一种非线性锁相环北斗信号跟踪系统

1.本发明涉及北斗信号跟踪技术领域，尤其涉及一种非线性锁相环北斗信号跟踪系统。


背景技术：

2.北斗定位系统可以随时随地为用户提供位置信息，在人们的日常生活中得到了广泛应用。锁相环是一种相位负反馈的典型自动控制系统，以相位误差为控制对象，将参考信号和电压控制振荡器(vco，简称压控振荡器)的输出信号之间的相位进行比较，产生相位偏差信号来调整电压控制振荡器的输出信号频率，因此，环路稳定之后，两个信号的相位差被控制在很小的范围内。锁相环的这一重要特征在遥测遥控系统的应用极为广泛，尤其是载波同步和跟踪领域。
3.在卫星导航接收机载波跟踪环的应用中，电离层闪烁是一个难以攻克的难题。电离层闪烁是由电离层结构的不规则性引起的，随磁场和太阳活动的变化而变化，当导航信号通过电离层试，由于电离层闪烁的影响，信号质量被严重干扰，电离层闪烁会导致信号的相位和振幅快速波动，分别称为相位闪烁和振幅闪烁。强电离层闪烁会导致载波跟踪环失锁，因此，需要增强接收机载波跟踪环路的鲁棒性，提升锁相环的快速锁定性能和抑制噪声能力。
4.传统的北斗跟踪算法有基于卡尔曼滤波的锁相环(kfpll)、基于矢量的锁定环路(vpll)和二阶锁频环辅助三阶锁相环(fap)，然而，传统的北斗跟踪算法在跟踪精度、收敛速度和噪声抑制性能方面存在矛盾，无法同时兼顾，且矢量跟踪算法受电离层闪烁影响的通道由其他未受影响的通道来辅助估计参数，存在污染扩散问题。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种非线性锁相环北斗信号跟踪系统，用于解决传统的北斗跟踪算法无法同时兼顾跟踪精度、收敛速度和噪声抑制性能，且矢量跟踪算法受电离层闪烁影响的通道由其他未受影响的通道来辅助估计参数，存在污染扩散问题的技术问题。
6.有鉴于此，本发明提供了一种非线性锁相环北斗信号跟踪系统，包括环路滤波器、非线性元件、低通滤波器、压控振荡器、鉴相器和同相支路预滤波环节；
7.同相支路预滤波环节、鉴相器、环路滤波器、非线性元件、低通滤波器和压控振荡器依次连接，且压控振荡器的输出端连接鉴相器的一个输入端；
8.环路滤波器为二阶锁频环辅助三阶锁相环环路滤波器；
9.其中，同相支路预滤波环节的数学模型为：
[0010][0011]
其中，i(n)为第n次采样瞬间i支路的输出信号，i
sm
(n)为第n次采样瞬间i支路进行
平滑处理后输出的信号，k
filt1
为同相支路预滤波环节的低阈值，k
filt2
为同相支路预滤波环节的高阈值，β为权重；
[0012]
非线性元件的数学模型为：
[0013][0014]
其中，n[u
c
(t)]为非线性元件n的输出，y
*
为非线性元件n的拐点，m
h
为第一个分段线性函数的斜率，m
l
为第二个分段线性函数的斜率，m
h
＞m
l
。
[0015]
可选地，β的取值范围为0.5
‑
0.7。
[0016]
可选地，第n次采样瞬间i支路进行平滑处理后输出的信号为：
[0017][0018]
其中，λ为遗忘因子，且λ＝exp(
‑
t
coh
)，t
coh
为相干积分时间，k
sm1
和k
sm2
分别为平滑处理的高低阈值，
[0019]
从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：
[0020]
本发明提供了一种非线性锁相环北斗信号跟踪系统，在环路滤波器后面加入一个非线性元件和低通滤波器来适应来自控制环路滤波器的输出，进而控制输出信号的相位，在环路滤波器前面添加一个同相支路预滤波环节，对输入信号作平滑处理，选用二阶锁频环辅助三阶锁相环环路滤波器来保证算法的基本性能指标，同相支路预滤波环节将同相支路信号变化控制在合理的范围内，环路滤波器后面的非线性元件和低通滤波器，在适当选取参数后，可使锁相环在原本不能锁定的范围内快速锁定，同时，环路滤波器输出信号通过非线性元件后，噪声信息随之发生变化，使得噪声在一定程度上被随后的低通滤波器过滤掉，从而获得更精准的偏差信号来控制压控振荡器，使环路更加稳定，不存在矢量跟踪算法的污染扩散问题，解决了传统的北斗跟踪算法无法同时兼顾跟踪精度、收敛速度和噪声抑制性能，且矢量跟踪算法受电离层闪烁影响的通道由其他未受影响的通道来辅助估计参数，存在污染扩散问题的技术问题。
附图说明
[0021]
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
[0022]
图1为本发明实施例中提供的一种非线性锁相环北斗信号跟踪系统的结构示意图；
[0023]
图2为本发明实施例中提供的非线性元件数学模型图。
具体实施方式
[0024]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0025]
为了便于理解，请参阅图1，本发明中提供了一种非线性锁相环北斗信号跟踪系统的实施例，包括环路滤波器、非线性元件、低通滤波器、压控振荡器、鉴相器和同相支路预滤波环节；
[0026]
同相支路预滤波环节、鉴相器、环路滤波器、非线性元件、低通滤波器和压控振荡器依次连接，且压控振荡器的输出端连接鉴相器的一个输入端；
[0027]
环路滤波器为二阶锁频环辅助三阶锁相环环路滤波器；
[0028]
其中，同相支路预滤波环节的数学模型为：
[0029][0030]
其中，i(n)为第n次采样瞬间i支路的输出信号，i
sm
(n)为第n次采样瞬间i支路进行平滑处理后输出的信号，k
filt1
为同相支路预滤波环节的低阈值，k
filt2
为同相支路预滤波环节的高阈值，β为权重；
[0031]
非线性元件的数学模型为：
[0032][0033]
其中，n[u
c
(t)]为非线性元件n的输出，y
*
为非线性元件n的拐点，m
h
为第一个分段线性函数的斜率，m
l
为第二个分段线性函数的斜率，m
h
＞m
l
。
[0034]
本发明实施例中的非线性锁相环北斗信号跟踪系统的原理为：
[0035]
(1)在鉴相器之前添加同相支路预滤波环节(ipf)，除去输入信号为含振幅闪烁的接收信号r
p
(t)的闪烁干扰成分，其输出为不含振幅闪烁的载波跟踪环输入信号u
i
(t)。
[0036]
ipf对振幅进行约束，当同相支路信号输出结果在合理范围内，ipf直接输出当前结果，否则输出滤波后的同相信号，ipf算法建模为：
[0037][0038]
其中，i(n)为第n次采样瞬间i支路的输出信号，i
sm
(n)为第n次采样瞬间i支路进行平滑处理后输出的信号，k
filt1
为同相支路预滤波环节的低阈值，k
filt2
为同相支路预滤波环节的高阈值，β为权重。通过在不同环路噪声带宽下进行测试，β的最优参数选择范围为0.5
‑
0.7。由上述模型可知，ipf算法通过调整不合理范围内的i(n)来减轻振幅闪烁造成的干扰。
[0039]
平滑处理后的同相支路信号为：
[0040][0041]
其中，λ为遗忘因子，且λ＝exp(
‑
t
coh
)，t
coh
为相干积分时间，k
sm1
和k
sm2
分别为平滑处理的高低阈值，
[0042]
得到的i
filt
(n)为减轻振幅闪烁影响后的i支路相关结果，由r
p
(t)＝i
filt
(n)+jq(n)可以得到预滤波处理后的环路输入信号u
i
(t)，得到的r
p
(t)即为u
i
(t)。
[0043]
(2)经过ipf处理后的信号u
i
(t)通过鉴相器，以鉴别与输出信号u0(t)之间的相位误差，即鉴相结果u
d
(t)含有相位误差信息。u
d
(t)包含高频信号和噪声信号。
[0044]
(3)u
d
(t)输入fap环路滤波器可以有效降低鉴相结果的噪声，合理的滤波结果u
c
(t)使得滤波结果既能真实地反应滤波器输入信号的相位变化情况，又能防止过大的噪声影响压控振荡器(vco)的输出。
[0045]
(4)滤波结果u
c
(t)经过非线性元件n的调整，得到优化后的含部分环路噪声的处理信号n[u
c
(t)]，并通过低通滤波器，得到噪声大幅度降低的滤波结果u
c
'(t)。
[0046]
非线性元件n采用分段函数实现，如图2所示，其数学模型为：
[0047][0048]
其中，n[u
c
(t)]为非线性元件n的输出，y
*
为非线性元件n的拐点，m
h
为第一个分段线性函数的斜率，m
l
为第二个分段线性函数的斜率，m
h
＞m
l
。
[0049]
根据非线性元件n的模型可知，y
*
、m
h
、m
l
三个参数的合理选取决定了环路的综合性能。当锁相环开始工作时，频率相位误差通常很大，u
c
(t)大于拐点y
*
，m
h
的放大效应可以快速调整振荡频率，使得在很短时间内减小频率相位误差；当锁相环工作一段时间后，环路的反馈控制效果使得频率相位误差减小到一定程度后，u
c
(t)将小于拐点y
*
，m
l
的缩小效应将减小u
c
(t)和输入噪声来调整vco的振荡频率。因此，非线性锁相环具有更快速、精度更高的跟踪性能。
[0050]
(5)低通滤波器的输出信号u
c
'(t)接着作为输入到压控振荡器vco的控制信号，产生一定频率的周期振荡信号u0(t)，作为鉴相器的输入，不断得到偏差信号。
[0051]
本发明实施例中提供的一种非线性锁相环北斗信号跟踪系统，在环路滤波器后面加入一个非线性元件和低通滤波器来适应来自控制环路滤波器的输出，进而控制输出信号的相位，在环路滤波器前面添加一个同相支路预滤波环节，对输入信号作平滑处理，选用二阶锁频环辅助三阶锁相环环路滤波器来保证算法的基本性能指标，同相支路预滤波环节将同相支路信号变化控制在合理的范围内，环路滤波器后面的非线性元件和低通滤波器，在适当选取参数后，可使锁相环在原本不能锁定的范围内快速锁定，同时，环路滤波器输出信号通过非线性元件后，噪声信息随之发生变化，使得噪声在一定程度上被随后的低通滤波器过滤掉，从而获得更精准的偏差信号来控制压控振荡器，使环路更加稳定，不存在矢量跟踪算法的污染扩散问题，解决了传统的北斗跟踪算法无法同时兼顾跟踪精度、收敛速度和噪声抑制性能，且矢量跟踪算法受电离层闪烁影响的通道由其他未受影响的通道来辅助估
计参数，存在污染扩散问题的技术问题。
[0052]
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。