卫星信号相匹配的载波相位和码相位，GNSS接收机的伪距、多普勒观测量中必然含有较大的无法预估的误差，那么接收机定位精度将会大大降低，甚至出现几百米、几千米的定位偏差。及时、准确地判断跟踪环路是否工作在锁定状态对于接收机的正常运行非常重要，及早地判定环路失锁可以有效避免使用有问题观测量进行定位，而错误地判断跟踪环路已经失锁或者正在锁定都将会导致错误观测量进入用户位置定位过程中，进而全面降低GNSS接收机性能。现有的载噪比、相关器输出功率、锁相环I/Q路输出向量抖动、锁频环抖动等方法都无法有效解决克服信号衰减和干扰的影响，因此找到一种合适失锁检测方法成为GNSS接收机跟踪环路设计的关键问题。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法，通过对输入中频信号下变频和剥离伪码后的I路通道和Q通道信号进行多路频率补偿，并利用相干积分和非相干积分提高载噪比和信号灵敏度，从鉴频输出中提取信号值与噪声值，将两者比值作为失锁判断依据。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法，包括步骤：

(1)对下变频、剥离伪码后的I路和Q路信号进行多路频率补偿；

(2)进行固定时间的相干积分和非相干积分，并找出非相干积分后最大值作为信号值；

(3)进行抛物线插值频率鉴定，求出信号值对应频率；

(4)将与信号值频率差为±50Hz和±100Hz非相干积分结果的均值作为噪声值，将信号值与噪声值之间比值作为检测量，进行环路失锁检测。

进一步地，所述步骤(1)前还包括：

(1.1)输入的中频信号与载波混频相乘实现下变频，其中，与正弦信号相乘形成I路信号，与余弦信号相乘形成Q路信号；

(1.2)I路和Q路的混频信号分别与C/A码相乘以剥离伪码；

(1.3)经积分-清除器，滤除I路和Q路信号中的高频和噪声。

进一步地，所述步骤(1)中，多路频率补偿策略为，在小的补偿频率值处采用小的补偿间隔，大的频率补偿值处采用大的补偿间隔。

进一步地，所述步骤(4)中，环路失锁检测具体步骤：

(4.1)当比值大于比值门限值时，认为环路未失锁，正常跟踪，更新载波相位和码相位，失锁次数清零；

(4.2)当比值小于比值门限值时，将比值存入缓存并将失败次数加1；

(4.3)计算载噪比，判断载噪比是否小于最低载噪比，如果是，判定环路失锁，停止更新载波相位和码相位，进入重捕流程；如果不是，进入步骤(4.4)；

(4.4)判断失败次数是否小于2次，如果是，判定环路稳定，正常更新载波相位和码相位；如果不是，进入步骤(4.5)；

(4.5)判断2次比值的均值是否小于比值门限值，如果是，则认为环路失锁，进入重捕，如果不是，认为环路稳定。

进一步地，所述步骤(3)中，抛物线插值法具体为：

取最接近点的离散点值作为频率估计值，已知L(x₁,y₁)、M(x₂,y₂)、R(x₃,y₃)三点坐标，则最大值点E(x₀,y₀)的横纵坐标为：

其中，M点是非相干积分结果最大值对应的点，L、R点是M点左右两侧最临近点。

有益效果：本发明基于频率补偿的跟踪环路失锁检测方法能够准确计算出信号值和噪声值，继而判断环路的稳定性。本发明通过对输入中频信号下变频和剥离伪码后的I路通道和Q通道信号进行多路频率补偿，本发明采用在小的补偿频率值处采用小的补偿间隔，大的频率补偿值处采用大的补偿间隔的策略来平衡精细度和补偿范围之间矛盾。

并利用相干积分和非相干积分提高载噪比和信号灵敏度，从鉴频输出中提取最大值与噪声值，将两者比值作为失锁判断依据。使用抛物线插值法进行精细化的频率鉴定，直接取最接近点的离散点值作为频率估计值，提高载波跟踪精度。

根据跟踪环路的多个参数选择和实际测试结果，选定阈值作为失锁门限；同时将载噪比作为另一个判断依据，加快环路失锁判断速度，以应对不同的性能要求。

附图说明

图1是本发明的基于频率补偿的失锁检测载波跟踪环路结构图；

图2是本发明的20毫秒相干积分结果与频率误差的关系图；

图3是本发明的41路频率补偿和相干积分、非相干积分处理结构图；

图4是本发明的精细化频率估计算法示意图；

图5是本发明的失锁判定流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

如图1所示，本发明所述的基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法，包括如下步骤：

(1)对下变频、剥离伪码后的I路和Q路信号的复数信号进行多路频率补偿，以有效对抗相干积分造成的频差损耗；

在GNSS信号跟踪环路中，作为输入的数字中频信号首先与GNSS接收机载波环复制的载波混频相乘实现下变频，其中，与正弦信号相乘形成I路信号，与余弦信号相乘形成Q路信号。

然后，I路和Q路上的混频信号又分别与GNSS接收机码环复制的C/A码做相关运算，以剥离信号中的伪码；相关结果经积分-清除器来滤除I路和Q路信号中的高频成分和噪声，以提高信噪比。

(2)进行固定时间的相干积分和非相干积分，以提高信噪比和跟踪灵敏度，并找出非相干积分后结果最大值作为信号值；

(3)进行抛物线插值频率鉴定，求出信号值对应频率；

GPS和北斗卫星信号的一个数据比特长20毫秒，通常要对1毫秒的积分-清除结果进行20次累加，也就是相干积分。如图2所示，直接进行20毫秒的相干积分结果会因为频率误差的存在而发生衰减，当频率误差为50Hz和100Hz时，信号的相干积分结果为0，表现为纯噪声，无有用信号，所以在相干积分前必须进行频率补偿，以抵消频差对相干积分带来的衰减。

如图3所示，因为在相干积分之前，无法准确预测频率误差值，所以需要对输入的复数信号(I+j*Q)分别进行多路频率补偿，每一路设置不同的频率值，此时相干积分后结果最大的那一路的频率值最接近实际的频率误差。因为运算量的限制，频率补偿路数被固定，补偿范围与补偿精度之间存在矛盾，所以必须根据频率误差范围与鉴频精度选择合适的频率补偿间隔。本发明采用在小的补偿频率值处采用小的补偿间隔，大的频率补偿值处采用大的补偿间隔的策略来平衡精细度和补偿范围之间矛盾。

本发明共选取41路频率补偿，覆盖±110Hz频率范围。选取的频率补偿点为：第1路到第20路补偿点分别为-110、-102、-94、-86、-78、-70、-62、-54、-46、-38、-30、-26、-22、-18、-14、-10、-8、-6、-4、-2Hz，第21路补偿0Hz，第22到第41路补偿频率分别为110、102、94、86、78、70、62、54、46、38、30、26、22、18、14、10、8、6、4、2Hz。每一路频率补偿完之后进行相同时间的20ms相干积分和96次非相干积分，最后找出这41路中非相干积分结果的最大值作为信号值。

因为频率补偿中间隔并非足够小，使得非相干积分功率最大值处的频率补偿值与实际频率误差值存在着最大为频率间隔一半的误差。为准确估计出频率误差，需要对最大值临近的频率补偿点进行插值，在考虑插值算法精度和运算量后，本方法选择抛物线插值进行频率误差估计。

使用抛物线插值法进行精细化的频率鉴定，直接取最接近点的离散点值作为频率估计值，提高载波跟踪精度。如图4所示，已知L(x₁,y₁)、M(x₂,y₂)、R(x₃,y₃)三点坐标，其中，M点是41路中非相干积分结果最大值对应的点，L、R点是M点左右两侧最临近点，则最大值点E(x₀,y₀)的横纵坐标为：

通过抛物线插值方法，对非相干积分结果最大值进行精细化的频率鉴定。

(4)将与信号值频率差为±50Hz和±100Hz非相干积分结果的均值作为噪声值，将信号值与噪声值之间比值作为检测量，进行环路失锁检测；当判定通过后，正常更新载波相位和码相位；当判定失败时，停止更新载波相位和码相位，进入卫星信号重捕流程。

如图5所示，本发明将41路频率补偿的非相干积分的最大值作为信号值，将该最大值对应频率值作为频率误差，与该频率误差相差±50Hz和±100Hz非相干积分结果的均值作为噪声值，并对噪声值进行Hatch滤波平滑。

环路失锁检测环节将非相干积分最大值与频率误差为±50、±100Hz的非相干积分结果均值之间比值作为测量值，与门限值比较。

根据跟踪环路的多个参数选择和实际测试结果，选定阈值作为失锁门限值；同时将载噪比作为另一个判断依据，加快环路失锁判断速度，以应对不同的性能要求。

本发明将信号值与噪声值之间的比值作为失锁判定的一个重要检测量，进行环路失锁判定，具体步骤：当比值大于比值门限值时，认为环路未失锁，正常跟踪，更新载波相位和码相位，失锁次数清零；当比值小于门限值时，将比值存入缓存并将失败次数加1；接着进一步判断载噪比是否小于最低载噪比，如果是，直接判定环路失锁，停止更新载波相位和码相位，进入重捕流程；如果不是，判断失败次数是否小于2次，如果是，判定环路稳定，正常更新载波相位和码相位；如果不是，判断2次比值的均值是否小于最低门限值，如果是，则认为环路失锁，进入重捕，如果不是，认为环路稳定。

由上述可知，本发明的创新之处在于利用41路频率补偿后的非相干积分最大值与频率误差为±50、±100Hz的非相干积分结果均值之间比值作为环路失锁的重要判断依据，该方法通过2次检测求平均的方式，避免信号较弱甚至不可见环境下的观测量异常。而且，并且该方法可以通过联合载噪比的方式，加快环路失锁判读速度，以应对不同的性能要求。

Claims (5)

1.一种基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法，其特征在于，包括步骤：

(1)对下变频、剥离伪码后的I路和Q路信号进行多路频率补偿；

(2)进行固定时间的相干积分和非相干积分，并找出非相干积分后最大值作为信号值；

(3)进行抛物线插值频率鉴定，求出信号值对应频率；

(4)将与信号值频率差为±50Hz和±100Hz非相干积分结果的均值作为噪声值，将信号值与噪声值之间比值作为检测量，进行环路失锁检测。

2.根据权利要求1所述的基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法，其特征在于，所述步骤(1)前还包括：

(1.1)输入的中频信号与载波混频相乘实现下变频，其中，与正弦信号相乘形成I路信号，与余弦信号相乘形成Q路信号；

(1.2)I路和Q路的混频信号分别与C/A码相乘以剥离伪码；

(1.3)经积分-清除器，滤除I路和Q路信号中的高频和噪声。

3.根据权利要求1所述的基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法，其特征在于，所述步骤(1)中，多路频率补偿策略为，在小的补偿频率值处采用小的补偿间隔，大的频率补偿值处采用大的补偿间隔。

4.根据权利要求1所述的基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，环路失锁检测具体步骤：

(4.1)当比值大于比值门限值时，认为环路未失锁，正常跟踪，更新载波相位和码相位，失锁次数清零；

(4.2)当比值小于比值门限值时，将比值存入缓存并将失败次数加1；

(4.3)计算载噪比，判断载噪比是否小于最低载噪比，如果是，判定环路失锁，停止更新载波相位和码相位，进入重捕流程；如果不是，进入步骤(4.4)；

(4.4)判断失败次数是否小于2次，如果是，判定环路稳定，正常更新载波相位和码相位；如果不是，进入步骤(4.5)；

(4.5)判断2次比值的均值是否小于比值门限值，如果是，则认为环路失锁，进入重捕，如果不是，认为环路稳定。

5.根据权利要求1所述的基于频率补偿的GNSS信号跟踪环路失锁检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，抛物线插值法具体为：

取最接近点的离散点值作为频率估计值，已知L(x₁,y₁)、M(x₂,y₂)、R(x₃,y₃)三点坐标，则最大值点E(x₀,y₀)的横纵坐标为：

其中，M点是非相干积分结果最大值对应的点，L、R点是M点左右两侧最临近点。

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