一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路及跟踪方法技术

本发明专利技术属于卫星导航信号处理技术领域，公开了一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路及跟踪方法。该跟踪环路包括两个第一乘法器、两个积分清零器、两个第二乘法器、两个积分器、两个存贮器、鉴别器、环路滤波器和数控振荡器；该跟踪方法包括：一，收集当前轨道拟合周期内的完整的导航信息，该完整的导航信息组成预测数据源矩阵PRD；二，设t0为当前轨道拟合周期的起始时刻，计算该轨道拟合周期内t时刻的预测比特值，通过页索引p、行索引i、列索引j、字内比特索引ib从预测数据源矩阵PRD中寻找对应的值作为t时刻的预测比特值；三，以t时刻为预测起点，以字为单位进行配置；使用该跟踪环路和跟踪方法后接收机灵敏度比传统方式提升近7dB。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于卫星导航信号处理
，特别涉及一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路及跟踪方法。
技术介绍
GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem全球导航卫星系统)接收机位置解算所需要的量测值至少依赖于跟踪环路对多普勒频率的锁定，传统接收机预检测积分时间通常设计为一个导航比特所持续的时间，例如普通GPS卫星为，在该条件下，较为优秀的接收机，其跟踪灵敏度能够达到-160dBm。理论上更长时间的相干积分能够收集更多的能量，以捕获跟踪更微弱的信号，然而，增加积分时间就不可避免的跨越导航比特边界，所以，消除导航比特翻转是增加积分时间进而提高灵敏度所需要研究的主要问题。目前，解决此问题的方案主要为猜测法。猜测方法是指遍历2M-1种组合，其中M为导航比特个数，使用2M-1种M维向量分别与M维比特积分值向量求内积运算，选取最大值作为Eb，所对应的组合作为导航比特猜测结果，E~b=max(E1,E2,...,E2M-1),]]>其中，为导航比特持续时间内的相干积分值向量，为第k种导航比特组合向量。但理论和实际均可证明这种方法无法达到预期的效果。由于环路每次运行都需要假设检测2M-1样本，即2M-1种导航比特组合，其中，假设第j种组合是正确的。2M-1种组合中最小积分能量值满足下式：其中，Eb_20ms为20ms单一导航比特积分能量，N0为噪声功率谱密度。样本的最小能量值依概率等于N0+Eb_20ms，当M为奇数；依概率等于N0，当M为偶数；所以，除Ej之外的2M-1-1组等效概率能量均值则猜测方法的虚警概率为：P01guess=1-[P(E‾<Ej)]2M-1-1>1-[P(N0<Ej)]2M-1-1=1-P112M-1-1,]]>其中,P11为成功检测概率,Ej为检测阈值。假设检测概率P11＝0.95、M＝5，则猜测方法的虚警概率将为P01guess≈0.53。也就是说有一半的可能性选择错误的导航比特组合及错误的积分能量值Eb，而且这个错误将沿环路反馈进行传播,使环路工作在亚稳定的状态。实际结果表明该方法在信号强度低于-151dBm时，峰值与次峰值开始出现模糊，跟踪灵敏度在M＝5时的最优结果仅能达到-162dBm。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路及跟踪方法，该跟踪环路及跟踪方法基于预测方法解决导航比特翻转问题，进而实现对GNSS微弱信号进行捕获与跟踪；且能够保持稳定、准确的定位。为达到以上目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现。方案一：一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路，其特征在于：通过数控振荡器产生正弦载波信号和余弦载波信号，对应将数字中频信号r[k]与余弦载波信号、正弦载波信号分别进行乘运算得到零中频同相分量CI和零中频正交分量SQ；分别将CI和SQ进行乘运算、积分清零运算得到积分能量值同相分量GI和积分能量值正交分量GQ；对应将GI、GQ与预测比特值进行点乘运算得到导航比特经剥离后的积分能量值同相分量JI和导航比特经剥离后的积分能量值正交分量JQ，对应将JI和JQ进行积分运算得到M个积分能量同相分量I和M个积分能量正交分量Q，I和Q同时通过鉴别器得到跟踪频差δf和相差跟踪频差δf和相差通过环路滤波器返回数控振荡器进行频率和相位更新。上述技术方案的特点和进一步改进：进一步的，分别将CI和SQ与C/A码进行乘运算后输出导航比特加噪声信号nI[k]和nQ[k]，再将nI[k]和nQ[k]进行积分清零运算得到积分能量值同相分量GI和积分能量值正交分量GQ。进一步的，所述GNSS微弱信号的载波跟踪环路包括两个第一乘法器、两个第三乘法器、两个积分清零器、两个第二乘法器、两个积分器、两个存贮器、鉴别器、环路滤波器和数控振荡器；通过数控振荡器产生正弦载波信号和余弦载波信号，两个第一乘法器对应将数字中频信号r[k]与余弦载波信号、正弦载波信号分别进行乘运算得到零中频同相分量CI和零中频正交分量SQ；两个第三乘法器分别将CI和SQ与C/A码进行乘运算后输出导航比特加噪声信号nI[k]和nQ[k]，两个积分清零器再将nI[k]和nQ[k]进行积分清零运算得到积分能量值同相分量GI和积分能量值正交分量GQ；所述两个存贮器内存贮有实时可配置的预测比特值，两个第二乘法器对应将GI、GQ与预测比特值进行点乘运算得到导航比特经剥离后的积分能量值同相分量JI和导航比特经剥离后的积分能量值正交分量JQ，两个积分器对应将JI和JQ进行积分运算得到M个积分能量同相分量I和M个积分能量正交分量Q，I和Q同时通过鉴别器得到跟踪频差δf和相差跟踪频差δf和相差通过环路滤波器返回数控振荡器进行频率和相位更新。进一步的，所述存贮器采用先进先出的数据缓存器。进一步的，所述鉴别器为鉴相器或鉴频器。方案二：一种GNSS微弱信号的载波跟踪方法，基于上述GNSS微弱信号的载波跟踪环路，其特征在于：包括以下步骤，步骤一，收集当前轨道拟合周期内的完整的导航信息，该完整的导航信息组成预测数据源矩阵PRD；步骤二，设t0为当前轨道拟合周期的起始时刻，计算该轨道拟合周期内t时刻的预测比特值，通过页索引p、行索引i、列索引j、字内比特索引ib从预测数据源矩阵PRD中寻找对应的值作为t时刻的预测比特值；步骤三，以t时刻为预测起点，以字为单位进行配置；两个第二乘法器从预测数据源矩阵PRD中实时读取以t时刻的预测比特值为起始的连续M个预测比特值，并将该M个预测比特值与M个导航比特积分值向量进行点乘运算，然后进行积分运算，消除导航比特翻转后输出给鉴别器。上述技术方案的特点和进一步改进：进一步的，在步骤一中，所述预测数据源矩阵PRD为包含一个周期的完整信息的数据源矩阵，PRD=det[prd1,...,prdp]prdp=TLM1×3TLM1×2HOW1×3HOW1×2EPH8×3ALM8×2pp,]]>式中，TLM为每帧的第一个字；HOW为每帧的第二个字，是相对于时间t的函数；EPH为第1、2、3帧的第3到10个字；ALM为是第4、5帧的第3到10个字；p为历书页码，共25页，p＝1，2，…，25。进一步的，在步骤二中，t时刻的预测字的起始时间tmp本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路，其特征在于：通过数控振荡器产生正弦载波信号和余弦载波信号，对应将数字中频信号r[k]与余弦载波信号、正弦载波信号分别进行乘运算得到零中频同相分量CI和零中频正交分量SQ；分别将CI和SQ进行乘运算、积分清零运算得到积分能量值同相分量GI和积分能量值正交分量GQ；对应将GI、GQ与预测比特值进行点乘运算得到导航比特经剥离后的积分能量值同相分量JI和导航比特经剥离后的积分能量值正交分量JQ，对应将JI和JQ进行积分运算得到M个积分能量同相分量I和M个积分能量正交分量Q，I和Q同时通过鉴别器得到跟踪频差δf和相差跟踪频差δf和相差通过环路滤波器返回数控振荡器进行频率和相位更新。

【技术特征摘要】
1.一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路，其特征在于：通过数控振荡
器产生正弦载波信号和余弦载波信号，对应将数字中频信号r[k]与余弦载波
信号、正弦载波信号分别进行乘运算得到零中频同相分量CI和零中频正交分
量SQ；分别将CI和SQ进行乘运算、积分清零运算得到积分能量值同相分量
GI和积分能量值正交分量GQ；对应将GI、GQ与预测比特值进行点乘运算得
到导航比特经剥离后的积分能量值同相分量JI和导航比特经剥离后的积分
能量值正交分量JQ，对应将JI和JQ进行积分运算得到M个积分能量同相分
量I和M个积分能量正交分量Q，I和Q同时通过鉴别器得到跟踪频差δf和相差跟踪频差δf和相差通过环路滤波器返回数控振荡器进行频率
和相位更新。
2.如权利要求1所述的一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路，其特征
在于：分别将CI和SQ与C/A码进行乘运算后输出导航比特加噪声信号nI[k]和nQ[k]，再将nI[k]和nQ[k]进行积分清零运算得到积分能量值同相分量GI和
积分能量值正交分量GQ。
3.如权利要求1或2所述的一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路，其
特征在于：包括两个第一乘法器(1)、两个第三乘法器(3)、两个积分清零
器(4)、两个第二乘法器(2)、两个积分器(5)、两个存贮器、鉴别器、环
路滤波器和数控振荡器；
通过数控振荡器产生正弦载波信号和余弦载波信号，两个第一乘法器
(1)对应将数字中频信号r[k]与余弦载波信号、正弦载波信号分别进行乘运
算得到零中频同相分量CI和零中频正交分量SQ；两个第三乘法器(3)分别
将CI和SQ与C/A码进行乘运算后输出导航比特加噪声信号nI[k]和nQ[k]，两

\t个积分清零器(4)再将nI[k]和nQ[k]进行积分清零运算得到积分能量值同相
分量GI和积分能量值正交分量GQ；所述两个存贮器内存贮有实时可配置的
预测比特值，两个第二乘法器(2)对应将GI、GQ与预测比特值进行点乘运
算得到导航比特经剥离后的积分能量值同相分量JI和导航比特经剥离后的
积分能量值正交分量JQ，两个积分器(5)对应将JI和JQ进行积分运算得到
M个积分能量同相分量I和M个积分能量正交分量Q，I和Q同时通过鉴别
器得到跟踪频差δf和相差跟踪频差δf和相差通过环路滤波器返回数
控振荡器进行频率和相位更新。
4.如权利要求3所述的一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路，其特征
在于：所述存贮器采...

【专利技术属性】
技术研发人员：王大鹏，白阳，薛文通，梁大伟，马盼，
申请(专利权)人：西安航天华迅科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61