一种基于权值调整的北斗载波自适应跟踪环路实现方法与流程

本发明属于导航技术领域，特别涉及一种北斗接收机载波自适应跟踪环路的实现方法。

背景技术：

随着北斗卫星导航系统的逐渐组网，2012年底正式向泛亚太地区提供连续无源定位、导航、授时服务。目前该系统已广泛应用于生产、生活和军事等诸多领域，并在未来有广阔的发展前景。

卫星接收机中包含载波跟踪环路和码跟踪环路两种跟踪环路。接收机通过载波跟踪环路在本地复制出与接收到的信号相一致的载波，通过混频机制剥离载波，将信号下变频到基带；码跟踪环路通过在本地复制与接收信号相一致的伪码信号，完成卫星信号的解扩得到导航电文。在载波剥离和伪码解扩的过程中，可以获得用于定位的参数包括多普勒频移测量值、载波相位测量值、码相位测量值和伪距测量值。

北斗接收工作的场景不同，对其性能指标的要求也不尽相同。在设计接收机跟踪环路时，为了增大接收机的动态适应性，需要环路承受更大的动态应力，此时要求较宽的环路带宽；而当此接收机工作在一般动态时，较宽的环路带宽引入了更多热噪声干扰，造成跟踪误差增大，定位精度下降。在工程应用中需要综合考虑动态应力与环路噪声的关系，使接收机性能满足用户的要求。

技术实现要素：

本发明针对传统的北斗接收机在不同环境下的无法动态调节自身参数，导致低动态下引入过多噪声，高动态下环路失锁的问题，提出了一种基于权值调整的北斗载波自适应跟踪环路实现方法，通过在传统接收机环路的基础上增加载噪比检测、环路阶数权值调节、载体动态检测和自适应带宽调节环节，提高了传统接收机的动态性能和鉴相精度。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种基于权值调整的北斗载波自适应跟踪环路实现方法，包括如下步骤：

步骤1，测量接收机接收信号与本地复制载波的相位误差；

步骤2，计算载体动态，更新环路阶数权值p1和p2；

步骤3，计算卫星信号的载噪比；

步骤4，根据步骤2得到的载体动态和步骤3得到的载噪比，通过迭代方式求出当前状态下的二阶和三阶环路的最优带宽，并更新到相应的环路中；

步骤5，更新载波nco控制量。

上述步骤1的具体步骤是：

(11)数字中频信号首先经过tcoh时间的积分消除信号中高频噪声，记录下积分结果ip(n)、qp(n)后将积分器结果清零，进行下一次积分；

(12)利用二象限反正切鉴相器对步骤(11)中得到的积分结果ip(n)、qp(n)进行鉴相，得到相位稳态误差θe(n)。

上述步骤(11)中，积分结果的理论推导为：

式中，a为卫星下行信号的幅值，d为数据码，ωe为本地角频率与输入角频率之差，θe为相位差，tcoh为预检积分时间，ip(n)和qp(n)为积分结果。

上述步骤(12)中，二象限反正切鉴相器的离散时间型表达式为：

二象限反正切鉴相器的鉴相范围为-90°至90°，鉴相值与卫星下行信号的幅值a无关且在鉴相范围内保持线性。

上述步骤2的具体步骤是：

(21)建立载体动态与相位稳态误差θe(n)的数学模型；

(22)根据步骤(12)中得到的相位稳态误差θe(n)，计算载体运动的加速度或加加速度；

(23)根据载体动态的变化范围和当前动态确定环路阶数权值p1和p2，并按照环路更新周期ts将权值更新到载波跟踪环路中。

上述步骤(23)中，根据载体动态的变化范围和当前动态确定权值因子值：

p1＝acc/rangeacc

p2＝1-acc/rangeacc

式中，p1、p2分别为一阶和二阶滤波器权值，acc为载体当前动态，rangeacc为接收机预设最大动态范围。

上述步骤3的具体步骤是：

(31)根据步骤(11)得到的积分结果ip(n)、qp(n)计算出信号的窄带功率和宽带功率；

(32)利用窄带功率与宽带功率的比值得到北斗卫星信号的载噪比。

上述步骤4的具体步骤是：

(41)首先赋予环路带宽初值，使环路正常工作；

(42)将步骤2中得到的相位误差认为全部由多普勒频移引起，计算此鉴相误差下的环路带宽；

(43)计算该带宽下引入环路的热噪声σtpll；

(44)通过跟踪门限的保守估计3σtpll+θe≤45°，得到当前载体动态应力误差，其中，θe为动态应力误差；

(45)根据此动态应力误差计算环路带宽，当环路带宽与上一次计算得到的环路带宽差值大于门限时，返回步骤(42)，当环路带宽与上一次计算得到的环路带宽差值小于门限时，将带宽更新到环路中。

上述步骤5的具体步骤是：

(51)计算出一阶滤波器和二阶滤波器输出；

(52)将滤波器输出的控制量与步骤2中得到的环路阶数权值p1和p2相运算，求得最终载波nco的控制量；

(53)载波nco通过查表，进行载波混频。

采用上述方案后，本发明针对不同动态下北斗接收机载波跟踪性能增强问题，分析了二阶、三阶锁相环的性能特点以及跟踪环路鉴相误差的影响因素，提出一种基于权值调整的北斗载波自适应跟踪环路设计方案，通过数学建模，根据鉴相器稳态误差获得载体加速度和加加速度，以此调节环路阶数的权值。通过不同带宽下基带信号的数理统计规律间接获得信号载噪比，通过载体动态和信号载噪比的迭代计算，得到环路的最优带宽，从而在实现环路跟踪更高动态的同时引入较小的跟踪误差。

本发明的有益效果如下：

(1)二阶环路稳定性强，动态性窄，三阶环路动态性宽，稳定性差。本发明根据在检测到的载体动态来调节二阶环路和三阶环路的权值因子，使二阶和三阶环路同时工作在跟踪过程，集成了两者的优点，同时避免了同一时间只有一个环路工作可能带来的跟踪不连续，提高了环路的动态适应能力和可靠性。

(2)通过检测载体动态和信号的载噪比，通过迭代的方式确定当前条件下的最优带宽，相比于传统接收机，提高了不同环境的适应能力，同时减少了热噪声的引入，提高了鉴相的精度。

附图说明

图1是本发明基于权值调整的北斗载波自适应跟踪环路结构示意图；

图2是自适应带宽工作流程图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案及有益效果进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种基于权值调整的北斗载波自适应跟踪环路实现方法，其具体实施步骤如下：

步骤1，测量接收机接收信号与本地复制载波的相位误差，包括：

(11)数字中频信号首先经过tcoh时间的积分消除信号中高频噪声，记录下积分结果ip(n)、qp(n)后将积分器结果清零，进行下一次积分。其积分结果的理论推导为：

式中，a为卫星下行信号的幅值，d为数据码，ωe为本地角频率与输入角频率之差，θe为相位差，tcoh为预检积分时间，ip(n)和qp(n)为积分结果。

积分环节发挥着两个作用，作用一是滤除信号中存在的高频分量；作用二是通过累加消除信号中的噪声。

(12)利用二象限反正切鉴相器对步骤(11)中得到的积分结果ip(n)、qp(n)进行鉴相，得到相位稳态误差θe(n)；

二象限反正切鉴相器在数据码调制载波信号情况下工作，对数据跳变引起的相位180°翻转不敏感，其离散时间型表达式为：

二象限反正切鉴相器的鉴相范围为-90°至90°，鉴相值与卫星下行信号的幅值a无关且在鉴相范围内保持线性。

步骤2，计算载体动态，更新环路阶数权值p1和p2，包括：

(21)建立载体动态与相位稳态误差θe(n)的数学模型；

载体动态指卫星与北斗接收机连线方向上的动态，这个动态应力会引起信号的多普勒频移，经过时间的积分后成为载波相位误差。

通过运动学建模，可以得到北斗接收机与卫星的连线距离关系：

式中，r0⁽ⁿ⁾表示r0的n阶导数，tⁿ为运动学模型中时间的n次方。

多普勒频移的表达式为：

式中，fd为多普勒频移，v为卫星与接收机连线方向的速度，c为光速，f为北斗卫星信号下行频率，λ为其波长。联立式(4)、(5)，得到：

因此，积分多普勒可以表示为：

因此当鉴相误差已知时，对于二阶跟踪环路可以得到载体的视距加速度，三阶环路可以得到载体的视距加加速度。

(22)根据步骤(12)中得到的相位稳态误差θe(n)，代入式(7)计算载体运动的加速度或加加速度。

(23)根据载体动态的变化范围和当前动态确定环路阶数权值p1和p2，并按照环路更新周期ts将权值更新到载波跟踪环路中。

根据载体动态的变化范围和当前动态确定权值因子值：

p1＝acc/rangeacc(8)

p2＝1-acc/rangeacc(9)

式中，p1、p2分别为一阶和二阶滤波器权值，acc为载体当前动态，rangeacc为接收机预设最大动态范围。

步骤3，计算卫星信号的载噪比，包括：

(31)根据步骤1中得到的积分结果ip(n)、qp(n)计算出信号的窄带功率和宽带功率；

接收机的i、q环路中，信号和噪声混合在一起，难以分别检测出信号和噪声的功率，通过将信号加载到不同带宽上求出宽带功率和窄带功率。

宽带功率为：

窄带功率为：

其中，m为积分时间内i和q被分成的份数，宽带功率的带宽为1/tcoh，窄带功率带宽为1/(mtcoh)。

(32)利用窄带功率与宽带功率的比值得到北斗卫星信号的载噪比；

宽、窄功率的平均功率比为：

其中，k为需要进行平均化处理的数据个数。

因为宽带功率和窄带功率均包含噪声和信号，其比值作为随机变量符合概率统计特征，载噪比与平均功率比的关系为：

步骤4，根据步骤2中得到的载体动态和步骤3中得到的载噪比，通过迭代方式求出当前状态下的二阶和三阶环路的最优带宽，并更新到相应的环路中。

对于环路带宽更新：工程上对于跟踪门限的一种保守估计为：

3σtpll+θe≤45°(14)

其中，σi为热噪声误差，θe为动态应力误差。

环路带宽更新的工作流程如图2所示。初始化阶段赋予环路带宽初值，使环路正常工作。由于跟踪环路性能应首先考虑能否跟踪上载体动态，然后考虑引入更少热噪声，基于此，首先将步骤1中的相位误差认为全部由多普勒频移引起，以期获得可靠的环路带宽不至于使环路失锁。带宽计算公式为：

其中，r为接收机与卫星视距方向的距离。

式(15)为二阶环路带宽，式(16)为三阶环路带宽。而在实际情况中，由于误差不完全由多普勒频移引起，因此这个环路带宽是偏大的，要通过迭代逐步缩小。

迭代过程如下：计算此时的带宽下引入环路的热噪声σtpll并代入式(14)，可以得到更接近真实情况的动态应力误差和对应的环路带宽。当计算出的两次环路带宽大于门限值时，返回带宽计算环节重新计算。当计算出的两次环路带宽小于时，可认为此时的环路带宽符合当前动态，将带宽更新到环路中，同时确保了引入的噪声最小。其中，门限值应根据工程实践设定适合的值，保证环路正常跟踪同时不至于过度频繁改变带宽。

步骤5，更新载波nco控制量，包括：

(51)计算出一阶滤波器和二阶滤波器输出；

一个n阶锁相环由一个(n-1)阶滤波器和1阶nco组成。因此，三阶锁相环对应着二阶滤波器，二阶锁相环对应着一阶滤波器。

一阶滤波器的传递函数为：

式中，为滤波器增益，a2为滤波器参数，其大小与阻尼系数成比，ωn为特征频率。

因此，一阶滤波器输出为：

二阶滤波器的传递函数为：

式中，为滤波器增益，a3、b3为滤波器参数，ωn为特征频率。

因此，二阶滤波器输出为：

(52)将滤波器输出的控制量与步骤2中得到的环路阶数权值p1和p2相运算，求得最终载波nco的控制量；

fnco＝p1uf1+p2uf2(21)

(53)载波nco通过查表，进行载波混频。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。