一种基于悲观计数器的卫星导航码环环路及其设计方法

摘要

本发明公开了一种基于悲观计数器的卫星导航码环环路及其设计方法，利用悲观计数器的计数值作为输入，用于调整码环相关器的间距和环路带宽，其实现过程简单方便，不会增加任何的复杂度，非常适合工程实现和应用。

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航码环环路，特别是一种基于悲观计数器的卫星导航码环环路及其设计方法。

背景技术

码环环路的设计是卫星导航接收机设计的关键所在。码环环路设计主要包括两个方面，码环鉴相方法的设计和环路带宽的设计。传统的码环鉴相方法为早迟码方法，还有窄相关器方法，相关参考波形方法。这一类方法都需要相关器的设计。码环的环路带宽一般为经验值，在接收机固化之前通过大量对比试验，获取一个固定的环路带宽值。

相关器的间距变窄，环路带宽缩窄，可以提升伪码相位的精度，有效地抵抗伪码多径带来的干扰。然而，为了提高环路的动态性能，必须将相关器的间距加宽，环路带宽增大。而固定的环路带宽值以及固定的相关器设计方法很难适应高动态和高精度环境下的切换。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于悲观计数器的卫星导航码环环路及其设计方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于悲观计数器的卫星导航码环环路，包括：

即时码相关器：用于接收I/Q路基带数字信号，并计算I/Q路基带数字信号即时码积分累加器的值，将计算结果输出到悲/乐观计数器；

悲/乐观计数器：用于计算Q路信号即时码积分累加器的输出Q(P)与I路即时码积分累加器的输出I(P)比值的绝对值，即|Q(P)/I(P)|，并输出悲观计数器的值到偏移寄存器和码环滤波器；

偏移寄存器：用于利用悲观计数器的值计算窄相关器的间距；

码环环路滤波器：用于利用悲观计数器的值计算码环滤波系数K，接收码环鉴相器的输出鉴相值，并输出出本地码偏移量到本地码生成器；

窄相关器积分累加器：用于设置好窄相关器的间距和码环滤波系数K以后，接收I/Q路基带数字信号；

码环鉴相器：用于接收窄相关器积分累加器的值，并利用鉴相函数输出鉴相值到码环环路滤波器；

本地码生成器：用于根据码环环路滤波器输出值对本地码偏移量进行修改，并将修改值送入偏移寄存器。

悲观计数器的值确定过程为：如果|Q(P)/I(P)|小于0.7，悲观计数器清零，乐观计数器加1；如果|Q(P)/I(P)|大于0.7，悲观计数器加1，乐观计数器清零。

窄相关器的间距设置方法如下：

当环路失锁时，窄相关器的初始间距设置为四分之一个码片间隔；

当环路锁定时，窄相关器的初始间距设为十六分之一码片间隔；

在环路锁定状态下，根据悲观计数器的值，改变窄相关器的间距，若环路处于失锁状态，则不改变窄相关器的间距；其中窄相关器的间距d_cr更新表达式如下：

其中MAX_D为悲观计数器的最大值，若悲观计数器的值D累加到D＝MAX_D，则环路转为环路失锁状态，将窄相关器的间距变为四分之一，直到环路进入再次锁定状态时，再次更新窄相关器的间距。

码环滤波系数K的设置方法如下：

环路失锁状态下，设置初始环路滤波参数K＝3000；环路由失锁进入到锁定状态时，设置初始环路滤波参数K＝100；

在环路锁定状态下，根据悲观计数器的值，改变环路滤波器参数K的值，若环路处于失锁状态，则不改变环路参数的值；其中环路滤波器参数K更新的表达式如下：其中MAX_D为悲观计数器的最大值，若悲观计数器的值D累加到D＝MAX_D，则环路转为环路失锁状态，将K变成3000，直到环路进入再次锁定状态时，再次更新环路滤波器参数K的值。

所述鉴相函数Dc设置为：

其中I(E)为I支路早码相关器积分累加值，Q(E)为Q支路早码相关器积分累加值，I(L)为I支路迟码相关器积分累加值，Q(L)为Q支路迟码相关器积分累加值，I(EE)为I支路早早码相关器积分累加值，Q(EE)为Q支路早早码相关器积分累加值，I(LL)为I支路迟迟码相关器积分累加值，Q(LL)为Q支路迟迟码相关器积分累加值。

相应的，本发明还提供了一种基于悲观计数器的卫星导航码环环路设计方法，包括：

设计悲观计数器的值：判断Q路即时码积分累加器除以I路即时码积分累加器的比值的绝对值|Q(P)/I(P)|是否小于0.7，如果|Q(P)/I(P)|小于0.7，悲观计数器清零，乐观计数器加1；如果|Q(P)/I(P)|大于0.7，悲观计数器加1，乐观计数器清零；

设计窄相关器的间距：在环路锁定状态下，利用公式更新窄相关器的间距d_cr，其中MAX_D为悲观计数器的最大值，若悲观计数器的值D累加到D＝MAX_D，则环路转为环路失锁状态，将窄相关器的间距变为四分之一，直到环路进入再次锁定状态时，再次更新窄相关器的间距；当环路失锁时，窄相关器的初始间距设置为四分之一个码片间隔；当环路锁定时，D＝0，窄相关器的初始间距设为十六分之一码片间隔；

设计码环滤波系数K：在环路锁定状态下，利用公式更新码环滤波系数K；环路失锁状态下，设置初始环路滤波参数K＝3000；环路由失锁进入到锁定状态时，设置初始环路滤波参数K＝100；

设计码环鉴相器的鉴相函数为其中I(E)为I支路窄相关器早码相关器积分累加值，Q(E)为Q支路窄相关器早码相关器积分累加值，I(L)为I支路窄相关器迟码相关器积分累加值，Q(L)为Q支路窄相关器迟码相关器积分累加值，I(EE)为I支路窄相关器早早码相关器积分累加值，Q(EE)为Q支路窄相关器早早码相关器积分累加值，I(LL)为I支路窄相关器迟迟码相关器积分累加值，Q(LL)为Q支路窄相关器迟迟码相关器积分累加值。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明利用悲观计数器的计数值作为输入，用于调整窄相关器间隔以及码环环路滤波器参数，其实现过程简单方便，不会增加任何的复杂度，非常适合工程实现和应用。

附图说明

图1为本发明码环环路示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明包括主要有以下几个模块：I/Q路基带数字信号，悲/乐观计数器模块，窄相关器积分累加器模块(包括，早码积分累加器，早早码积分累加器，即时码积分累加器，迟码积分累加器，非常迟码积分累加器)，，本地码生成器，偏移寄存器，码环鉴相器，码环滤波器。其中，本发明考虑一阶码环滤波环路。其中，各个模块的功能和整体实现流程如下：

步骤1：I/Q路基带数字信号进入即时码累加器；

步骤2：计算I/Q路信号即时码累加器的值，并输出进入到悲/乐观计数器模块；

步骤3：悲/乐观计数器模块计算Q路信号即时码累加器的输出与I路即时码累加器的输出比值的绝对值，即|Q(P)/I(P)|；

步骤4：通过判断|Q(P)/I(P)|的值是否小于0.7，决定悲观计数器的值；

步骤5：悲/乐观计数器模块输出悲观计数器的值到偏移寄存器和码环滤波器；

步骤6：偏移寄存器利用悲观计数器的值计算窄相关器的间距；码环滤波器利用悲观计数器的值计算码环滤波系数K；

步骤7：设置好窄相关器的间距和码环滤波系数K以后，将I/Q路基带数字信号送入窄相关器积分累加器；

步骤8：窄相关器积分累加器的值送入码环鉴相器；

步骤9：码环鉴相器利用鉴相函数输出鉴相值到码环环路滤波器；

步骤10：码环环路滤波器输出本地码偏移量到本地码生成器；

步骤11：本地码生成器根据码环环路滤波器输出值对本地码偏移量进行修改；

本发明提出的基于悲观计数器环路参数设置方法的原理和具体实现过程包括：

1、计算悲观计数器的值；

锁定判决器通过判断Q路即时码积分累加器除以I路即时码积分累加器的比值的绝对值|Q(P)/I(P)|是否小于0.7，决定悲观计数器的值。如果|Q(P)/I(P)|小于0.7，悲观计数器清零，乐观计数器加1；如果|Q(P)/I(P)|大于0.7，悲观计数器加1，乐观计数器清零。每一次锁定判决器的输出都会改变悲观计数器的值，设为D。

2、初始窄相关器间距。

当环路失锁时，窄相关器的间距为四分之一个码片间隔，即，早早码相关器与早码相关器时间间隔相差四分之一个码片间隔，早码相关器与即时码相关器时间间隔相差四分之一个码片间隔，即时码相关器与迟码相关器时间间隔相差四分之一个码片间隔，迟码相关器与迟迟码相关器时间间隔相差四分之一个码片间隔。

当环路锁定时，窄相关器的间距设为十六分之一码片间隔，即，早早码相关器与早码相关器时间间隔相差十六分之一个码片间隔，早码相关器与即时码相关器时间间隔相差十六分之一个码片间隔，即时码相关器与迟码相关器时间间隔相差十六分之一个码片间隔，迟码相关器与迟迟码相关器时间间隔相差十六分之一个码片间隔。

当环路从失锁进入到锁定状态时，窄相关器的间距从四分之一变成十六分之一。当环路从锁定状态进入到失锁状态时，窄相关器的间距变成四分之一。

3、初始环路滤波参数K。

环路失锁状态下，设置初始环路滤波参数K＝3000。环路由失锁进入到锁定状态时，设置初始环路滤波参数K＝100。

4、窄相关器间距更新

只有当环路锁定状态下，才根据悲观计数器的值，改变窄相关器间距。若环路处于失锁状态，那不改变窄相关器的间距。其中窄相关器间距更新的表达式如下：

更新的窄相关器间距表达式为

其中MAX_D为悲观计数器的最大值，若D累加到D＝MAX_D，则环路转为环路失锁状态，将窄相关器间距变为四分之一，直到环路进入再次锁定状态再次更新窄相关器的值。

5、环路滤波器参数K更新

只有当环路锁定状态下，才根据悲观计数器的值，改变环路滤波器参数K的值。若环路处于失锁状态，那不改变环路参数的值。其中环路滤波器参数K更新的表达式如下：

更新的环路滤波器参数K表达式为

其中MAX_D为悲观计数器的最大值，若D累加到D＝MAX_D，则环路转为环路失锁状态，将K变成3000，直到环路进入再次锁定状态再次更新环路滤波器参数K的值。

6、鉴相器鉴相函数设置

鉴相器的鉴相函数为

其中I(E)为I支路早码相关器积分累加值，Q(E)为Q支路早码相关器积分累加值，I(L)为I支路迟码相关器积分累加值，Q(L)为Q支路迟码相关器积分累加值，I(EE)为I支路早早码相关器积分累加值，Q(EE)为Q支路早早码相关器积分累加值，I(LL)为I支路迟迟码相关器积分累加值，Q(LL)为Q支路迟迟码相关器积分累加值。