专利名称：一种卫星导航接收机环路自调节方法
技术领域：
本发明属于卫星信号接收机跟踪环路优化方法的技术领域，涉及一种利用三轴加速度计芯片输出信息作为环路参数优化调整的判断依据，使跟踪环路对自身阶数以及带宽进行自主调节的跟踪环路性能优化方法。
背景技术：
卫星导航技术自引入我国以来，其应用领域不断扩展，在民用、军事、航天等方面均存在极大的运用前景。当搭载软件接收机的载体具有较高动态时，接收机与卫星之间的相对速度、加速度以及加速度变化率会导致其接收到的卫星信号在载波上存在很大且随时间变化的多普勒频移，当多普勒频移足够大时，接收机的跟踪环路将不能保持锁定，致使跟踪环路失锁。故提高环路的动态适应性能是实现高性能卫星导航接收机的关键技术之一，要提高跟踪环路的动态适应性能，究其根本就是要使高动态情况下的环路跟踪误差尽量小。目前，针对高动态卫星信号的跟踪，主要处理方法有两种一种是利用惯性器件进行辅助，一种是采用一些复杂的处理算法。利用惯性器件对跟踪环路进行辅助是补偿由于载体动态导致的卫星信号动态的最直接也是较为有效的方法，能够提高接收机对动态的适应能力和抗干扰能力，不过该方法实现复杂，且需要改变接收机原有跟踪环路的结构，实现起来较为不便；在无法利用惯性器件提供多普勒频移先验信息时，往往只能采用最大似然估计、扩展卡尔曼滤波自适应最小平均等一些复杂算法，这些算法将导致运算量的明显增加。由于跟踪环路误差多由环路参数与载体动态不匹配所导致，故调节环路参数使其能够较好地对卫星信号进行跟踪是一种简单且易实现的跟踪环路性能优化方法，本案即是基于前述思想提出。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种卫星导航接收机环路自调节方法，其不需要额外增加完整的惯导系统，在保留接收机原有跟踪环路结构的基础上仅需增加判断以及对环路参数进行优化的步骤，能够根据载体动态信息自主调节环路阶数以及噪声带宽。为了达成上述目的，本发明的解决方案是—种卫星导航接收机环路自调节方法，包括如下步骤(I)设置环路初始阶数和初始带宽，采集并存储加速度信息，计算加速度变化率；(2)读取经过射频前端处理的Ims卫星数字中频信号；(3)分别通过码生成器和载波发生器产生与步骤(2)中卫星信号的输入码和输入载波尽可能一致的码信号和载波信号，并生成对应的超前、滞后码；(4)通过混频机制利用步骤(3)中的本地载波信号剥离步骤(2)中卫星信号中的载波，利用得到的两路混频结果分别与步骤(3)中生成的超前、即时和滞后码做相关运算，得到六路相关积分结果；(5)根据步骤(4)中得到的相关积分结果估算载噪比，并通过二象限反正切函数鉴相器进行载波鉴相，得到鉴相器输出；(6)载波跟踪环路参数自调节步骤，该步骤分为以下子步骤(61)环路锁定检测利用步骤⑷中跟踪环路相关积分结果以及步骤(5)得到的载噪比估计值信息进行环路跟踪状态的综合判别，若该通道信号该时刻发生失锁现象，则转步骤(8)，若判断锁定信号，则继续执行步骤(62)；(62)环路阶数调节通过步骤(I)得到的加速度、加速度变化率判断所需的环路阶数，并计算平均加速度以及平均加速度变化率，当平均加速度变化率小于门限值且平均加速度不为O时，若当前环路阶数高于载体动态对应的理想阶数，则逐次向下调节环路阶 数至理想阶数，若当前环路阶数即为理想阶数则保持不变；当平均加速度变化率大于门限值时，若当前环路阶数低于载体动态对应的理想阶数，则逐次向上调节环路阶数至理想阶数，若当前环路结束即为理想阶数则保持不变；若非以上两种情况，则跳出该步骤，直接进入步骤⑶；(63)环路带宽调节利用N阶载波跟踪环路最优带宽计算公式计算当前载波跟踪环路的最优带宽，调节环路带宽为最优带宽；(7)利用步骤(6)调节过的环路滤波器对步骤(5)得到的载波鉴相结果进行滤波，滤波结果通过载波NCO对本地载波频率进行修正；(8)码鉴相、鉴相结果滤波及码频率修正步骤利用对步骤(4)中得到的相关积分结果通过非相干超前减滞后幅值法对码环进行鉴相，得到鉴相结果，将该鉴相结果经过一阶低通滤波器滤波后，控制码环NCO对本地码频率进行修正。上述步骤(I)中，以最小采样周期采集并存储三轴加速度计芯片输出的加速度信息a，利用差分方法求得加速度变化率^ ，其中ak和&分别为k时刻载体加速度以
及加速度变化率，ΛΤ为k、(k-1)时刻间的时间间隔。上述步骤(4)中，六路相关积分结果的表达式分别如下 Ie = ^C(Ar~r)[sin(Afi；r + Δ0 - sin(A^)]欠-AC(M - τ)Τ2/S.CD2Ip =[sin(A@r + Αθ) - sin(A^)]欠 ^AC(M)TIl = Α€^ + τ\ η^ωΤ + Αθ) - sin(A^)]欠+ τ)ΤQe=- AC^ ~ Γ) [cos(A@r + A^) - cos(A^)] ^ -AC^t - τ)ΑΘΤ
2/S.CD2Qp=-[cos(A@r + ΑΘ) - cos(A^)] ^ ^AC(At)A0TQl=- AC^ + Γ) [cos(Afi；r + ΑΘ) - cos(A^)] ^ -AC(At + τ)ΑΘΤ
2/S.CD2其中，IE、IP、込分别为同相支路超前、即时、滞后相干积分值，Qe、QP、分别为正交支路超前、即时、滞后相干积分值，A表示信号强度，△ t表示本地码与输入码之间的相位差，C(At)表示相位差At引起的相关峰值，Λ ω和Λ Θ分别表示本地载波与输入载波之间的频率差以及相位差，τ为超前滞后的码片移动大小，T为相关积分时间。上述步骤(5)中，估算载噪比的步骤为(51)构造I、Q平方和序列步骤对每个时刻的相关积分结果IP、QP计算其平方和，即每Ims进行一次，构造序列Z，其中4 = (I2pi +Q2pi)，i为表征当前时刻的下标；(52)载波功率均值计算步骤计算步骤(51)中序列Z的均值Z以及方差4，其中
Z = (IH)YjZi，σ〗=(^γ)Σ於-之)2，在此基础上利用(^l)2 = λ/之2计算载波功率
均值，N表不序列Z中样本总数,Af表不前端输出信号幅度；(53) I,Q噪声方差巧^估算步骤利用步骤(52)中得到的序列Z的均值之以及方差
—计算 I、Q 噪声方差=Uz-^Z2-a2z)；σζ，2
NA(54)载噪比C/X估算步骤在由步骤(52)得到(」)2，由步骤(63)得到γ已
2uIQ ,
知积分时间T的前提下，估算载噪比C/#Q=101og1Q巧’。上述步骤(5)中，利用步骤
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(4)得到的相关积分结果Ip和Qp通过二象限反正切函数鉴相器进行载波鉴相，得到鉴相器输出式=arctan(^)。采用上述方案后，本发明提出一种在不改变卫星信号接收机原有跟踪环路结构的基础上，综合三轴加速度计芯片输出以及对信号载噪比估算得到的结果，对环路阶数、带宽进行实时调节，以保持信号的跟踪同时使跟踪误差最小的方法。该方法不需要完整的惯性导航模块，只需要一块加速度计芯片，实现灵活、成本低，较传统跟踪环路实现没有明显运算量增加，能够提高接收机跟踪环路性能。
图I是本发明的原理流程示意图；图2是本发明中测试信号载波跟踪环路鉴相器输出示意图；图3是本发明中测试信号载波跟踪环路频率误差示意图。
具体实施例方式以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。本发明提供一种卫星导航接收机环路自调节方法，跟踪环路运行流程如图I所示。首先设置环路的初始跟踪带宽以及阶数，使能三轴加速度计芯片的工作。加速度计芯片每个采样周期输出载体的加速度值，该方法对加速度计芯片输出进行处理，并存储加速度、加速度变化率值，作为环路阶数判断的依据。每个环路处理周期内，对每个通道进行如下循环处理读取Ims数据，建立本地码信息以及本地载波，将本地载波与输入中频信号混频，随后进行相关积分处理，再利用相关积分结果进行鉴相，如果正在处理的是第一个通道，则需要进行环路参数自调节的操作，然后再对鉴相结果进行滤波并修正本地信号，若非第一个通道则可直接对鉴相结果滤波并修正本地信号。
以下将结合具体实施例对本发明作详细介绍。本发明为一种卫星导航接收机环路自调节方法，包括如下步骤(I)环路初始设置及使能步骤设置环路初始阶数为二阶、初始带宽为20Hz，环路开始工作的同时，三轴加速度计芯片也开始工作；(2)加速度计芯片输出数据处理步骤以最小采样周期采集并存储三轴加速度计
芯片输出的加速度信息a，利用差分方法求得加速度变化率^，其中ak和&分别
为k时刻载体加速度以 及加速度变化率，AT为k、(k-1)时刻间的时间间隔(即加速度计芯片采样周期)；(3)卫星信号读取读取Ims的经过射频前端处理的卫星数字中频信号(跟踪环路的循环周期为Ims)；(4)本地信号产生步骤通过码生成器产生一个与步骤(3)读取的卫星信号中的输入码尽可能一致的码信号，并生成对应的超前、滞后码，通过载波发生器生成与步骤(3)读取的卫星信号中的输入载波尽可能一致的载波信号；(5)混频及相关累加步骤通过混频机制利用步骤(4)产生的本地载波尽可能地剥离步骤(3)读取的卫星信号中的载波，利用得到的两路混频结果分别与步骤(4)中生成的超前、即时以及滞后码作相关运算，得到六路相关积分结果Ie = AC^At~T"> [sin(Afi；r + Δ^) - sin(A^)]欠-AC(M - τ)Τ
2/S.CD2Ip =[sin(A@r + MT) - sin(A^)]。^AC(M)TIl = Α€^ + τ\ η^ωΤ + Δ^) - sin(A^)]欠-AC(M + τ)Τ
2/S.CD2Qe=- AC^ ~ Γ) [cos(A@r + A^) - cos(A^)] ^ -AC^t - τ)ΑΘΤ
2/S.CD2Qp=-[cos(A@r + MT) - cos(A^)] ^Ql = _AC(At + T^> [COs(Afi；r + Δ^) - cos(A^)] ^ -AC(At + τ)ΑΘΤ
2/S.CD2其中，IE、IP、込分别为同相支路超前、即时、滞后相干积分值，Qe、QP、分别为正交支路超前、即时、滞后相干积分值，A表示信号强度，△ t表示本地码与输入码之间的相位差，C(At)表示相位差At引起的相关峰值，Λ ω和Λ Θ分别表示本地载波与输入载波之间的频率差以及相位差，τ为超前滞后的码片移动大小，T为相关积分时间；(6)载波鉴相步骤利用步骤(5)得到的相关积分结果Ip和Qp通过二象限反正切
函数鉴相器进行载波鉴相，得到鉴相器输出炎=arctan(^)；(7)载噪比估算步骤利用步骤(5)中得到的相关积分结果Ip、Qp进行载噪比估计，该步骤分为以下子步骤(71)构造I、Q平方和序列步骤对每个时刻的相关积分结果IP、QP计算其平方和，即每Ims进行一次，构造序列Z，其中4 = (I2pi +Q2pi)，i为表征当前时刻的下标；(72)载波功率均值计算步骤计算步骤(71)中序列Z的均值Z以及方差4，其中
权利要求
1.一种卫星导航接收机环路自调节方法，其特征在于包括如下步骤 (1)设置环路初始阶数和初始带宽，采集并存储加速度信息，计算加速度变化率； (2)读取经过射频前端处理的Ims卫星数字中频信号； (3)分别通过码生成器和载波发生器产生与步骤(2)中卫星信号的输入码和输入载波尽可能一致的码信号和载波信号，并生成对应的超前、滞后码； (4)通过混频机制利用步骤(3)中的本地载波信号剥离步骤(2)中卫星信号中的载波，利用得到的两路混频结果分别与步骤(3)中生成的超前、即时和滞后码做相关运算，得到六路相关积分结果； (5)根据步骤(4)中得到的相关积分结果估算载噪比，并通过二象限反正切函数鉴相器进行载波鉴相，得到鉴相器输出； (6)载波跟踪环路参数自调节步骤，该步骤分为以下子步骤 (61)环路锁定检测利用步骤(4)中跟踪环路相关积分结果以及步骤(5)得到的载噪比估计值信息进行环路跟踪状态的综合判别，若该通道信号该时刻发生失锁现象，则转步骤(8)，若判断锁定信号，则继续执行步骤(62)； (62)环路阶数调节通过步骤(I)得到的加速度、加速度变化率判断所需的环路阶数，并计算平均加速度以及平均加速度变化率，当平均加速度变化率小于门限值且平均加速度不为O时，若当前环路阶数高于载体动态对应的理想阶数，则逐次向下调节环路阶数至理想阶数，若当前环路阶数即为理想阶数则保持不变；当平均加速度变化率大于门限值时，若当前环路阶数低于载体动态对应的理想阶数，则逐次向上调节环路阶数至理想阶数，若当前环路结束即为理想阶数则保持不变；若非以上两种情况，则跳出该步骤，直接进入步骤(8)； (63)环路带宽调节利用N阶载波跟踪环路最优带宽计算公式计算当前载波跟踪环路的最优带宽，调节环路带宽为最优带宽； (7)利用步骤(6)调节过的环路滤波器对步骤(5)得到的载波鉴相结果进行滤波，滤波结果通过载波NCO对本地载波频率进行修正； (8)码鉴相、鉴相结果滤波及码频率修正步骤利用对步骤(4)中得到的相关积分结果通过非相干超前减滞后幅值法对码环进行鉴相，得到鉴相结果，将该鉴相结果经过一阶低通滤波器滤波后，控制码环NCO对本地码频率进行修正。
2.如权利要求I所述的一种卫星导航接收机环路自调节方法，其特征在于所述步骤(I)中，以最小采样周期采集并存储三轴加速度计芯片输出的加速度信息a，利用差分方法求得加速度变化率
3.如权利要求2所述的一种卫星导航接收机环路自调节方法，其特征在于所述步骤(4)中，六路相关积分结果的表达式分别如下
4.如权利要求3所述的一种卫星导航接收机环路自调节方法，其特征在于所述步骤(5)中，估算载噪比的步骤为 (51)构造I、Q平方和序列步骤对每个时刻的相关积分结果IP、QP计算其平方和，即每Ims进行一次，构造序列Z，其中Zi = (I2pi +Q2pi)，i为表征当前时刻的下标； (52)载波功率均值计算步骤计算步骤(51)中序列Z的均值之以及方差σ〗，其中
5.如权利要求3所述的一种卫星导航接收机环路自调节方法，其特征在于所述步骤(5)中，利用步骤(4)得到的相关积分结果Ip和Qp通过二象限反正切函数鉴相器进行载波鉴相，得到鉴相器输出式
全文摘要
本发明公开一种卫星导航接收机环路自调节方法，在保留接收机原有跟踪环路结构的基础上增加判断以及对环路参数进行优化的步骤，能够根据载体动态信息自主调节环路阶数以及噪声带宽。该方法不需要额外增加完整的惯导系统。
文档编号G01S19/23GK102621561SQ20121011084
公开日2012年8月1日 申请日期2012年4月16日 优先权日2012年4月16日
发明者刘建业, 李荣冰, 谢非, 黄隽祎 申请人:南京航空航天大学