一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路及跟踪方法

摘要

本发明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。

说明书

技术领域

本发明属于卫星导航信号处理技术领域，特别涉及一种GNSS微弱信号 的载波跟踪环路及跟踪方法。

背景技术

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2^M-1种组合，其中M为导航比特个数，使用2^M-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E_b，所 对应的组合作为导航比特猜测结果，

${\tilde{E}}_b=max(E_1,E_2,\mathrm{...},E_{2^{M-1}}),$

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2^M-1样本，即2^M-1种导航比特组合，其 中，假设第j种组合是正确的。2^M-1种组合中最小积分能量值满足下式：

其中，E_{b_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+E_{b_20ms}，当M为奇数；依概率等于N₀， 当M为偶数；所以，除E_j之外的2^M-1-1组等效概率能量均值则猜 测方法的虚警概率为：

$P_{01guess}=1-{\left[P(\bar{E}<E_j)\right]}^{2^{M-1}-1}>1-{\left[P(N_0<E_j)\right]}^{2^{M-1}-1}=1-P_{11}^{2^{M-1}-1},$

其中,P₁₁为成功检测概率,E_j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P_01guess≈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E_b， 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。

发明内容

本发明的目的是提供一种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，本发明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C_I和零中频正交分量S_Q； 分别将C_I和S_Q进行乘运算、积分清零运算得到积分能量值同相分量G_I和积 分能量值正交分量G_Q；对应将G_I、G_Q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J_I和导航比特经剥离后的积分能量值 正交分量J_Q，对应将J_I和J_Q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δ_f和相差 跟踪频差δ_f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C_I和S_Q与C/A码进行乘运算后输出导航比特加噪声 信号n_I[k]和n_Q[k]，再将n_I[k]和n_Q[k]进行积分清零运算得到积分能量值同相分 量G_I和积分能量值正交分量G_Q。

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C_I和零中频正交分量S_Q；两个第三乘法器分别将C_I和S_Q与C/A码进行乘运算后输出导航比特加噪声信号n_I[k]和n_Q[k]，两个积分清零 器再将n_I[k]和n_Q[k]进行积分清零运算得到积分能量值同相分量G_I和积分能 量值正交分量G_Q；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G_I、G_Q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J_I和导航比特经剥离后的积分能量值正交分量 J_Q，两个积分器对应将J_I和J_Q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δ_f和相 差跟踪频差δ_f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，

$\begin{array}{cc}PRD\stackrel{\det }{=}[{\mathrm{prd}}_1,\mathrm{...},{\mathrm{prd}}_p]& {\mathrm{prd}}_p={\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{TLM}}_{1\times 3}& {\mathrm{TLM}}_{1\times 2}\\ {\mathrm{HOW}}_{1\times 3}& {\mathrm{HOW}}_{1\times 2}\\ {\mathrm{EPH}}_{8\times 3}& {\mathrm{ALM}}_{8\times 2}^p\end{array}\right)}_p\end{array},$

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为则：

页索引p为

行索引i为

列索引j为

字内比特索引ib为

t时刻的预测字为

t时刻的预测比特值为

式中，mod为取模运算，rem为取余运算，为向下取整运算。

进一步的，在步骤三中，

两个积分清零器对应将C_I和S_Q进行积分清零运算得到G_I和G_Q，连续 M个G_I、连续M个G_Q对应构成两组M个导航比特积分值向量，并将该两 组M个导航比特积分值向量对应与两组M个预测比特值进行点乘运算，然 后分别各自进行积分运算，消除导航比特翻转后输出I和Q：

式中，C/N_o为载噪比，T_coh为积分时间，为跟踪相差，v_I表示I分量 0均值、单位方差噪声成分，v_Q表示Q分量0均值、单位方差噪声成分， d[m]为导航比特在m时刻的采样值，r[m]为在m时刻的预测比特值。

本发明针对GNSS微弱信号的处理给出了一种基于导航比特预测和电 文剥离的载波跟踪环路和跟踪方法。使用该方法，接收机灵敏度比传统方式 提升近7dB。经测试，接收机在-160dBm到-167dBm的微弱信号功率区间内 保持稳定、准确定位，定位误差在60m范围内超过了2σ。该方法的导航比 特存储可以结合接收机其他功能进一步改进，例如A-GPS，快速获取导航比 特数据。另外通过将导航比特数据写入非易失性存储器，还能够进一步提升 冷启动的捕获、跟踪及定位性能。该方法占用系统资源非常少，使用该方法 只需要在传统接收机上做轻微改动即可实现上述性能。

附图说明

图1为本发明的一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路的结构框图；

图中，1、第一乘法器；2、第二乘法器；3、第三乘法器；4、积分清零 器；5、积分器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1，为本发明的一种GNSS微弱信号的载波跟踪环路的结构框 图；该GNSS微弱信号的载波跟踪环路包括两个第一乘法器1、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。

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]与正弦载波信号、余弦载波信号进行乘运算得到零中频 同相分量C_I和零中频正交分量S_Q；两个积分清零器4对应将C_I和S_Q进行积 分清零运算得到积分能量值同相分量G_I和积分能量值正交分量G_Q；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G_I、G_Q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J_I和导航比特经剥离后的积分能量值正交分量J_Q，两个积分器5对应将J_I和J_Q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δ_f和相差跟踪频差δ_f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。

存贮器采用先进先出的数据缓存器。

设计导航比特预置FIFO，例如5个WORD，则能够提前载入比特数量 为3秒，可以使用周内比特数同步写入端(预测)和读取端(使用)，以防 止发生写溢出或读溢出。

FIFO长度为L＝5，写入端和读取端分别维护自己的周内比特计数wr和 rd。预测端载入预测值，同时更新wr。使用端读取预测值，同时更新rd， 则发生溢出错误的条件为：

$underflow=\left(\begin{array}{cc}1,& rd-wr<0\\ 0,& otherwise\end{array}\right)$

$overflow=\left(\begin{array}{cc}1,& wr-rd>L\\ 0,& otherwise\end{array}\right)$

为避免发生溢出，每当FIFO空闲一个WORD，即满足条件rd-wr<L-1 时，及时写入。

鉴别器为鉴相器或鉴频器。本实施例中采用鉴相器。

两个第一乘法器1和两个积分清零器4之间对应连接有两个第三乘法器 3，两个第三乘法器3分别将C_I和S_Q进行与C/A码进行乘运算后输出导航 比特加噪声信号n_I[k]和n_Q[k]，两个积分清零器4再将n_I[k]和n_Q[k]进行积分清 零运算得到积分能量值同相分量G_I和积分能量值正交分量G_Q。

两个第一乘法器1、两个积分清零器4、两个第二乘法器2、两个积分器 5依次连接成对称的两路，两个积分器5的输出端对应与鉴别器的两个输入 端连接，鉴别器的输出端与环路滤波器的输入端连接，环路滤波器的输出端 与数控振荡器的输入端连接，数控振荡器的两个输出端对应与两个第一乘法 器连接1，两个存贮器对应连接至两个第二乘法器2。

该方法根据导航电文的周期特性，实时、准确预测之后一段时间内，信 号中所调制的导航比特，并实现消除翻转。以下步骤以GPS为例，但本发 明的研究结果同样适用于其他卫星导航系统的接收机，比如伽利略和北斗接 收机。

GNSS微弱信号的载波跟踪方法包括以下步骤：

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。

预测数据源矩阵PRD为包含750秒完整信息的数据源矩阵，

$\begin{array}{cc}PRD\stackrel{\det }{=}[{\mathrm{prd}}_1,\mathrm{...},{\mathrm{prd}}_p]& {\mathrm{prd}}_p={\left(\begin{array}{cc}{\mathrm{TLM}}_{1\times 3}& {\mathrm{TLM}}_{1\times 2}\\ {\mathrm{HOW}}_{1\times 3}& {\mathrm{HOW}}_{1\times 2}\\ {\mathrm{EPH}}_{8\times 3}& {\mathrm{ALM}}_{8\times 2}^p\end{array}\right)}_p\end{array},$

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为星历数据，是第1、2、3帧的第3到10个字，每30秒 重复播发；ALM为历书数据，是第4、5帧的第3到10个字，每750秒重 复播发；p为历书页码，共25页，p＝1，2···25，持续750秒。

接收机启动后，对跟踪通道的卫星收集50bps导航电文，每当字校验通 过，则填充到对应的表中正确位置，直到当前拟合周期的电文收集完成， 存储表已填满，则设置就绪标志，表示当接收机进入微弱信号环境时，允 许启动电文剥离跟踪模式。

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。

t时刻的预测字的起始时间tmp为则：

页索引p为

行索引i为

列索引j为

字内比特索引ib为

t时刻的预测字为

t时刻的预测比特值为

式中，mod为取模运算，rem为取余运算，为向下取整运算。

若WORD索引(即行索引i)为0，则记录TLM。若WORD索引为1，则计算 HOW。若WORD索引为2-9，则根据帧索引(即列索引j)和页索引p到上述 存储表中取得预测值。每个WORD预测值都需要计算6比特校验位。

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2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。

两个积分清零器4对应将C_I和S_Q进行积分清零运算得到G_I和G_Q，连 续M个G_I、连续M个G_Q对应构成两组M个导航比特积分值向量，并将该 两组M个导航比特积分值向量对应与两组M个预测比特值进行点乘运算， 然后分别各自进行积分运算，消除导航比特翻转后输出I和Q：

式中，C/N_o为载噪比，T_coh为积分 时间，为跟踪相差，v_I表示I分量0均值、单位方差噪声成分，v_Q表示 Q分量0均值、单位方差噪声成分，d[m]为导航比特值，r[m]为预测比特 值，m＝0、1、2···M-1，本实施例中M＝5，可以根据需要设置不同的值。

然后使用鉴相器对I、Q进行鉴相，输出的相位误差通过环路滤波器 反馈给数控振荡器NCO，完成一次跟踪环路反馈。

数字中频信号$r\left[k\right]=Ac\left[k\right]d\left[k\right]cos(\frac{2\pi f\left[k\right]k}{f_s}+{\theta }_0)+n\left[k\right],$

其中，A为r[k]的振幅，k为时刻值，k＝1、2、3···，c[k]为C/A码， d[k]为导航比特在k时刻的采样值，f_s为采样频率，f[k]为基带信号频率， Θ₀是一个相位偏移常数，n[k]表示噪声。

本发明针对GNSS微弱信号的处理给出了一种基于导航比特预测和电 文剥离的捕获与跟踪方法。使用该方法，接收机灵敏度比传统方式提升近 7dB。经测试，接收机在-160dBm到-167dBm的微弱信号功率区间内保持稳 定、准确定位，定位误差在60m范围内超过了2σ。该方法的导航比特存储 可以结合接收机其他功能进一步改进，例如A-GPS，快速获取导航比特数据。 另外通过将导航比特数据写入非易失性存储器，还能够进一步提升冷启动的 捕获、跟踪及定位性能。该方法占用系统资源非常少，使用该方法只需要在 传统接收机上做轻微改动即可实现上述性能。

尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但是本发明并不局 限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性 的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在说明书的启示下， 在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形 式，这些均属于本发明保护之列。