一种快速收敛的自适应伪码延迟锁定环路的制作方法

本发明属于卫星导航技术领域，特别是涉及一种快速收敛的自适应伪码延迟锁定环路。

背景技术：

随着全球卫星导航系统GNSS的建设和GNSS接收机的广泛应用，用户对GNSS接收机的连续定位能力提出了越来越高的要求。但是，在城市、丛林、山谷等复杂环境应用中，卫星信号经常受到短时遮挡，因此失锁后的快速重定位技术成为了GNSS接收机的研究热点之一。对于短时信号遮挡，GNSS接收机可以采用码相位预测的方法完成信号的快速捕获，但是从捕获完成通常伪码误差为0.5码片到伪码跟踪环路稳定通常伪码误差小于0.02码片的时间仍是制约定位恢复的主要因素。

对于实现伪码跟踪的延迟锁定环路DLL来说，噪声带宽是环路的重要设计参数之一。较宽的环路带宽能够使环路快速收敛和稳定，但是稳定跟踪后存在较大的环路跟踪误差；反之，较窄的环路带宽有助于滤除环路中的噪声，能够保证更高的环路跟踪精度，但是却需要较长的稳定时间。由此可见，在传统的固定带宽的码跟踪环路设计中，降低环路跟踪误差和提升环路收敛速度的要求相互矛盾。文献“Bandwidth Optimization of Carrier/Code Tracking Loops in GPS Receiver[ResearchGate,Available from:wei-lung Mao,Retrieved on:21November 2016]”中认为，适应正常定位和动态需求的最优码环带宽应为4.556Hz到2.4283Hz，然而在这种带宽下的码环收敛时间通常为1秒或更长，导致GNSS接收机无法满足失锁后的快速重定位的需求。

技术实现要素：

本发明的目的为了克服现有技术的不足，提供一种快速收敛的自适应伪码延迟锁定环路。通过码环鉴相器的输出和牵引时间计时，自适应地调整伪码延迟锁定环路的噪声带宽，有效地实现了码环牵引过程的快速稳定和精确跟踪。

本发明采用的技术方案为：

一种快速收敛的自适应伪码延迟锁定环路，包括本地伪码产生器1、相关器2、鉴相器3、牵引时间计时器4、平滑滤波器5、环路参数控制器6、环路滤波器7和数控振荡器8；

本地伪码产生器1用于根据本地伪码时钟生成间隔不超过半个码片的超前、即时和滞后三组本地伪码序列，并将超前和滞后两组本地伪码序列发送至相关器2；

相关器2用于将载波剥离的I支路数字信号分别与超前和滞后两组本地伪码序列相乘并在一定时间内积分，将载波剥离的Q支路数字信号分别与超前和滞后两组本地伪码序列相乘并在一定时间内积分，得到I、Q支路的超前和滞后两组相关结果，将超前和滞后两组相关结果发送至鉴相器3；

鉴相器3用于分别对I、Q支路的超前和滞后两组相关结果进行相位差异分析，得到本地伪码序列与卫星信号的相位差异，将相位差异分别发送至平滑滤波器5和环路滤波器7；

平滑滤波器5用于对相位差异进行平滑滤波，得到稳定的相位误差结果，将相位误差结果发送至环路参数控制器6；

牵引时间计时器4用于在环路参数控制器6的控制下开启或关闭，还用于在开启时完成从环路同步开始的时间累积，将时间累积结果发送至环路参数控制器6；

环路参数控制器6用于建立环路噪声带宽参数查找表，并根据时间累积结果和相位误差结果从表格中选择噪声带宽参数对环路滤波器7进行设置；

环路滤波器7用于对相位差异进行滤波，得到本地伪码与卫星信号之间的相位偏差，将相位偏差发送至数控振荡器8；

数控振荡器8用于利用环路滤波器7输出的相位偏差，调整本地伪码NCO控制字，产生本地伪码时钟，将本地伪码时钟发送至本地伪码产生器1。

其中，环路参数控制器6包括环路带宽查找表601、初始牵引控制器602和自适应带宽控制器603；

环路带宽查找表601用于选择N个环路带宽预选值，记为B_L1、B_L2、…、B_LN；并对每个环路带宽预选值进行环路滤波器7的参数计算，将计算结果以表格的形式进行存储；所述的N≥4；

初始牵引控制器602用于在环路初始时控制牵引时间计时器4开启，并设定初始牵引时间T；当牵引时间计时器4的时间累积结果小于T时，从环路带宽查找表601中选择噪声带宽B_Lstart进行环路滤波器7的参数计算，并设置环路滤波器7；还用于当牵引时间计时器4的时间累积结果大于T时，关闭牵引时间计时器4；所述的B_Lstart≥30Hz；所述的初始牵引时间T大于等于平滑滤波器5的初始化时间且大于等于带宽为B_Lstart的环路滤波器7完成一次震荡的时间；

自适应带宽控制器603用于在牵引时间计时器4关闭后，利用平滑滤波器5输出的相位误差结果，依据误差大带宽宽和误差小带宽窄的原则，从环路带宽查找表601中实时地选择噪声带宽进行环路滤波器7的参数计算，并设置环路滤波器7。

其中，环路带宽查找表601中环路带宽预选值按照从小到大的顺序排列，且任意两个相邻环路带宽预选值的差异大于等于30％，即B_L(k-1)×130％≤B_Lk，其中，B_L(k-1)和B_Lk分别为排序后的第k-1个和第k个环路带宽预选值；预选值中的最大值大于等于30Hz，最小值小于等于5Hz。

其中，自适应带宽控制器603中利用平滑滤波器5输出的相位误差结果δ，从环路带宽查找表601中实时选择的噪声带宽B_Lk满足以下条件：

a)当δ＞0.02时，噪声带宽为B_Lk的伪码延迟锁定环路在信号稳定跟踪后，鉴相器3输出的相位差异的2σ误差小于δ；且平滑滤波器5输出的鉴相误差收敛到小于δ的时间小于等于100ms；

b)当δ≤0.02时，噪声带宽为B_Lk的伪码延迟锁定环路在信号稳定跟踪后，鉴相器3输出的相位差异的2σ误差小于等于0.02。

本发明的有益效果是：自适应伪码延迟锁定环路能够调整环路滤波器的噪声带宽，在环路的牵引初始阶段，由于相位误差较大，选择较宽的带宽进行设计，实现环路快速震荡和收敛；在牵引过程中，随着相位误差逐渐减小，环路滤波器的带宽随之变窄，使环路输出逐渐稳定；达到稳定跟踪状态后，选择较窄的环路带宽，保证伪码跟踪精度达到正常定位和导航需求。克服了现有固定带宽伪码跟踪环路高跟踪精度和快速收敛的矛盾，实现了在不降低环路稳态跟踪精度的前提下加快环路收敛速度。

附图说明

图1是本发明实施例的伪码延迟锁定环路结构示意图；

图2是本发明实施例的环路参数控制器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

图1为本发明实施例的典型结构示意图，包括本地伪码产生器1、相关器2、鉴相器3、牵引时间计时器4、平滑滤波器5、环路参数控制器6、环路滤波器7和数控振荡器8。

本地伪码产生器1用于根据本地伪码时钟生成间隔不超过半个码片的超前、即时和滞后三组本地伪码序列，超前和滞后码序列与即时码序列的间隔为0.5码片，将超前和滞后两组本地伪码序列发送至相关器2；

相关器2用于将载波剥离的I支路数字信号分别与超前和滞后两组本地伪码序列相乘并在一定时间内积分，将载波剥离的Q支路数字信号分别与超前和滞后两组本地伪码序列相乘并在一定时间内积分，得到I、Q支路的超前和滞后两组相关结果(I_E、Q_E、I_L、Q_L)。，将超前和滞后两组相关结果发送至鉴相器3；根据扩频码的自相关和互相关特性，在不考虑噪声的情况下，当超前和滞后相关结果为0时，本地伪码信号与卫星信号准确同步；

鉴相器3用于分别对I、Q支路的超前和滞后两组相关结果(I_E、Q_E、I_L、Q_L)进行相位差异分析，鉴相方法使用归一化非相干超前减滞后幅值法；

得到本地伪码序列与卫星信号的相位差异，将相位差异分别发送至平滑滤波器5和环路滤波器7；

平滑滤波器5采用α滤波器设计，其公式为：

y(t)＝(1-α)×y(t-1)+α×x(t)

其中，x(t)为t时刻滤波器的输入，y(t)为t时刻滤波器的输出，α为滤波器系数，设计值为0.05；平滑滤波器5用于对相位差异进行平滑滤波，得到稳定的相位误差结果，将相位误差结果发送至环路参数控制器6；

牵引时间计时器4用于在环路参数控制器6的控制下开启或关闭，还用于在开启时完成从环路同步开始的时间累积，将时间累积结果发送至环路参数控制器6；

环路参数控制器6用于建立环路噪声带宽参数查找表，并根据时间累积结果和相位误差结果从表格中选择噪声带宽参数对环路滤波器7进行设置；

环路滤波器7设计为二阶滤波器，可以适应中低动态的用户需求。用于对相位差异进行滤波，得到本地伪码与卫星信号之间的相位偏差，将相位偏差发送至数控振荡器8；

数控振荡器8通过数字NCO实现，用于利用环路滤波器7输出的相位偏差，调整本地伪码NCO控制字，产生本地伪码时钟，将本地伪码时钟发送至本地伪码产生器1。

图2为本发明实施例的环路参数控制器6结构示意图，包括环路带宽查找表601、初始牵引控制器602和自适应带宽控制器603；

环路带宽查找表601用于选择N个环路带宽预选值，所述的N≥4；记为B_L1、B_L2、…、B_LN；环路带宽预选值按照从小到大的顺序排列，且任意两个相邻环路带宽预选值的差异大于等于30％，即B_L(k-1)×130％≤B_Lk，其中，B_L(k-1)和B_Lk分别为排序后的第k-1个和第k个环路带宽预选值；预选值中的最大值大于等于30Hz，最小值小于等于5Hz。实施例设计5个级别的环路噪声带宽，分别为：40Hz、20Hz、10Hz、5Hz、2.5Hz；并对每个环路带宽预选值进行环路滤波器7的参数计算，将计算结果以表格的形式进行存储；其中滤波器阻尼系数固定设定为1；

初始牵引控制器602用于在环路初始时控制牵引时间计时器4开启，并设定初始牵引时间T；

当牵引时间计时器4的时间累积结果小于T时，从环路带宽查找表601中选择噪声带宽B_LStart＝40Hz，进行环路参数设计，并设置环路滤波器7；还用于当牵引时间计时器4的时间累积结果大于T时，关闭牵引时间计时器4；所述的初始牵引时间T大于等于平滑滤波器5的初始化时间且大于等于带宽为B_Lstart的环路滤波器7完成一次震荡的时间；系数0.05的α滤波器充分初始化的输入样点数量为20个，在1ms的相关时间下为20ms；带宽为40Hz、阻尼系数为1的二阶环路滤波器完成一次震荡的时间为80ms，根据设计要求，初始牵引时间应大于上述两个时间，因此设定为T＝100ms。当牵引时间累积结果大于100ms后，关闭牵引时间计时器4；

自适应带宽控制器603用于在牵引时间计时器4关闭后，利用平滑滤波器5输出的相位误差结果，依据误差大带宽宽和误差小带宽窄的原则，从环路带宽查找表601中实时地选择噪声带宽进行环路参数设计，并设置环路滤波器7。

其中，自适应带宽控制器603中利用平滑滤波器5输出的相位误差结果δ，从环路带宽查找表601中实时选择的噪声带宽B_Lk满足以下条件：

a)当δ＞0.02时，噪声带宽为B_Lk的伪码延迟锁定环路在信号稳定跟踪后，鉴相器3输出的相位差异的2σ误差小于δ；且平滑滤波器5输出的鉴相误差收敛到小于δ的时间小于等于100ms；

b)当δ≤0.02时，噪声带宽为B_Lk的伪码延迟锁定环路在信号稳定跟踪后，鉴相器3输出的相位差异的2σ误差小于等于0.02。

实施例环路带宽选择策略设计为：

a)当鉴相误差δ≥0.15时，带宽选择为40Hz；

b)当鉴相误差0.15≥δ≥0.10时，带宽选择为20Hz；

c)当鉴相误差0.10≥δ≥0.05时，带宽选择为10Hz；

d)当鉴相误差0.05≥δ≥0.03时，带宽选择为5Hz；

e)当鉴相误差0.03≥δ时，带宽选择为2.5Hz；

本发明实施例的一种快速收敛的自适应伪码延迟锁定环路，能够在400ms内完成环路收敛和信号稳定跟踪，相对于固定带宽码环在收敛时间上有很大改善。最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照实例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。