CN117590446B - 宽带复合导航信号跟踪方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种宽带复合导航信号跟踪方法，包括步骤：根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离，得到第一导航信号；根据本地第一副载波的频率计算得到第一伪码的频率，根据所述第一副载波对所述第一导航信号进行副载波剥离，根据所述第一伪码对所述第一导航信号进行伪码剥离，得到第一导航信号副载波伪码剥离值，对所述第一导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号相关值；根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值，根据所述伪码相位误差平滑值对所述第一副载波的频率进行补偿，从而完成对所述宽带复合导航信号的跟踪。

Description

宽带复合导航信号跟踪方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星导航领域，具体涉及一种宽带复合导航信号跟踪方法及装置。
背景技术
为了在播发其他导航信号的同时实现后向兼容，北斗三号在B1频带内引入了CEMIC技术，即，将传统B1I信号、新的兼容互操作B1C信号以及新的授权信号合成一路B1宽带复合导航信号进行播发。考虑到B1宽带复合导航信号的载波中心频率为1575.42MHz，传统B1I信号的载波中心频率为1561.098MHz，为了实现对传统B1I信号后向兼容，CEMIC技术在B1I上引入了一个频率为14.322MHz的单边带复数副载波。该高频副载波被认为蕴含着巨大的测距潜力，因而对它的有效利用可以帮助提升定位导航及授时精度。
同时，B1宽带复合导航信号为BOC信号，BOC信号的自相关函数包含多个相关边峰，在接收机同步过程中，极容易错误的锁定在相关边峰上，导致差错定位。针对B1宽带复合导航信号的无模糊跟踪，多种无模糊跟踪方法被提出。
CAT技术基于多维环路结构的思想，利用载波环、副载波环以及码环实现对B1宽带复合信号的匹配接收。
与之在数学上相等效的CPT技术则采用两个载波环加码环的方式完成了复合信号的处理。
Qi方法可以看做是双CAT技术，即依次在下边带、上边带分别运用CAT，而后从能量域上对两次得到的观测量进行组合。
例如，专利申请文件CN112578422A中公开的技术方案就是上述CAT技术，另外，专利申请文件CN103558612A公开的是锁相环与副载波环联合鉴相跟踪环路，其还是采用类似上述CAT技术中的三个闭合环路（载波环、副载波环和码环）。这些方法由于在跟踪时并没有优先考虑副载波与伪码相位始终严格对齐这一先验条件，因此采用了三个闭合环路，再叠加上需处理的高频副载波需求，这在较大程度上增加了计算复杂度以及实现难度。
发明内容
基于上述现状，本发明的主要目的在于提供一种宽带复合导航信号跟踪方法及装置，既从相位域上提取出了高精度的测距信息，还有效降低了计算资源的开销以及实现的复杂度，提升了处理效率。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种宽带复合导航信号跟踪方法，所述方法包括步骤：
S10：根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离，得到第一导航信号；
S30：根据本地第一副载波的频率计算得到第一伪码的频率，根据所述第一副载波对所述第一导航信号进行副载波剥离，根据所述第一伪码对所述第一导航信号进行伪码剥离，得到第一导航信号副载波伪码剥离值，对所述第一导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号相关值；
S50：根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值，根据所述伪码相位误差平滑值对所述第一副载波的频率进行补偿，从而完成对所述宽带复合导航信号的跟踪。
优选地，所述步骤S30包括：
将所述第一导航信号的P支路信号、L支路信号和E支路信号分别与所述第一副载波和所述第一伪码相乘，得到第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值；
分别对所述第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号P支路相关值、L支路相关值和E支路相关值，第一导航信号相关值包括所述第一导航信号P支路相关值、L支路相关值和E支路相关值。
优选地，所述步骤S50中根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值包括：
根据所述第一导航信号L支路相关值和E支路相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到所述伪码相位误差平滑值。
优选地，所述步骤S50中的根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值包括：
对所述第一导航信号相关值进行伪码相位检测，得到伪码相位误差；
对所述伪码相位误差进行平滑滤波，得到所述伪码相位误差平滑值。
优选地，所述步骤S50中的根据所述伪码相位误差平滑值对所述第一副载波的频率进行补偿包括：
若观测时间内，所述伪码相位误差平滑值大于或等于预设门限值的次数大于或等于预设次数时，则对所述第一副载波的频率进行补偿。
优选地，所述预设门限值根据所述第一副载波的周期/>、所述第一导航信号的码维相关函数/>和伪码早迟相关器间距/>计算得到。
优选地，所述预设次数根据观测时间和相干积分时间/>计算得到。
优选地，对所述第一副载波的频率进行补偿包括：
当所述伪码相位误差平滑值大于或等于时，所述第一副载波的频率增加半个副载波周期所对应的频率；
当所述伪码相位误差平滑值小于或等于时，所述第一副载波的频率减少半个副载波周期所对应的频率。
优选地，所述步骤S10中根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离后，还得到第二导航信号，所述第二导航信号和第一导航信号位于同一频段内，且拥有同一个载波中心频率；
所述步骤S30中还包括：根据本地第一副载波的频率计算得到本地第二副载波的频率和第二伪码的频率，根据所述第二副载波对所述第二导航信号进行副载波剥离，根据所述第二伪码对所述第二导航信号进行伪码剥离，得到第二导航信号副载波伪码剥离值，对所述第二导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第二导航信号相关值；
所述方法还包括步骤S40：根据所述第二导航信号相关值更新本地载波频率，根据所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号相关值更新所述第一副载波频率。
优选地，所述步骤S40中，根据所述第二导航信号相关值更新本地载波频率包括：
对所述第二导航信号相关值进行相位检测，得到载波相位估计误差；
根据所述载波相位估计误差计算得到载波频率估计误差；
根据所述载波频率估计误差更新所述本地载波频率。
优选地，所述步骤S40中，根据所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号相关值更新所述第一副载波频率包括：
对所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号相关值进行相位检测，得到第一副载波相位估计误差；
根据所述第一副载波相位估计误差计算得到第一副载波频率估计误差；
根据所述第一副载波频率估计误差更新所述第一副载波频率。
本发明还公开一种宽带复合导航信号跟踪装置，包括载波剥离模块、副载波伪码剥离模块、伪码相位检测模块和副载波补偿模块，所述副载波伪码剥离模块包括第一伪码生成单元、第一副载波伪码剥离单元和第一相关值计算单元：
所述载波剥离模块用于根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离，得到第一导航信号；
所述第一伪码生成单元用于根据本地第一副载波的频率计算得到第一伪码的频率，所述第一副载波伪码剥离单元用于根据所述第一副载波对所述第一导航信号进行副载波剥离，并根据所述第一伪码对所述第一导航信号进行伪码剥离，得到第一导航信号副载波伪码剥离值，所述第一相关值计算单元用于对所述第一导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号相关值；
所述伪码相位检测模块用于根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值；
所述副载波补偿模块用于根据所述伪码相位误差平滑值对所述第一副载波的频率进行补偿，从而完成对所述宽带复合导航信号的跟踪。
优选地，所述第一副载波伪码剥离单元用于将所述第一导航信号的P支路信号、L支路信号和E支路信号分别与所述第一副载波和所述第一伪码相乘，得到第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值；
所述第一相关值计算单元用于分别对所述第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号P支路相关值、L支路相关值和E支路相关值。
优选地，所述伪码相位检测模块用于根据所述第一导航信号L支路相关值和E支路相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到所述伪码相位误差平滑值。
优选地，所述伪码相位检测模块包括伪码环鉴相器和伪码环滤波器，
所述伪码环鉴相器用于根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差；
所述伪码环滤波器用于对所述伪码相位误差进行平滑滤波，得到所述伪码相位误差平滑值。
优选地，所述副载波补偿模块用于将所述伪码相位误差平滑值与预设门限值进行比较，若在观测时间内，所述伪码相位误差平滑值大于或等于预设门限值/>的次数大于或等于预设次数时，则对所述第一副载波的频率进行补偿。
优选地，所述副载波补偿模块对所述第一副载波的频率进行补偿包括：
当所述伪码相位误差平滑值大于或等于时，所述第一副载波频率增加半个副载波周期所对应的频率；
当所述伪码相位误差平滑值小于或等于时，所述第一副载波频率减少半个副载波周期所对应的频率。
优选地，所述装置还包括载波频率更新模块和副载波频率更新模块，所述副载波伪码剥离模块还包括第二副载波伪码生成单元、第二副载波伪码剥离单元和第二相关值计算单元，
所述载波剥离模块根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离后，还得到第二导航信号，所述第二导航信号和第一导航信号位于同一频段内，且拥有同一个载波中心频率；
所述第二副载波伪码生成单元用于根据所述第一副载波的频率生成本地第二副载波的频率和第二伪码的频率；所述第二副载波伪码剥离单元用于根据所述第二副载波对所述第二导航信号进行副载波剥离，并根据所述第二伪码对所述第二导航信号进行伪码剥离，得到所述第二导航信号副载波伪码剥离值；所述第二相关计算单元用于对所述第二导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第二导航信号相关值；
所述载波频率更新模块用于根据所述第二导航信号相关值更新本地载波频率，所述副载波频率更新模块用于根据所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号相关值更新所述第一副载波频率。
优选地，所述载波频率更新模块包括载波环鉴相器和载波环滤波器，
所述载波环鉴相器用于对所述第二导航信号相关值计算进行相位检测，得到载波相位估计误差；
所述载波环滤波器用于根据所述载波相位估计误差计算得到载波频率估计误差，从而根据所述载波频率估计误差更新所述本地生成的载波频率。
优选地，所述副载波频率更新模块包括副载波环鉴相器和副载波环滤波器，
所述副载波环鉴相器用于对所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号相关值进行相位检测，得到第一副载波相位估计误差；
所述副载波环滤波器用于根据所述第一副载波相位估计误差计算得到第一副载波频率估计误差，从而根据所述第一副载波频率估计误差更新所述第一副载波频率。
本发明还公开一种计算机存储介质，所述存储介质存储有程序，其中，所述程序用于被执行实现本发明所述的宽带复合导航信号跟踪方法。
本发明还公开一种导航接收机基带芯片，所述基带芯片能够本发明所述的宽带复合导航信号跟踪方法，或，包括本发明所述的宽带复合导航信号跟踪装置。
本发明还公开一种导航接收机，包括本发明所述的导航接收机基带芯片。
本发明充分利用宽带复合信号中副载波与伪码相位始终严格对齐这一前提，利用开环的伪码相位检测实现对副载波频率进行补偿，从而实现对宽带复合导航信号的无模糊跟踪。利用闭环的载波环和副载波环更新载波频率和副载波频率，另外采用开环的伪码相位检测技术来更新副载波频率，相对于现有技术中三个闭环环路实现的跟踪方案，本方案不仅从相位域上提取出高精度的测距信息，而且还有效降低了计算资源的开销以及实现的复杂度，提升了处理效率，同时，由于仅载波及副载波需要闭环，使得导航信号跟踪环路更紧凑、接收机结构也更紧凑。
本发明的其他有益效果，将在具体实施方式中通过具体技术特征和技术方案的介绍来阐述，本领域技术人员通过这些技术特征和技术方案的介绍，应能理解所述技术特征和技术方案带来的有益技术效果。
附图说明
以下将参照附图对本发明的宽带复合导航信号跟踪方法及装置的优选实施方式进行描述。图中：
图1为现有技术中北斗三号B1宽带复合导航信号示意图；
图2为根据本发明的一种优选实施方式的宽带复合导航信号跟踪方法流程图；
图3为根据本发明的一种优选实施方式的第一副载波频率补偿流程图；
图4为根据本发明的又一种优选实施方式的宽带复合导航信号跟踪方法流程图；
图5为根据本发明的一种优选实施方式的宽带复合导航信号跟踪装置框图；
图6为根据本发明的一种优选实施方式的副载波伪码剥离模块框图；
图7为根据本发明的又一种优选实施方式的宽带复合导航信号跟踪装置框图；
图8为根据本发明的又一种优选实施方式的副载波伪码剥离模块框图；
图9为根据本发明的一种优选实施方式的北斗三号B1宽带复合导航信号的跟踪结构框图。
具体实施方式
以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分，为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件并没有详细叙述。
此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。
除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
北斗三号中就有宽带复合导航信号，如图1所示的即为北斗三号B1宽带复合导航信号示意图，该复合导航信号的载波中心频率为1575.42MHz，采用CEMIC技术将位于同一频带内的3个有用信号（分别为B1I、B1C、B1A）合路播发（图中仅给出了民用信号的频谱），即形成了B1宽带复合导航信号。从图中可以看到，为保持后向兼容载波中心频率在1561.098MHz上的传统B1I信号，CEMIC技术在北斗三号B1I信号上引入了单边带副载波，该副载波为复数，呈现的是单边带非对称，所以通常称为复数副载波，或副载波，该副载波频率高达14.322MHz，蕴含着巨大的测距潜力。
图2为根据本发明的一种优选实施方式的宽带复合导航信号跟踪方法流程图，包括：
步骤S10：根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离，得到第一导航信号。通常，接收机天线接收所有北斗三号可视卫星播发的射频B1宽带复合导航信号，经射频前端下变频及中频滤波后得到宽带中频复合导航信号，一般为数字信号。其中，第一导航信号通常可以是B1宽带复合导航信号中的B1I信号，B1I信号上引入的单边带副载波即为第一导航信号在载波中心频率之外的副载波。
步骤S30：根据本地第一副载波的频率计算得到第一伪码的频率，根据所述第一副载波对所述第一导航信号进行副载波剥离，根据所述第一伪码对所述第一导航信号进行伪码剥离，得到第一导航信号副载波伪码剥离值，对所述第一导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号相关值。
由于B1宽带复合导航信号中副载波与伪码相位是始终严格对齐的，且第一导航信号的副载波频率是伪码频率的整数倍，通常是7倍，所以，可以根据第一副载波生成第一伪码。具体可以是根据第一副载波与第一伪码之间的频率关系，生成第一伪码的频率，本地数控振荡器按照第一伪码的频率生成第一伪码，即，第一副载波的频率除以七得到第一伪码的频率。
步骤S50：根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值，根据所述伪码相位误差平滑值对所述第一副载波的频率进行补偿，从而完成对所述宽带复合导航信号的跟踪。
本发明充分利用宽带复合信号中副载波与伪码相位始终严格对齐这一前提，利用开环的伪码相位检测实现对副载波频率进行补偿，从而实现对宽带复合导航信号的无模糊跟踪。利用闭环的载波环和副载波环更新载波频率和副载波频率，另外采用开环的伪码相位检测技术来对副载波频率进行补偿，相对于现有技术中三个闭环环路实现的跟踪方案，本方案不仅从相位域上提取出高精度的测距信息，而且无需闭环的码环，有效降低了计算资源的开销以及实现的复杂度，提升了处理效率，同时，由于仅载波及副载波需要闭环，使得导航信号跟踪环路更紧凑、接收机结构也更紧凑。
本领域技术人员可知，如果其他导航系统有类似北斗三号B1宽带复合导航信号，那么也是可以适用本方案的。
在一优选实施方式中，步骤S30中可以包括将第一导航信号的P支路信号、L支路信号和E支路信号分别与第一副载波和第一伪码相乘，即可以得到第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值，再分别对第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号P支路相关值、L支路相关值和E支路相关值。其中，相关计算可以是执行相干积分运算，第一导航信号P支路相关值、L支路相关值和E支路相关值即为第一导航信号相关值。
在一优选实施方式中，由于伪码维度的相位偏差是利用早迟支路延迟平方之差来做鉴相的，所以可以根据第一导航信号L（迟）支路相关值和E（早）支路相关值计算得到伪码相位误差平滑值。
在一优选实施方式中，步骤S50中的根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值可以包括：对所述第一导航信号相关值进行伪码相位检测，得到伪码相位误差，再对所述伪码相位误差进行平滑滤波，得到所述伪码相位误差平滑值。
在一优选实施方式中，步骤S50中的根据所述伪码相位误差平滑值对所述副载波的频率进行补偿可以包括：若观测时间内，所述伪码相位误差平滑值大于或等于预设门限值的次数大于或等于预设次数时，则对所述第一副载波的频率进行补偿。
如图3所示，步骤S501：根据第一导航信号相关值对第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差；步骤S502：对所述伪码相位误差进行平滑滤波，得到伪码相位误差平滑值；步骤S503：将伪码相位误差平滑值与预设门限值进行比较，在观测时间内，如果伪码相位误差平滑值大于或等于预设门限值的次数大于或等于预设次数，则执行步骤S504：对所述第一副载波的频率进行补偿。
在一优选实施方式中，可以根据所述第一副载波周期、所述第一导航信号的码维相关函数/>、伪码早迟相关器间距/>计算所述预设门限值/>。优选的，预设门限值可以选为0.9。
具体可以采用如下公式计算：
其中，为第一副载波周期，
为小于1的比例系数，
为第一导航信号码维相关函数，
为伪码早迟相关器间距，/>，/>为伪码码片宽度。
在一优选实施方式中，可以根据观测时间和相干积分时间/>计算所述预设次数所述预设次数。具体可以采用如下公式计算预设次数/>：
其中，为观测时间，/>为相干积分时间。
在一优选实施方式中，当超限次数达到预设次数时，对第一副载波NCO的频率进行调整，幅度为半个副载波周期所对应的频率字，方向由超限的符号决定，即，当伪码相位误差平滑值大于或等于时，第一副载波频率增加半个副载波周期所对应的频率，当伪码相位误差平滑值小于或等于/>时，第一副载波频率减少半个副载波周期所对应的频率。
在一实施方式中，如图4所示，步骤S10中根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离后，还可以得到第二导航信号，第二导航信号和第一导航信号位于同一频段内，且拥有同一个载波中心频率。具体的，第二导航信号可以是北斗B1宽带复合导航信号中的B1C信号。步骤S30中还可以包括：根据本地第一副载波的频率计算得到本地第二副载波的频率和第二伪码的频率，根据第二副载波对第二导航信号进行副载波剥离，根据第二伪码对第二导航信号进行伪码剥离，得到第二导航信号副载波伪码剥离值，对第二导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到所述第二导航信号相关值。步骤S40：根据第二导航信号相关值更新本地载波频率，根据第一导航信号相关值和第二导航信号相关值更新第一副载波频率。
其中，第一副载波频率与第二副载波频率和第二伪码频率也通常是整数倍关系，例如，北斗B1复合导航信号中的第一导航信号B1I的副载波频率是第二导航信号B1C的副载波频率的14倍，也是B1C伪码频率的14倍，所以，可以将B1I的副载波频率除以14，即可得到B1C的副载波频率和伪码频率，本地数控振荡器按照B1C的副载波频率生成第二副载波，根据B1C的伪码频率生成第二伪码。
在一优选实施方式中，在根据第二导航信号相关值更新本地载波频率时，可以先对第二导航信号相关值进行相位检测，计算得到载波频率估计误差，再根据所述载波频率估计误差更新本地载波频率。通常，会先根据第二导航信号相关值计算得到载波相位估计误差，再根据所述载波相位估计误差计算得到载波频率估计误差，从而根据载波频率估计误差更新所述本地载波频率。
由于载波维度的相位偏差仅与P（即时）支路的相关值有关，所以，可以根据第二导航信号P支路相关值计算得到载波相位估计误差。具体的，可以将第二导航信号的P支路信号与第二副载波和第二伪码相乘，得到第二导航信号P支路副载波伪码剥离值，再对第二导航信号P支路副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第二导航信号P支路相关值。其中，相关计算可以是执行相干积分运算，第二导航信号P支路相关值即为第二导航信号相关值，再根据第二导航信号P支路相关值计算得到载波相位估计误差。
在一优选实施方式中，根据第一导航信号相关值和第二导航信号相关值更新所述第一副载波频率可以包括：对第一导航信号相关值和第二导航信号相关值进行相位检测，计算得到第一副载波相位估计误差，再根据第一副载波相位估计误差计算得到第一副载波频率估计误差，从而根据所述第一副载波频率估计误差更新所述第一副载波频率。
由于副载波维度的相位偏差是利用正余弦构成的反正切来做鉴相的，所以选用P支路的相关值即可（即时支路），所以，可以根据第一导航信号P支路相关值和第二导航信号P支路相关值计算得到第一副载波相位估计误差。
和P支路相关值有关的误差源来自载波和副载波，在北斗B1宽带复合导航信号中，B1C的P路相关值可以确定B1复合信号的载波误差，而B1I的误差由B1复合信号的载波以及B1I的副载波构成，因此需要导入B1C的P路相关值帮助剥离掉B1复合信号的载波误差，从而仅剩下B1I的副载波误差，完成副载波的稳定跟踪。当然，如果B1复合信号的载波误差足够小，直接忽略掉B1复合信号的载波误差也是可以的，即此时B1C的P路相关值无需导入给B1I。
本发明具体实施例中，利用载波环路、副载波环路可以实现对载波和副载波的更新，同时，利用开环的伪码相位检测实现对副载波和伪码的补偿，从而实现对宽带复合导航信号的无模糊跟踪。不仅从相位域上提取出高精度的测距信息，而且还有效降低了计算资源的开销以及实现的复杂度，提升了处理效率，同时，由于仅载波及副载波需要闭环，使得导航信号跟踪环路更紧凑、接收机结构也更紧凑。
本发明还公开一种宽带复合导航信号跟踪装置，如图5所示，包括载波剥离模块10、副载波伪码剥离模块30、伪码相位检测模块50和副载波补偿模块70，其中，如图6所示，副载波伪码剥离模块包括第一伪码生成单元301、第一副载波伪码剥离单元302和第一相关值计算单元303。所述载波剥离模块10用于根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离，得到第一导航信号；所述第一伪码生成单元301用于根据所述第一副载波的频率计算得到第一伪码的频率；所述第一副载波伪码剥离单元303用于根据所述第一副载波对所述第一导航信号进行副载波剥离，并根据所述第一伪码对所述第一导航信号进行伪码剥离，得到第一导航信号副载波伪码剥离值；所述第一相关值计算单元303用于对所述第一导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到所述第一导航信号相关值；所述伪码相位检测模块50用于根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值；所述副载波补偿模块70用于根据所述伪码相位误差平滑值对所述第一副载波频率进行补偿，从而完成对所述宽带复合导航信号的跟踪。
在一优选实施方式中，所述第一副载波伪码剥离单元302用于将所述第一导航信号的P支路信号、L支路信号和E支路信号分别与所述第一副载波和所述第一伪码相乘，得到第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值。所述第一相关值计算单元303用于分别对所述第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号P支路相关值、L支路相关值和E支路相关值。
在一优选实施方式中，伪码相位检测模块50可以根据所述第一导航信号L支路相关值和E支路相关值计算得到所述伪码相位误差平滑值。
在一优选实施方式中，伪码相位检测模块50可以包括伪码环鉴相器和伪码环滤波器，所述伪码环鉴相器用于根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差；所述伪码环滤波器用于对所述伪码相位误差进行平滑滤波，得到所述伪码相位误差平滑值。
在一优选实施方式中，所述副载波补偿模块70用于将所述伪码相位误差平滑值与预设门限值进行比较，若在观测时间内，所述伪码相位误差平滑值大于或等于预设门限值的次数大于或等于预设次数时，则对所述第一副载波的频率进行补偿。具体可以是：当所述伪码相位误差平滑值大于或等于/>时，所述第一副载波频率增加半个副载波周期所对应的频率，当所述伪码相位误差平滑值小于或等于/>时，所述第一副载波频率减少半个副载波周期所对应的频率。
在一优选实施方式中，如图7所示，本发明的宽带复合导航信号跟踪装置还可以包括载波频率更新模块20和副载波频率更新模块40，如图8所示，副载波剥离模块还包括第二副载波伪码生成单元304、第二副载波伪码剥离单元305和第二相关值计算单元306，所述载波剥离模块10根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离后，还得到第二导航信号，第二导航信号和第一导航信号位于同一频段内，且拥有同一个载波中心频率。例如，北斗三号B1复合导航信号中的B1C信号即为第二导航信号。
所述第二副载波伪码生成单元304用于根据所述第一副载波生成第二副载波的频率和第二伪码的频率；所述第二副载波伪码剥离单元305用于根据所述第二副载波对所述第二导航信号进行副载波剥离，并根据所述第二伪码对所述第二导航信号进行伪码剥离，得到所述第二导航信号副载波伪码剥离值；所述第二相关值计算单元306用于对所述第二导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第二导航信号相关值。
载波频率更新模块20用于根据所述第二导航信号相关值更新本地载波频率；副载波频率更新模块40用于根据所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号相关值更新所述第一副载波频率。
在一优选实施方式中，载波频率更新模块20可以包括载波环鉴相器和载波环滤波器，载波环鉴相器用于对所述第二导航信号相关值计算进行相位检测，得到载波相位估计误差，载波环滤波器用于根据所述载波相位估计误差计算得到载波频率估计误差，从而根据所述载波频率估计误差更新所述本地生成的载波频率。
在一优选实施方式中，副载波频率更新模块40可以包括副载波环鉴相器和副载波环滤波器，副载波环鉴相器用于对所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号相关值进行相位检测，得到第一副载波相位估计误差，副载波环滤波器用于根据所述第一副载波相位估计误差计算得到所述第一副载波频率估计误差，从而根据所述第一副载波频率估计误差更新所述第一副载波频率。
图9是根据本发明技术方案设计的北斗三号B1宽带复合导航信号的跟踪结构框图，为简单起见，这里仅考虑民用B1I信号及B1C信号导频分量，B1I信号对应第一导航信号，B1C信号对应第二导航信号。图中示出了载波剥离模块10、载波频率更新模块20、副载波伪码剥离模块30、副载波频率更新模块40和伪码相位检测模块50，副载波频率补偿模块70未示出，该模块通常可以由CPU执行软件实现。考虑到带限滤波的影响，B1I的单边带复数副载波应近似为正余弦，因此，接收到的宽带复合导航信号B1可以建模为：
其中，
、/>分别是B1I和B1C信号的标称功率，
为B1I信号的导航电文，
、/>分别是B1I信号、B1C导频支路的测距码，
是B1C窄带BOC(1,1)成分的正弦方波副载波，其副载波频率是/>，其中/>MHz是GNSS基准频率，
为B1I副载波频率，
是信号传播延迟，
是载波中心频率，
是载波多普勒频移，
是载波相位，
是功率谱密度为/>的零均值高斯白噪声。
宽带复合导航信号的载波通过乘以载波NCO所驱动的本地载波得到剥离，得到第一导航信号B1I和第二导航信号B1C。即：
其中，为载波多普勒估计值，/>为载波相位估计值，/>表示B1C导频BOC(1,1)分量和B1I信号相位正交。
第一导航信号B1I的单边带副载波和伪码可以通过乘以B1I副载波环本地复现的单边带副载波和伪码得到剥离，其中的伪码频率是根据副载波频率除以7得到的。同样地，第二导航信号B1C的副载波和伪码可以通过乘以B1C副载波和伪码得到剥离，其中，B1C副载波频率和伪码频率也是根据B1I副载波频率计算得到的。即：
其中，是B1I信号本地复现的副载波，/>为副载波频率估计值，/>为副载波延迟估计值，/>为副载波相位估计值，下标/>分别表示E、P、L支路，/>表示相应支路的相位延迟，具体来说，/>，/>，/>，这里/>为伪码维早迟相关器间距，其取值范围为/>，这里/>为码片宽度。
由于B1I的复数副载波频率是14.322MHz，B1C副载波和码片结合后的频率是2.046MHz，所以，图9中是将B1I的副载波频率除以7后输出至B1C的副载波和伪码NCO。
将相乘后的结果送入相干积分从而可得到相关器输出结果，即有：
其中，为相干积分时间。
通过化简，相应的相关器输出结果能够表示为：
其中，为B1I码维相关函数，/>为B1C相关函数，/>为多普勒频移估计误差，/>为B1I副载波频率估计误差，/>为B1I副载波相位估计误差，/>为载波相位估计误差。
假定载波及副载波频率被完美跟踪，即存在近似关系以及/>，从而相应的相关器输出结果可以被简化为：
对载波环而言，相关结果、/>被送入到载波环鉴别器（鉴相器）中，从而得到载波相位估计误差/>，再经过环路滤波器和载波NCO产生下一历元的载波相位估计值。这里载波环鉴相器可以选择多种鉴相方法，下面只是其中一个例子：
其中，为四象限反正切函数，/>为取虚部函数，由此，载波环可以形成闭环。
对副载波环而言，相关结果、/>、/>、/>被送入到副载波环鉴别器（鉴相器）中，从而得到副载波相位估计误差/>，利用/>可得到副载波维相位延迟估计值/>，再经过环路滤波器和副载波NCO产生下一历元的本地复现副载波频率，继而完成了整个副载波环路的闭环。这里副载波环鉴相器可以选择多种鉴相方法，下面只是其中一个例子：
对码维检测器而言，其无需闭环。相关结果、/>、/>、/>被送入到码维检测器中的鉴相器中，从而得到伪码维相位误差。这里码维检测器所使用的一种鉴相方法可以是：
/>
在一段观测时间内对鉴相器得到的码相位差异进行平滑滤波，并将其与某一门限值进行比较，记录超过门限的次数。这里的门限值可以是：
其中，为副载波周期，/>为小于1的比例系数，典型的经验值可取0.9。当超限次数达到或超过规定的阈值时，对副载波NCO所依赖的副载波频率进行补偿。这里的阈值由检测器的观测时间/>以及相干积分时间/>来决定，一般可取：
当超限次数达到规定的阈值时，根据补偿量对副载波NCO的频率进行调整，幅度为半个副载波周期所对应的频率字，方向由超限的符号决定，即当大于/>时，副载波频率增加半个副载波周期所对应的频率；当/>小于/>时，副载波频率减少半个副载波周期所对应的频率。
图9中的接收机跟踪框图所描述的接收流程仅需要载波环以及副载波环即可完成B1宽带复合信号的匹配接收，同时为了实现无模糊操作，在充分利用到副载波与伪码相位始终严格对齐这一先验知识的前提下，通过开环形式的码维检测器进行处理，降低了计算资源的开销以及实现复杂度，提升了处理效率。
此外，本发明还提供了一种用于宽带复合导航信号跟踪方法的计算机可读存储介质，如芯片、光盘等，计算机可读存储介质上存储有执行程序，该执行程序被执行时实现如上述任一项所述的跟踪方法。
需要说明的是，本公开的实施例所述的计算机可读存储介质并不限定于上述所给实施例，例如还可以为电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、模块或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦式可编程只读存储器（EPROM或闪存）、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器（CD-ROM）、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本公开的实施例中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、模块或者器件使用或者与其结合使用。
本发明还公开一种导航接收机基带芯片，所述基带芯片能够执行本发明的宽带复合导航信号跟踪方法，或，包括本发明的宽带复合导航信号跟踪装置。
本发明还公开一种导航接收机，包括本发明的导航接收机基带芯片。
本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。其中，附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生，例如，两个接连表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。本文中对于各步骤的编号仅为了方便说明和引用，并不用于限定前后顺序，具体的执行顺序是由技术本身确定的，本领域技术人员可以根据技术本身确定各种允许的、合理的顺序。
需要说明的是，本发明中采用步骤编号（字母或数字编号）来指代某些具体的方法步骤，仅仅是出于描述方便和简洁的目的，而绝不是用字母或数字来限制这些方法步骤的顺序。本领域的技术人员能够明了，相关方法步骤的顺序，应由技术本身决定，不应因步骤编号的存在而被不适当地限制，本领域技术人员可以根据技术本身确定各种允许的、合理的步骤顺序。
本领域的技术人员能够理解的是，在不冲突的前提下，上述各优选方案可以自由地组合、叠加。
应当理解，上述的实施方式仅是示例性的，而非限制性的，在不偏离本发明的基本原理的情况下，本领域的技术人员可以针对上述细节做出的各种明显的或等同的修改或替换，都将包含于本发明的权利要求范围内。

Claims (21)

1.一种宽带复合导航信号跟踪方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
S10：根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离，得到第一导航信号和第二导航信号，所述第二导航信号和第一导航信号位于同一频段内，且拥有同一个载波中心频率，所述第一导航信号的副载波为单边带复数副载波；
S30：根据本地第一副载波的频率计算得到第一伪码的频率、本地第二副载波的频率和第二伪码的频率；根据所述第一副载波对所述第一导航信号进行副载波剥离，根据所述第一伪码对所述第一导航信号进行伪码剥离，得到第一导航信号副载波伪码剥离值，对所述第一导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号相关值；将所述第二导航信号的P支路信号与所述第二副载波和第二伪码相乘，得到第二导航信号P支路副载波伪码剥离值，对第二导航信号P支路副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第二导航信号P支路相关值；
S40：根据所述第二导航信号P支路相关值更新本地载波频率，根据所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号P支路相关值更新所述第一副载波频率；
S50：根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值，根据所述伪码相位误差平滑值对所述第一副载波的频率进行补偿，从而完成对所述宽带复合导航信号的跟踪。
2.根据权利要求1所述的宽带复合导航信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤S30包括：
将所述第一导航信号的P支路信号、L支路信号和E支路信号分别与所述第一副载波和所述第一伪码相乘，得到第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值；
分别对所述第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号P支路相关值、L支路相关值和E支路相关值，第一导航信号相关值包括所述第一导航信号P支路相关值、L支路相关值和E支路相关值。
3.根据权利要求2所述的宽带复合导航信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤S50中根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值包括：
根据所述第一导航信号L支路相关值和E支路相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到所述伪码相位误差平滑值。
4.根据权利要求1所述的宽带复合导航信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤S50中的根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值包括：
对所述第一导航信号相关值进行伪码相位检测，得到伪码相位误差；
对所述伪码相位误差进行平滑滤波，得到所述伪码相位误差平滑值。
5.根据权利要求1所述的宽带复合导航信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤S50中的根据所述伪码相位误差平滑值对所述第一副载波的频率进行补偿包括：
若观测时间内，所述伪码相位误差平滑值大于或等于预设门限值的次数大于或等于预设次数时，则对所述第一副载波的频率进行补偿。
6.根据权利要求5所述的宽带复合导航信号跟踪方法，其特征在于，所述预设门限值根据所述第一副载波的周期/>、所述第一导航信号的码维相关函数/>和伪码早迟相关器间距/>计算得到。
7.根据权利要求5所述的宽带复合导航信号跟踪方法，其特征在于，所述预设次数根据观测时间和相干积分时间/>计算得到。
8.根据权利要求5所述的宽带复合导航信号跟踪方法，其特征在于，对所述第一副载波的频率进行补偿包括：
当所述伪码相位误差平滑值大于或等于时，所述第一副载波的频率增加半个副载波周期所对应的频率；
当所述伪码相位误差平滑值小于或等于时，所述第一副载波的频率减少半个副载波周期所对应的频率。
9.根据权利要求1所述的宽带复合导航信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤S40中，根据所述第二导航信号相关值更新本地载波频率包括：
对所述第二导航信号相关值进行相位检测，得到载波相位估计误差；
根据所述载波相位估计误差计算得到载波频率估计误差；
根据所述载波频率估计误差更新所述本地载波频率。
10.根据权利要求1所述的宽带复合导航信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤S40中，根据所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号相关值更新所述第一副载波频率包括：
对所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号相关值进行相位检测，得到第一副载波相位估计误差；
根据所述第一副载波相位估计误差计算得到第一副载波频率估计误差；
根据所述第一副载波频率估计误差更新所述第一副载波频率。
11.一种宽带复合导航信号跟踪装置，其特征在于，包括载波剥离模块、副载波伪码剥离模块、伪码相位检测模块、副载波补偿模块、载波频率更新模块和副载波频率更新模块，所述副载波伪码剥离模块包括第一伪码生成单元、第一副载波伪码剥离单元、第一相关值计算单元、第二副载波伪码生成单元、第二副载波伪码剥离单元和第二相关值计算单元：
所述载波剥离模块用于根据本地载波对接收到的宽带复合导航信号进行载波剥离，得到第一导航信号和第二导航信号，所述第二导航信号和第一导航信号位于同一频段内，且拥有同一个载波中心频率，所述第一导航信号的副载波为单边带复数副载波；
所述第一伪码生成单元用于根据本地第一副载波的频率计算得到第一伪码的频率，所述第一副载波伪码剥离单元用于根据所述第一副载波对所述第一导航信号进行副载波剥离，并根据所述第一伪码对所述第一导航信号进行伪码剥离，得到第一导航信号副载波伪码剥离值，所述第一相关值计算单元用于对所述第一导航信号副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号相关值；所述第二副载波伪码生成单元用于根据所述第一副载波的频率生成本地第二副载波的频率和第二伪码的频率，所述第二副载波伪码剥离单元用于将所述第二导航信号的P支路信号与所述第二副载波和第二伪码相乘，得到第二导航信号P支路副载波伪码剥离值；所述第二相关值计算单元用于对第二导航信号P支路副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第二导航信号P支路相关值；
所述载波频率更新模块用于根据所述第二导航信号P支路相关值更新本地载波频率，所述副载波频率更新模块用于根据所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号P支路相关值更新所述第一副载波频率；
所述伪码相位检测模块用于根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差平滑值；
所述副载波补偿模块用于根据所述伪码相位误差平滑值对所述第一副载波的频率进行补偿，从而完成对所述宽带复合导航信号的跟踪。
12.根据权利要求11所述的宽带复合导航信号跟踪装置，其特征在于，
所述第一副载波伪码剥离单元用于将所述第一导航信号的P支路信号、L支路信号和E支路信号分别与所述第一副载波和所述第一伪码相乘，得到第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值；
所述第一相关值计算单元用于分别对所述第一导航信号P支路副载波伪码剥离值、L支路副载波伪码剥离值和E支路副载波伪码剥离值进行相关计算，得到第一导航信号P支路相关值、L支路相关值和E支路相关值，所述第一导航信号相关值包括第一导航信号P支路相关值、L支路相关值和E支路相关值。
13.根据权利要求12所述的宽带复合导航信号跟踪装置，其特征在于，所述伪码相位检测模块用于根据所述第一导航信号L支路相关值和E支路相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到所述伪码相位误差平滑值。
14.根据权利要求11所述的宽带复合导航信号跟踪装置，其特征在于，所述伪码相位检测模块包括伪码环鉴相器和伪码环滤波器，
所述伪码环鉴相器用于根据所述第一导航信号相关值对所述第一伪码进行伪码相位检测，得到伪码相位误差；
所述伪码环滤波器用于对所述伪码相位误差进行平滑滤波，得到所述伪码相位误差平滑值。
15.根据权利要求11所述的宽带复合导航信号跟踪装置，其特征在于，
所述副载波补偿模块用于将所述伪码相位误差平滑值与预设门限值进行比较，若在观测时间内，所述伪码相位误差平滑值大于或等于预设门限值/>的次数大于或等于预设次数时，则对所述第一副载波的频率进行补偿。
16.根据权利要求15所述的宽带复合导航信号跟踪装置，其特征在于，所述副载波补偿模块对所述第一副载波的频率进行补偿包括：
当所述伪码相位误差平滑值大于或等于时，所述第一副载波频率增加半个副载波周期所对应的频率；
当所述伪码相位误差平滑值小于或等于时，所述第一副载波频率减少半个副载波周期所对应的频率。
17.根据权利要求11所述的宽带复合导航信号跟踪装置，其特征在于，所述载波频率更新模块包括载波环鉴相器和载波环滤波器，
所述载波环鉴相器用于对所述第二导航信号相关值计算进行相位检测，得到载波相位估计误差；
所述载波环滤波器用于根据所述载波相位估计误差计算得到载波频率估计误差，从而根据所述载波频率估计误差更新所述本地载波频率。
18.根据权利要求11所述的宽带复合导航信号跟踪装置，其特征在于，所述副载波频率更新模块包括副载波环鉴相器和副载波环滤波器，
所述副载波环鉴相器用于对所述第一导航信号相关值和所述第二导航信号相关值进行相位检测，得到第一副载波相位估计误差；
所述副载波环滤波器用于根据所述第一副载波相位估计误差计算得到第一副载波频率估计误差，从而根据所述第一副载波频率估计误差更新所述第一副载波频率。
19.一种计算机存储介质，其特征在于，所述存储介质存储有程序，其中，所述程序用于被执行实现如权利要求1-10任一项所述的宽带复合导航信号跟踪方法。
20.一种导航接收机基带芯片，其特征在于，所述基带芯片能够执行如权利要求1-10任一项所述的宽带复合导航信号跟踪方法，或，包括如权利要求11-18任一项所述的宽带复合导航信号跟踪装置。
21.一种导航接收机，其特征在于，包括如权利要求20所述的导航接收机基带芯片。
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