一种基于相位误差限幅处理的载波相位周跳抑制方法

摘要

本发明提供一种基于相位误差限幅处理的载波相位周跳抑制方法。根据引起载波相位周跳的主要因素，当跟踪环路在短时间内出现大幅度的相位抖动或集中出现的多个符号相同的相位偏差时，载波跟踪环路容易发生相位跳变。根据这些引起相位周跳的因素，可以在载波跟踪环路中对鉴相器输出的相位误差进行处理。通过对瞬时鉴相误差和鉴相误差的累积值进行限幅，可以避免大的相位抖动和连续同符号的相位偏差，从而降低环路发生相位相位周跳的概率。相比传统的载波跟踪方法，本发明在不考虑环路动态的情况下，使载波跟踪环路发生相位周跳的概率降低67％；在输入信号多普勒频率恒定的情况下，使载波跟踪环路发生相位周跳的概率降低38％。

说明书

技术领域

本发明属于导航技术领域，尤其涉及一种基于相位误差限幅处理的载波相位周跳抑制方 法，其可运用在卫星导航信号接收机或者其他类型的扩频接收机中。

背景技术

在高精度接收机中，常采用载波相位测量值进行定位。载波相位周跳是影响载波相位测 量值跟踪精度的重要因素之一。对于一般的高精度接收机而言，载波相位的测量精度可以达 到厘米甚至毫米级，然而，一周的载波相位周跳就能使载波相位测量值产生约20cm的偏差。 为了降低载波相位周跳对载波相位测量值的影响，就必须对载波相位测量值中的相位周跳进 行处理。

通过对载波相位测量值进行周跳探测和修复可以降低周跳对载波相位测量的影响，但是 这种方法容易受到接收机动态和卫星、接收机钟差的影响，且当跳周数较小或跳周频繁发生 时，其处理效果并不理想。为了弥补目前周跳探测与修复算法存在的不足，需要在生成载波 相位测量值的载波跟踪环路中，降低相位跳周发生的概率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于相位误差限幅处理的载波相位周跳抑制方法，旨在不明 显增加运算量的条件下降低高精度接收机载波相位发生周跳的概率。

本发明的基本思路是：根据引起载波相位周跳的主要因素，当跟踪环路在短时间内出现 大幅度的相位抖动或集中出现的多个符号相同的相位偏差时，载波跟踪环路容易发生相位跳 变。根据这些引起相位周跳的因素，可以在载波跟踪环路中对鉴相器输出的相位误差进行处 理。通过对鉴相误差和鉴相误差的累计值进行限幅，可以避免大的相位抖动和连续同符号的 相位偏差，从而降低环路发生相位相位周跳的概率。

本发明的技术方案是：一种基于相位误差限幅处理的载波相位周跳抑制方法，具体包括 下述步骤：

第一步，构建载波跟踪环路

所述载波跟踪环路包括鉴相器、瞬时相位误差限幅器、相位误差累积值限幅器、环路滤 波器和压控振荡器，鉴相器的输入端为载波跟踪环路的输入信号，鉴相器的输出端连接到瞬 时相位误差限幅器，瞬时相位误差限幅器的输出端连接相位误差累积值限幅器，相位误差累 积值限幅器的输出端连接环路滤波器，环路滤波器的输出端连接压控振荡器，压控振荡器的 输出端反馈输入至鉴相器；

第二步，瞬时相位误差限幅

将输入信号ui(t)送入鉴相器进行鉴相，鉴相器输出的相位误差送入瞬时相位误差限幅器 进行限幅处理；

假设鉴相器的鉴相区间为[-φ,φ]，当t时刻鉴相器输出的相位误差为u_ai(t)时，对其进行 瞬时相位误差限幅处理后的输出u_ao(t)为：

$u_{ao}\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}{u}_{ai}\left(t\right)-K_1*\Phi & u_{ai}>K_1*\Phi \\ u_{ai}\left(t\right),& \left|u_{ai}\left(t\right)\right|<K_1*\Phi \\ u_{ai}\left(t\right)+K_1*\Phi ,& u_{ai}\left(t\right)<-K_1*\Phi \end{array}\right)$

上式中K₁表示瞬时相位误差限幅器的限幅系数；

第三步，相位误差累积值限幅

以瞬时相位误差限幅器的输出结果u_ao(t)作为相位误差累积值限幅器的输入u_bi(t)，则相位 误差累积值限幅器的输出u_bo(t)为：

其中，T_L和K₂分别为相位误差累积值限幅器的积分时间和限幅系数；

第四步，确定系数K₁、K₂和T_L

定义平均周跳时间T为环路载波相位误差累计值等于2φ时环路所需的平均运行时间，平 均周跳概率P为平均周跳时间T的倒数。对限幅器参数K₁∈[1,2]、K₁∈[0,1]、T_L∈[1,20]进行 遍历(这里的参数取值仅保留小数点后一位)，获得在不同参数K₁、K₂和T_L组合条件下的载 波跟踪环路平均周跳时间，并取满足平均周跳时间最大时，对应的限幅器系数为本方法中K₁、 K₂和T_L的取值。

本发明的有益效果是：通过对瞬时相位误差和相位误差累积值进行限幅，使得载波环路 跟踪环路发生周跳的概率可以有效降低。此外，在本发明的整个实施过程都只是涉及一些简 单的算术运算，不涉及求逆、特征分解等复杂运算，因此本发明实现简单，运算量小，对噪 声不敏感，并且实施起来也非常方便，可直接用于传统的载波跟踪环路。

附图说明

图1是发明所提供的基于相位误差限幅的载波相位周跳抑制方法的流程图

图2是载波环相位整周跳变示意图

图3是限制相位误差幅度示意图

图4是相位误差限幅处理的结构设计框图

图5是环路平均周跳时间随瞬时相位误差限幅器系数K₁的变化曲线图

图6是环路平均周跳时间随相位误差累积值限幅器系数K₂的变化曲线图

图7是环路平均周跳时间随相位误差累积值限幅器积分时间T_L的变化曲线图

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的基于相位误差限幅处理的载波相位周跳抑制方法进行详细 说明。

图1是本发明所提供的基于相位误差限幅处理的载波相位周跳抑制方法的流程图。

第一步：构建载波跟踪环路

所述的载波跟踪环路由载波相位鉴别器、相位误差限幅器、环路滤波器和压控振荡器四 个部分组成，相位误差限幅器又包括瞬时相位误差限幅器和相位误差累积值限幅器两部分。 鉴相器的输入端为载波跟踪环路的信号输入端，鉴相器的输出端连接到瞬时相位误差限幅器， 瞬时相位误差限幅器的输出端连接相位误差累积值限幅器，相位误差累积值限幅器的输出端 连接环路滤波器，环路滤波器的输出端连接压控振荡器，压控振荡器的输出端反馈输入至鉴 相器。

第二步：瞬时相位误差限幅

假设相位鉴别器的鉴相区间为[-φ,φ]，当t时刻鉴相器输出的相位误差为u_ai(t)时，对其 进行瞬时相位误差限幅处理后的输出u_ao(t)为：

$u_{ao}\left(t\right)=\left(\begin{array}{cc}{u}_{ai}\left(t\right)-K_1*\Phi & u_{ai}>K_1*\Phi \\ u_{ai}\left(t\right),& \left|u_{ai}\left(t\right)\right|<K_1*\Phi \\ u_{ai}\left(t\right)+K_1*\Phi ,& u_{ai}\left(t\right)<-K_1*\Phi \end{array}\right)$

上式中K₁表示瞬时相位误差限幅器的限幅系数。

第三步：相位误差累积值限幅

以瞬时相位误差限幅器的输出结果u_ao(t)作为相位误差累积值限幅器的输入u_bi(t)，则累积 限幅器的输出u_bo(t)为：

其中，K₂和K₂分别为累积限幅器的积分时间和限幅系数。

第四步：确定系数K₁、K₂和T_L

定义平均周跳时间T为环路载波相位误差累计值等于2Φ时环路所需的平均运行时间，平 均周跳概率P为平均周跳时间T的倒数。通过对不同限幅器系数K₁、K₂和积分时间T_L下载 波跟踪环路平均周跳时间进行仿真，根据载波跟踪环路所要达到的相位周跳概率，确定载波 跟踪环路各系数的取值。

图2是载波环中发生相位跳变的示意图，其中状态A和状态B都是稳定点，又称之为平 衡点；状态C为不平衡点，又称之为鞍点；状态D是中间状态。假设环路起始处于状态A， 由于受到某个较大噪声抖动的影响，环路由状态A转移到状态D，然而状态D并不是一个稳 定的状态，所以，环路会就近地逐渐收敛到另外一个稳定的状态B。本来应该一直处在平衡 点A的环路由于某种原因转移到间隔一个或几个周期的另一个平衡点B，对应的相位跟踪误 差则发生了整数周的跳变。因此，根据上述的分析，引起载波跟踪环路相位整周跳变的因素 主要可以分为短时间大幅度的相位误差抖动和连续出现的同符号相位误差两种因素。

图3是对相位误差幅度进行限制的示意图，其中横坐标为相位误差的大小，纵坐标为相 位误差的正弦函数。假设环路处于平衡点A，下面对相位误差单次变化的幅度进行限制，其 中点E为误差幅度变化的下界，点F是幅度变化的上界。通常的设计中使下界E与上界F关 于平衡点A保持对称，即||E-A||＝||F-A||。设P_EF为环路不发生相位整周跳变的概率(这里说的 周跳概率也可以理解为环路从平衡点A跳变到平衡点B的概率)，当EF取值越小时，则发生 相位跳变的P_EF取值越大。

通过相位误差的限幅，可以抑制由少数大幅度相位误差引起的相位整周跳变，但对于连 续多个同符号相位误差引起的相位周跳而言，需要对时间T_L内的相位误差累加值进行限幅。 其中，需要针对不同应用场景选择合适的积分时间T_L，当积分时间T_L取值过大时，则环路动 态性能下降；当积分时间T_L取值过小时，则又不能有效地探测到相位周跳。

图4是本文方法的结构设计框图，以导航卫星基带信号u_i(t)作为载波跟踪环路的输入， 通过载波相位鉴别器、瞬时相位误差限幅器、相位误差累积值限幅器、环路滤波器和压控振 荡器后，反馈回鉴别器，形成本方法所述的载波跟踪环路。鉴相器的输入端为载波跟踪环路 的信号输入端，鉴相器的输出端连接到瞬时相位误差限幅器，瞬时相位误差限幅器的输出端 连接相位误差累积值限幅器，相位误差累积值限幅器的输出端连接环路滤波器，环路滤波器 的输出端连接压控振荡器，压控振荡器的输出端反馈输入至鉴相器。

图5至图7是利用本发明一具体实施方式进行仿真实验的处理结果。仿真实验的基本参 数设置如下：

输入信号信噪比为-12dB，中频频率为100Hz，采样率为1000Hz；载波相位鉴别器采用 二象限反正切鉴别器；环路滤波器采用二阶环，噪声带宽为5Hz，阻尼系数为2；环路更新 时间为1ms，单次仿真时长为50s，仿真次数为3000次。

图5是环路平均周跳时间随瞬时相位误差限幅器系数K₁的变化曲线图。图5中K₁＝1的 情况等效为没有对相位误差进行限幅，当随着限幅系数K₁的增加，环路的平均周跳时间增大， 即发生周跳的概率减小，当K₁＝1.6时，环路平均周跳时间达到最大，即在该仿真条件下应取 瞬时相位误差限幅器系数K₁为1.6。

图6是环路平均周跳时间随相位误差累积值限幅器系数K₂的变化曲线图。图6中K₂＝1 的情况等效为没有对相位误差进行限幅，通过仿真结果可以发现，当K₂＝0.8时，环路平均周 跳时间达到最大，即在该仿真条件下应取瞬时相位误差限幅器系数K₂为0.8。

图7是环路平均周跳时间随相位误差累积值限幅器积分时间T_L的变化曲线图。图7中 T_L＝1ms的情况等效为瞬时相位限幅器，通过仿真结果可以发现，当T_L＝4ms时，环路平均周 跳时间达到最大，即在该仿真条件下应取瞬时相位误差限幅器积分时间T_L为4ms。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领 域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的 保护范围当视权利要求书界定的范围为准。