一种基于能量的频率鉴别方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于能量的频率鉴别方法。在GNSS接收机跟踪通道中，本地存在三路复载波信号，分别为超前路复载波S_E、即时路复载波S_P和滞后路复载波S_L，其中即时路载波频率fp假定与接收信号频率一致。各路本地载波信号都与本地即时路伪码信号相关，计算各个通道的相关能量。利用频率残差和相关能量之间的关系鉴别出本地信号与接收信号之间的频率差别，既可以实现传统导航信号的频率跟踪，又能充分发挥新体制导航信号的性能，提高接收机的跟踪灵敏度。本发明专利技术还提供了一种实现以上方法的装置，其利用了能量鉴频，因此具有更大的牵引范围和抵抗噪声干扰的能力，因此本发明专利技术具有较高商用价值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星定位、信号跟踪、通信领域，涉及一种基于信号能量等信息的频率鉴别、信号跟踪的方法和装置。
技术介绍
对于全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem，GNSS)接收机来说，它的主要任务就是维持本地信号与接收信号之间的同步。随着GNSS系统的广泛应用，越来越多的服务和应用要求接收机工作在恶劣的环境中，如高动态、弱信号环境等。在高动态环境下，接收到的信号变化非常迅速，接收机跟踪环路必须能够及时反映这种变化以实现精确跟踪，否则，极易发生信号失锁而导致系统不能正常工作。当信号受到遮挡时，如树林遮挡、室内等环境，信号能量急剧衰减使得信噪比(SignalNoiseRatio，SNR)很低。这些苛刻的应用环境对接收机的性能提出了更高的要求。一般来说，在接收机中，通过一个载波跟踪环路来跟踪接收到的信号的载波，通过一个码跟踪环路来跟踪接收到的信号的伪随机码(PseudoRandomCode，PRN)。对于载波跟踪环路来说，通常使用锁相环(PhaseLockedLoop)来跟踪载波相位或者通过锁频环(FrequencyLockedLoop)来跟踪载波频率。近些年出现了一些利用卡尔曼滤波器方法来实现载波跟踪的，它们在一定程度上提高了跟踪精度和系统鲁棒性，但是其实现代价太高而难以大量应用。在锁频环中，鉴频器通过鉴别相邻两个历元的相位差实现频率残差的测量。相比锁相环，由于锁频环对于绝对相位差并不敏感，因此它可以容忍更大的频率偏差，通常用在捕获转跟踪或者高动态的情形下。此外，其对抗外界有色噪声的能力也较锁相环突出，因此，面对越来越苛刻的应用环境要求，一个优良的锁频环更适合于提高接收机的性能。目前针对导航卫星信号频率跟踪的频率鉴别器主要有：四象限ATAN(ATAN2)、二象限ATAN(ATAN)、交叉点乘(Cross-point，CP)和符号交叉点乘(DecisionDirectedCross-point，DDCP)等。这些鉴频器都是基于相邻两个历元的相位差来实现频率鉴别的。此外由于在导航卫星信号上还调制有数据信息，当数据符号发生改变的时候，会引入载波信号的相位突变，因此，在接收机中通常采用ATAN或者DDCP。近些年，一些更先进的时分复用(TimeDivisionDataMultiplexing，TDDM)导航信号和无数据(Pilot)导航信号被应用在现代GNSS系统中。对于这些新体制导航信号，原有的基于相位差的鉴频器不能充分发挥导航信号的性能，从而造成接收机性能下降。
技术实现思路
有鉴于此，克服现有技术的不足，本专利技术提供一种基于能量的频率鉴别方法和装置，通过跟踪卫星导航信号，利用频率残差和相关能量之间的关系鉴别出本地信号与接收信号之间的频率差别，既可以实现传统导航信号的频率跟踪，又能充分发挥新体制导航信号的性能，提高接收机的跟踪灵敏度。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：本专利技术提供了一种基于能量的频率鉴别方法，所述方法：在GNSS接收机跟踪通道中，本地存在三路复载波信号，分别为超前路复载波S_E、即时路复载波S_P和滞后路复载波S_L；三路(不限于三路，可依据应用需要进行调整为五路甚至更多)本地复制伪码信号，分别为超前码C_E、即时码C_P和滞后码C_L；接收外部输入的卫星导航信号，首先将输入卫星信号与三路本地复载波信号S_E、S_P和S_L进行混频；将所述的即时路复载波S_P的混频结果与码环所复制的超前C_E、即时C_P和滞后C_L伪码进行相关运算，得到I_PE、I_PP、I_PL、Q_PE、Q_PP和Q_PL；将所述的超前路复载波S_E混频结果和滞后路复载波S_L混频结果分别与码环所复制的即时路C_P伪码进行相关运算，得到I_EP、I_LP、Q_EP和Q_LP；根据设定的相干积分时间TI，将所述的相关运算结果分别送入积分-清除器中进行时间长度为TI的相干积分，得到I_PES、I_PPS、I_PLS、Q_PES、Q_PPS、Q_PLS、I_EPS、I_LPS、Q_EPS和Q_LPS；将积分-清除器输出的多路相干积分值送入能量计算单元中计算各路相关能量值，得到PE2、PP2、PL2、EP2和LP2；将所述的相干积分结果I_PPS和Q_PPS送入载波相位鉴别器中进行载波相位差估计；将所述PE2、PP2、PL2能量值送入码鉴别器中进行码相位差估计；将所述PP2、EP2和LP2能量值送入频率鉴别器中进行载波频率差估计；将相应的估计值分别送入锁相环路滤波器、锁频环路滤波器和码环路滤波器。在环路选择控制器的作用下切换锁相环和锁频环工作状态。将滤波后的反馈参数，分别反馈至载波数控振荡器和伪码数控振荡器，进而实现载波相位和载波频率、码相位和码频率的实时调节，最终实现GNSS信号的跟踪。优选的，所述三路复载波信号，具体为：根据当前设定的相干积分时间TI确定三路载波频率间隔Δfd，其范围为(0，1/TI]。其中，超前复载波与即时复载波的频率间隔和滞后复载波与即时复载波的频率间隔相同。优选的，所述三路复制伪码信号，具体为：通过伪码数控振荡器与伪码序列发生器产生超前路C_E伪码信号，C_E信号经延迟移位寄存器，等时间间隔分别产生C_P和C_L。其相邻两路伪码信号码片根据当前系统运行状态确定，其典型范围为(0，1/2]码片。优选的，所述载波相位鉴别器，具体为：可采用传统的载波鉴相器，如arctan(Q/I)、Q/I、Q*I或Q*sign(I)等。优选的，所述频率鉴别器，具体为：根据频率残差和相关能量之间的关系，通过三路复载波支路的相关能量计算得到频率差的估计值，本专利技术给出的能量频率鉴别器为和优选的，所述码相位鉴别器，具体为：可采用传统的码相位鉴别器，如传统的基于幅值的码鉴相方法传统的基于能量的码鉴相方法本专利技术还提供了一种基于能量的频率鉴别的装置，所述装置包括：天线、卫星导航信号采样量化模块、相关积分-清除模块、误差鉴别模块、反馈控制模块、本地复制信号产生模块和处理器。其中，所述天线用于接收卫星导航信号；所述卫星导航信号采样量化模块，用于滤波、自动增益控制，将卫星信号下变频到中频信号并完成采样量化，得到数字中频信号；所述相关积分-清除模块，用于实现通道中各路载波混频、伪码相关、相干积分-清除功能等；所述误差鉴别模块，通过载波相位鉴别器、频率鉴别器和码鉴别器完成本地复制载波、伪码信号与接收信号中相关参数的估计；所述反馈控制模块，实现载波环路参数滤波和码环路参数滤波，并给出最终环路反馈参数；所述本地复制信号产生模块，用于产生各路本地复制复载波和伪码信号；所述处理器实现跟踪通道初始化、状态控制、定位解算、授时等功能。本专利技术与现有技术相比的优点在于：在现有技术中，对于载波跟踪，鉴频器都是通过基于相邻两个历元的相位差来实现的。由于在导航卫星信号上还调制有数据信息，当数据符号发生改变的时候，会引入载波信号的相位突变，因此，在接收机中通常采用ATAN或者DDCP类型的鉴频器。在现代GNSS系统中，部分导航卫星信号采用先进的TDDM或Pilot调制方式。对于这些新体制导航信号，原有的基于相位差的鉴频器由于数据信息的调制而不能充分发挥新体制导航信号的性能，从而本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于能量的频率鉴别方法，其特征在于，所述方法包括：在GNSS接收机跟踪通道中，本地存在三路复载波信号，分别为超前路复载波S_E、即时路复载波S_P和滞后路复载波S_L；三路(不限于三路，可依据应用需要进行调整为五路甚至更多)本地复制伪码信号，分别为超前码C_E、即时码C_P和滞后码C_L；接收机接收外部输入的卫星导航信号，与各路本地复载波混频、各路伪码相关；根据设定的相干积分时间TI，将各路相关结果送入积分‑清除器中进行时间长度为TI的相干积分；将积分‑清除器输出的多路相干积分值送入能量计算单元中计算各路相关能量值；将相干积分值、各路相关能量值送入载波相位鉴别器、频率鉴别器和码鉴别器中进行载波相位差、载波频率差和码相位差的估计；将相应的估计值分别送入锁相环路滤波器、锁频环路滤波器和码环路滤波器，在环路选择控制器的作用下切换锁相环和锁频环工作状态；将滤波后的反馈参数，分别反馈至载波数控振荡器和伪码数控振荡器。进而实现载波相位和载波频率、码相位和码频率的实时调节，最终实现GNSS信号的跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种基于能量的频率鉴别方法，其特征在于，所述方法包括：在GNSS接收机跟踪通道中，本地存在三路复载波信号，分别为超前路复载波S_E、即时路复载波S_P和滞后路复载波S_L；三路(不限于三路，可依据应用需要进行调整为五路甚至更多)本地复制伪码信号，分别为超前码C_E、即时码C_P和滞后码C_L；接收机接收外部输入的卫星导航信号，与各路本地复载波混频、各路伪码相关；根据设定的相干积分时间TI，将各路相关结果送入积分-清除器中进行时间长度为TI的相干积分；将积分-清除器输出的多路相干积分值送入能量计算单元中计算各路相关能量值；将相干积分值、各路相关能量值送入载波相位鉴别器、频率鉴别器和码鉴别器中进行载波相位差、载波频率差和码相位差的估计；将相应的估计值分别送入锁相环路滤波器、锁频环路滤波器和码环路滤波器，在环路选择控制器的作用下切换锁相环和锁频环工作状态；将滤波后的反馈参数，分别反馈至载波数控振荡器和伪码数控振荡器。进而实现载波相位和载波频率、码相位和码频率的实时调节，最终实现GNSS信号的跟踪。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，输入信号与本地三路复载波信号混频。三路复载波信号频率分别为fp-Δfd，fp和fp+Δfd，其中Δfd表示三路复载波信号之间的频率间隔，fp表示S_P路复载波信号频率，假定与输入信号载波频率同步。三路复载波信号频率之间的间隔按照如下原则选取：当相干积分时间为TI时，典型的频率间隔Δfd可以选取为1/(2TI)，根据需要可以适当调节所述的频率间隔，其调节范围为(0，1/TI]。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，本地复制三路(不限于三路，可依据应用需要进行调整为五路甚至更多)伪码信号，码相位间隔为d，码相位
\t间距d可以按照需要设定，通常为0.5码片，为了提高跟踪精度、抵抗多径，窄相关码相位间距可以继续缩小，如0.1码片。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收到的中频信号为其中，P是接收到的信号的总能量，d[n]表示调制的数据信息，c[n]表示伪随机扩频码，fIF表示下变频之后的中心频率，Ts表示采样时间间隔，表示即时载波相位，η[n]表示热噪声，通常认为是加性高斯白噪声。5.根据权利要求1所述的方法，权利要求2所述的本地三路复载波信号和权利要求3所述的本地伪码信号，其特征在于，输出多路相关结果和多路相关能量，按下述步骤完成：步骤1：输入信号与本地三路复载波信号混频，得到6路混频结果，I_E、I_P、I_L、Q_E、Q_P和Q_L；步骤2：所述步骤1混频结果与本地三路延迟伪码信号相关。具体的，I_E、I_P、I_L、Q_E、Q_P和Q_L与即时路伪码C_P相关，得到I_EP、I_PP、I_LP、Q_EP、Q_PP和Q_LP。此外，I_P和Q_P还与C_E和C_L分别相关(若存在更多路伪码，I_P和Q_P也要和这些路伪码相关)，得到I_PE、I_PL、Q_PE和Q_PL，I_E×C_P＝I_EPI_P×C_P＝I_PPI_L×C_P＝I_LPQ_E×C_P＝Q_EPQ_P×C_P＝Q_PPQ_L×C_P＝Q_LPI_P×C_E＝I_PEI_P×C_L＝I_PLQ_P×C_E＝Q_PEQ_P×C_L＝Q_PL步骤3：设定相干积分时间TI，根据这个相干积分时间将步骤2得到的相关结果相干积分，得到I_EPS、I_PPS、I_LPS、Q_EPS、Q_PPS、Q_LPS、I_PES、I_PLS、Q_PES和Q_PLS。步骤4：为了提高对弱信号的跟踪能力，除了步骤3所述的相干积分之外，通过非相干积分进一步提高信号能量。最终得到各支路能量：EP2、LP2、PP2、PE2和PL2，EP2=Σm=1NNC(IEPS2(m)+QEPS2(m))]]>LP2=Σm=1NNC(ILPS2(m)+QLPS2(m))]]>PP2=Σm=1NNC(IPPS2(m)+QPPS2(m))]]>PE2=Σm=1NNC(IPES2(m)+QPES2(m))]]>PL2=Σm=1NNC(IPLS2(m)+QPLS2(m))]]>6.根据权利要求1所述的方法和权利要求5所述的多路相关结果和多路相关能量，其特征在于，输入信号与本地三路复载波信号混频，以即时路S_P与即时路伪码信号C_P信号相关为例，对于相干积分时间TI，相干积分结果为其中，ΔτP，k，ΔfP，k，分别表示输入信号与本地复制信号之间的码相位误差、载波频率误差和载波相位误差，k代表第k个...

【专利技术属性】
技术研发人员：张彦彬，刘瑞远，于敦山，路卫军，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11