CN113391330B - 一种卫星导航信号快速跟踪方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种卫星导航信号快速跟踪方法，对采集数据进行闭环跟踪，当跟踪循环次数大于等于设定的开环循环周期时，循环次数赋值为1，并判断跟踪方式，若循环次数小于设定的开环循环周期则采用开环跟踪方式，将上一个闭环跟踪的环路输出参数赋值给本次开环跟踪，循环次数加1；否则按照闭环方式跟踪，循环次数加1；直到循环次数大于所设定的开环循环周期，再将循环次数赋值为1并判断跟踪方式，以此循环；调整开环循环周期，依次增加或减小开环循环周期，并将每次调整后的信号跟踪结果与闭环跟踪结果进行比较，直至跟踪误差满足设定条件，以此时的开环循环周期对采集数据进行跟踪。本发明在保证跟踪精度的同时，能够大大提高运算效率。

Description

一种卫星导航信号快速跟踪方法
技术领域
本发明属于卫星导航信号处理技术领域，具体涉及一种卫星导航信号跟踪方法。
背景技术
导航信号是卫星、地面运控系统、用户终端的连接纽带，是卫星导航系统与用户接收机之间的唯一接口。导航信号体制是卫星导航系统的核心组成，是实现系统基本功能的载体，对系统的定位、测速、授时精度、兼容和互操作性等关键性能具有决定性作用。
对卫星导航信号进行解调测距和精细分析前，需要对信号进行捕获跟踪处理。而跟踪精度及耗时直接影响了后续的分析处理精度及数据处理效率。传统闭环跟踪以信号主码周期作为环路鉴相、鉴频周期，对载波与码的频率、相位进行周期性的调整。这种方式由于对每个周期的数据都进行环路输入输出，其跟踪精度高，但运算量巨大、耗时长，不利于准实时的信号分析。传统开环跟踪以捕获阶段获取到的码相位偏移和多普勒频率偏移为基础，通过最小二乘估计、卡尔曼滤波等方法拟合得到载波与码的频率和相位直接用于信号跟踪阶段，运算量小、耗时较短，但各种拟合模型的误差导致其跟踪精度较差。最小二乘法和Kalman滤波法对载波频率和码相位的粗略值进行优化估计，虽然一定程度上提高了估计值得准确度，但对实测数据仍无法实现较好的稳定跟踪。采用开环捕获、闭环跟踪的方式进行卫星导航信号处理，虽然能够保证跟踪精度但耗时较长。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种卫星导航信号快速跟踪方法，不仅具有较好的跟踪精度，还能够大大提高运算效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
步骤一，接收导航卫星下行信号，并进行低噪声放大和信号采集，得到采集数据；
步骤二，初步设定开环循环周期，开环循环周期为导航卫星下行信号码周期的整数倍；
步骤三，对采集数据进行闭环跟踪，当跟踪循环次数大于等于所设定的开环循环周期时，循环次数赋值为1，并判断跟踪方式，若当前循环次数小于设定的开环循环周期则采用开环跟踪方式，将上一个闭环跟踪的环路输出参数赋值给本次开环跟踪，循环次数加1；否则按照闭环方式跟踪，循环次数加1；直到循环次数大于所设定的开环循环周期，再将循环次数赋值为1并判断跟踪方式，以此循环；
步骤四，调整开环循环周期，依次增加或减小开环循环周期，并将每次调整后的信号跟踪结果与闭环跟踪结果进行比较，直至跟踪误差满足设定条件，以此时的开环循环周期对采集数据进行跟踪。
所述的开环循环周期与导航卫星下行信号的信噪比成正比，与多普勒参数和伪随机码速率成反比。
所述的跟踪误差设定条件为跟踪误差小于设定参数，或跟踪误差的变化率小于设定参数。
本发明的有益效果是：利用开闭环路控制器将开环跟踪与闭环跟踪有机结合，其中闭环跟踪部分保证了跟踪精度，开环跟踪部分减少了跟踪耗时，因此在保证跟踪精度的同时，能够大大提高运算效率。该方法可以广泛应用于全球卫星导航系统(包括我国BeiDou、美国GPS、欧盟Galileo等系统)接收信号的分析处理，包括信号实时监测、信号质量评估、信号定位解算等，能够大幅度减小信号跟踪耗时，大大提高信号处理效率。
附图说明
图1为开闭环联合跟踪方式原理图；
图2为开闭环路控制器原理图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
目前常用的卫星导航信号处理软硬件接收机均是基于闭环跟踪方式，其优点是能够对信号实现高精度的稳定跟踪，然而环路计算量大，耗时长，不利于准实时数据分析。相较于传统闭环跟踪方式，开环跟踪最大的不同在于将最小二乘估计获取的τ、f、
Figure BDA0003059080610000021
直接用于后续数据的跟踪，而不是将码相位、多普勒频率输出值循环往复的反馈给跟踪环路进行鉴频修正输出。开环跟踪最大的优点在于节约了大量时间成本，但应对实测信号无法实现精确稳定跟踪是其最致命的缺点。
为了能够在保证跟踪精度的同时最大程度上提高运算效率，本发明结合开环跟踪和闭环跟踪各自的优势特点，提出了一种开闭环联合跟踪方式。具体实施方式如下：
步骤一：利用较高增益(天线增益大于40dBi)的天线接收导航卫星下行信号；
步骤二：导航卫星下行信号经过低噪声放大后，经过信号采集(若为较高精度离线分析，采样频率需大于等于250MHz，位数大于等于14位)并存储到数据磁盘阵列。
步骤三：软件接收机读取采集数据。
步骤四：根据数据特点，设计开闭环路控制器参数。
首先，分析信号特点，判断开环周期。根据待分析信号的伪随机码速率和码周期、信噪比、多普勒参数，初步设定开环循环周期。开环周期应为码周期的整数倍，并且与信噪比成正比，与多普勒和码速率成反比。
然后，设计开闭环路控制器。充分利用开环跟踪和闭环跟踪的各自优势特点，在传统闭环跟踪前，加入可调整开环循环周期参数的开闭环路控制器。输入信号首先进行正常闭环跟踪，当跟踪循环次数大于等于所设定的开环循环周期时，循环次数赋值为1。然后输入信号经环路控制器判断应该采用的跟踪方式，若循环次数小于设定的开环循环周期则采用开环跟踪方式，将上一个闭环跟踪的环路输出参数赋值给本次开环跟踪，循环次数加1；否则按照正常闭环方式跟踪，循环次数加1；直到循环次数大于所设定的开环循环周期，再将循环次数赋值为1，以此循环。
调整环路控制器的开环循环周期，依次增加或减小开环循环周期，并将每次调整后的信号跟踪结果与传统闭环跟踪结果进行比较。
综合考虑跟踪结果及耗时比较，得到最佳开环循环周期，也即最优的开闭环路控制器参数，以此作为约束进行该卫星信号的快速跟踪及后续处理。具体做法是：若对跟踪结果精度要求较高，则须保证加入开闭环路控制器后的跟踪误差基本不变或变化很小，此时的最大开环循环周期即为最佳循环周期；若对跟踪结果精度要求不是很高，而主要关注耗时，则只需满足在加入开闭环路控制器后的跟踪误差在可接受的范围之内即可，此时能够得到较大的开环循环周期。
本发明提出的快速跟踪方法原理如图1所示。一般情况下信号进入稳定跟踪阶段后，跟踪环路输出的载波相位差异和码环调整参数对于每几十毫秒或者几百毫秒的数据而言变化十分微小，所以可以在码环、载波环的反馈环路中加入一个环路控制器，实现开环与闭环跟踪的联合跟踪。由于在对信号的跟踪处理中，载波环和码环的鉴频次数减少，所以信号的跟踪时间大幅缩减。
环路控制原理如附图2所示，首先根据信号特点及数据质量设置初始开环区间。例如，对于大口径天线采集的GPS L1 C/A信号由于信噪比较高，若信号多普勒较小，则可将初始值设置为较大倍数的码周期(如100倍)；若多普勒较大，则可设置为30～40倍的码周期。输入信号首先进行正常闭环跟踪，当跟踪循环次数大于等于所设定的开环循环周期时，循环次数赋值为1。然后输入信号经环路控制器判断应该采用的跟踪方式，若循环次数小于设定的开环循环周期则采用开环跟踪方式，将上一个闭环跟踪的环路输出参数赋值给本次开环跟踪，循环次数加1；否则按照正常闭环方式跟踪，循环次数加1；直到循环次数大于所设定的开环循环周期，再将循环次数赋值为1，以此循环。最后形成一个完整的环路。这里闭环跟踪的主要作用就是通过周期性的环路输出结果对本地复现的载波和码进行相位和频率的调整，使其与输入信号的频率和相位严格保持一致，从而达到高精度的跟踪效果。
环路的输入信号和输出信号表达如下：
ui(t)＝Uisin(ωit+θi) (1)
u0(t)＝U0sin(ω0t+θ0) (2)
式中ui(t)和u0(t)分别代表环路鉴别器的输入、输出信号，Ui和U0分别代表环路鉴别器的输入、输出信号的信号幅值。输入信号的角频率ωi和初相位θi以及输出信号的角频率ω0和初相位θ0均是一个关于时间的函数。
步骤五：调整环路控制器的开环循环周期，依次增加或减小开环循环周期，并将每次调整后的信号跟踪结果与传统闭环跟踪结果进行比较。
综合考虑跟踪结果及耗时比较，得到最佳开环循环周期，也即最优的开闭环路控制器参数，以此作为约束进行该卫星信号的快速跟踪及后续处理。具体做法如下：
(1)若对跟踪结果精度要求较高：则尽量保证加入开闭环路控制器后的跟踪误差相比传统闭环跟踪时变化范围小于1％(此数值可以根据实际情况调整)，此时的最大开环循环周期即为最佳循环周期；
(2)若对跟踪结果精度要求不是很高，而主要关注耗时：则仅需保证在加入开闭环路控制器后的跟踪误差在可接受的范围之内即可(例如相比传统闭环跟踪误差，该方法的跟踪误差变化范围在5％左右或不高于10％，具体数值可以根据实际情况调整)，此时能够得到较大的开环循环周期，也即最佳循环周期。

Claims (3)

1.一种卫星导航信号快速跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，接收导航卫星下行信号，并进行低噪声放大和信号采集，得到采集数据；
步骤二，初步设定开环循环周期，开环循环周期为导航卫星下行信号码周期的整数倍；
步骤三，对采集数据进行闭环跟踪，当跟踪循环次数大于等于所设定的开环循环周期时，循环次数赋值为1，并判断跟踪方式，若当前循环次数小于设定的开环循环周期则采用开环跟踪方式，将上一个闭环跟踪的环路输出参数赋值给本次开环跟踪，循环次数加1；否则按照闭环方式跟踪，循环次数加1；直到循环次数大于所设定的开环循环周期，再将循环次数赋值为1并判断跟踪方式，以此循环；
步骤四，调整开环循环周期，依次增加或减小开环循环周期，并将每次调整后的信号跟踪结果与闭环跟踪结果进行比较，直至跟踪误差满足设定条件，以此时的开环循环周期对采集数据进行跟踪。
2.根据权利要求1所述的卫星导航信号快速跟踪方法，其特征在于，所述的开环循环周期与导航卫星下行信号的信噪比成正比，与多普勒参数和伪随机码速率成反比。
3.根据权利要求1所述的卫星导航信号快速跟踪方法，其特征在于，所述的跟踪误差设定条件为跟踪误差小于设定参数，或跟踪误差的变化率小于设定参数。
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