双更新率载波跟踪环属于全球定位技术领域，其特征在于，含有：数据支路相干积分器及与其串接的Ｃｏｓｔａｓ鉴相器，导频支路相干积分器及与其串接的相干鉴相器，用于把鉴相后的数据信号及导频信号相融合的环路滤波器，以及一个用于组成锁相环的数控振荡器，其中，数据支路相干积分的时间为导频支路的整数倍，在数据支路不起作用时以及在数据支路和导频支路都起作用时采用不同的滤波系数。总更新率取两个支路中相干积分时间小的那个，不仅提高了环路的更新率，加强环路抗动态性能，而且数据支路使用更长时间的相干积分还能减轻平方损失，也相应改善了数据支路的Ｃｏｓｔａｓ环抗噪声性能和抗动态性能。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术是一个用来同时跟踪数据支路和导频支路的锁相环。涉及全球定位
，尤 其是同时带有数据支路和导频支路的GPS和Galileo现代化信号接收机中的载波跟踪方法。 但不局限于全球定位技术，只要是同一个频率上同时发射两路信号， 一路上面有数据比特， 另一路上面没有数据比特，接收端都可用本专利技术进行载波的同步与测量，比传统方法提高稳 定性和精度。
技术介绍
在全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)接收机中，从载波跟踪环可 以获得载波观测值，其精度一般要比伪距测量值高几个数量级，所以在精度要求较高的应用 中发挥重要作用。而且还可以利用载波跟踪环跟踪动态来辅助码环，或者用载波观测值来平 滑伪距。因此对于导航接收机而言，载波跟踪环的精度和抗动态性设计都非常重要。图l给出了一个普通的载波跟踪环路的构成框图。在传统的GNSS接收机中所使用的载 波跟踪环的组成都可以归纳为这几部分相干积分器、鉴相器、环路滤波器、以及数控振荡 器(NCO)。如果输入信号没有调制数据比特，那么载波相位是连续的，可以使用锁相环PLL来跟踪 其相位。PLL所使用的鉴相器称为相干鉴相器。当输入信号上调有数据比特，载波相位将不 定期发生180度跳变，此时不能使用PLL进行跟踪，而要改为使用对这种跳变不敏感的Costas 环，其与PLL的区别就在于所使用的鉴相器改为了 Costas鉴相器。使用Costas环跟踪数据支路，鉴相器的输出为f必瓶=(1)载波相位跟踪误差方差(单位弧度2)为c/见(2)而使用PLL跟踪导频支路，鉴相器的输出为载波相位跟踪误差方差(单位弧度2)为其中A是环路带宽，单位是Hz; rrf、 ？；分别是数据支路和导频支路的相干积分时间长度，单位是秒；C/7V。是载噪比，即信号功率与噪声的功率谱密度的比值，单位是Hz。 Costas鉴相器虽然对相位翻转不敏感，但其线性范围窄，跟踪噪声大。 GNSS的传统信号上都是调制有数据比特的，这就使得过去一直只能使用Costas环来跟踪信号。为了改善载波跟踪性能，GNSS现代化的所有信号都分配出一半的功率用来发射导频(Pilot)信号，在此之上没有调制数据比特。例如GPS的L5信号，导频支路与数据支路正交；而Galileo的E1信号，导频支路与数据支路同相，但通过采用不同的扩频码来区分。由于导频信号没有调制电文，可以使用纯PLL取代Costas环，提高了环路的跟踪门限，增加了环路的抗动态性，提取的载波精度也进一步提高。仅使用PLL跟踪导频支路并没有充分利用到信号所提供的信息。导频信号只占总功率的一半，单独跟踪之则没有利用到数据支路的信息，不仅会造成3dB功率损失，并且导频支路与数据支路的传播路径完全相同，二者的测量值高度相关，因此用导频/数据支路提供的信息联合跟踪载波可以进一步提高载波跟踪环的跟踪性能。主要有三个现有技术，其中现有技术1可被看作是数据融合在鉴相器外部进行，现有技术2是针对现有技术1的一个缺点进行的改进，现有技术3可被看作是数据融合在鉴相器里进行。图1是只有一个支路的情况下的跟踪环构成。当跟踪环要同时跟踪两个支路的信号时， 图l的结构就要发生改变。图2给出了三种可能的改变方式。如图(a)，可以数据支路与导频支路使用各自的相干积分器，使用各自的鉴相器，在鉴相 器输出处进行融合，此后部分与传统方法相同。如图(b)，可以数据支路与导频支路使用各自的相干积分器，将输出值送入鉴相器里进行 融合，此后部分与传统方法相同。如图(c)，可以数据支路与导频支路使用各自的相干积分器，使用各自的鉴相器，在环路 滤波器中进行融合，滤波器输出送入NCO。使用数据支路和导频支路的信号一起进行载波跟踪的思路在美国MITRE公司的J. Hegarty 1999年的报告"Evaluation of the proposed signal structure for the new civil GPS signal at1176.45MHz"中最早被提出，该文献同时给出了一个两支路融合的方法——最优线性组合方 法。最优线性组合方法只是简单的将两个支路的信号在各自的鉴相器输出处进行加权融合， 权系数的选取准则是令总的误差方差最小。将两个鉴相器的输出进行加权后送入环路滤波器。 即# = (5)其中加权系数a和/ 为最优线性组合方法确实利用了两路信息之间的相关性，使用了全部信号功率，提高了载 波的跟踪精度，对应图2中(a)情况，其存在一些缺点-(1) 在两个鉴相器的输出进行相加融合，忽略了两个输出值对热噪声及动态的抵抗能力 不同这样一个事实。在相同的相干积分时间长度下，PLL的热噪声跟踪门限(即仅考虑热噪 声影响的情况下，环境载噪比低于该门限的时候环路以一定概率失锁)比Costas环要低6dB。 而且PLL的鉴相器线性范围几乎是Costas鉴相器的2倍。在信噪比较低、动态较大的条件下， 数据支路的Costas鉴相器的输出，即公式(l)的结果可能已经超过了鉴相器的线性范围，造成 其偏离真实值过大，再与导频支路的PLL鉴相器输出进行融合，虽然PLL鉴相器输出仍然是 正确的，但将导致总的结果被污染。最终跟踪环发生失锁或跟踪性能急剧恶化。因此，鉴相 器总的性能被整个环节里性能最差的一个部件——Costas鉴相器所拖累。(2) 这种融合要求两个相干积分器报出结果的速率相同，均等于环路的更新速率。即使 两个相干积分器的积分时间长度不同，环路更新速率也要由其中最长的一个来决定。由跟踪 环的基本原理可知，环路的更新速率如果较慢，则环路的动态性能将会下降；而为了动态性 能提高而将环路更新速率变快，就同时意味着相干积分时间变短，即式(2)中的7J变小，导致 Costas环的跟踪误差变大。这种方法并没有很好地考虑到如何在抗动态和抗热噪声之间做一 个优化的设计。0. Julien等人在2004年Proceedings oflnstitute of Navigation GNSS Conference上发表的会 议论文"A new multipath and noise mitigation technique using data/data-less navigation signals" 以及O. Julien在2005年Proceedings oflnstitute of Navigation GNSS Conference上发表的会议 论文"Carrier-phase tracking of foture data/pilot signals"针对最优线性组合方法作出了改进。改进的方法仅在公式(1)与公式(3)的值相差不大时使用公式(5)的结果作为总鉴相结果送入环 路滤波器，否则就仅使用公式(3)的值作为鉴相结果。这个改进方法解决了导频支路可能被数据支路污染这个问题。但它的解决手段是丢弃有可能出问题的鉴相结果。这样一来在低信噪比或者高动态情况下，绝大多数的Costas鉴相器 输出结果都可能被丢弃，对于每一次丢弃，环路的性能都会退化到仅使用PLL来跟踪导频支 路的状况。因此这种方法其实并没有很理想地解决最优线性组合方法的第一个缺点。而对于 最优线性组合方法的第本文档来自技高网...
【技术保护点】
双更新率载波跟踪环路，其特征在于，含有：数据支路第一相干积分器和数据支路第二相干积分器，Ｃｏｓｔａｓ鉴相器，导频支路第一相干积分器和导频支路第二相干积分器，相干鉴相器，环路滤波器，数控振荡器ＮＣＯ以及控制部件，其中：数据支路第一相干积分器和数据支路第二相干积分器各自的数据码输入端依次分别经过数据支路第一乘法器和数据支路第二乘法器后，共同与跟踪环的数据支路ＩＦ信号输出端相连，由跟踪环向所述两个数据支路相干积分器输入扩频码已剥离的数据支路ＩＦ信号；所述两个数据支路相干积分器的数据支路积分清零控制信号输入相连后直接与控制部件的控制信号（１）的输出端相连，控制所述两个数据支路相干积分器的相干积分时间Ｔ↓［ｄ］；导频支路第一相干积分器和导频支路第二相干积分器，各自的导频码输入端依次分别经过导频支路第一乘法器和导频支路第二乘法器后共同与所述跟踪环的导频支路ＩＦ信号输出端相连，由跟踪环向所述两个导频支路相干积分器输入扩频码已剥离的导频支路ＩＦ信号，所述两个导频支路相干积分器的积分清零控制信号输入端相连后直接与所述控制部件的控制信号（２）的输出端相连，控制所述两个导频支路相干积分器的相干积分时间Ｔ↓［ｐ］；所述两个数据支路相干积分器的相干积分时间Ｔ↓［ｄ］与两个导频支路相干积分器的相干积分时间Ｔ↓［ｐ］存在以下关系：Ｔ↓［ｄ］＝Ｍ.Ｔ↓［ｐ］，其中Ｍ是大于１小于２００的整数，Ｃｏｓｔａｓ鉴相器共有两个数据信号输入端，分别接收所述数据支路第一相干积分器输出的数据码积分值Ｉ↓［ｄ］、以及数据支路第二相干积分器输出的数据码积分值Ｑ↓［ｄ］，Ｃｏｓｔａｓ鉴相器的输出为ｄφ↓［ｄ］＝Ｉ↓［ｄ］Ｑ↓［ｄ］／２Ｔ↓［ｄ］.Ｃ／Ｎ↓［０］，Ｃｏｓｔａｓ鉴相器的载波相位跟踪误差方差为σ↓［φ↓［ｄ］］↑［２］＝Ｂ↓［Ｌ］／Ｃ／Ｎ↓［０］（１＋１／Ｔ↓［ｄ］.Ｃ／Ｎ↓［０］）弧度↑［２］，其中，Ｂ↓［Ｌ］是环路带宽，单位为Ｈｚ，Ｔ↓［ｄ］、Ｔ↓［ｐ］分别是数据支路和导频支路的相干积分时间长度，单位是秒，Ｃ／Ｎ↓［０］是载噪比，即信号功率与噪声的功率谱密度的比值，单位是Ｈｚ；相干鉴相器是锁相环ＰＬＬ使用的鉴相器，共有两个导频信号输入端：分别从所述两个导频支路相干积分器输入经过相干积分后的导频码积分值Ｉ↓［ｐ］和Ｑ↓［ｐ］；相干鉴相器的输出为：＊＊＊相干鉴相器的载波相位跟踪误差方差为：σ↓［φ↓［ｐ］］↑［２］＝Ｂ↓［Ｌ］／Ｃ／Ｎ↓［０］弧度↑［２］，各...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：姚铮，崔晓伟，陆明泉，冯振明，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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