阅读说明：本技术 一种高耦合gnss接收机跟踪环路系统 (High-coupling GNSS receiver tracking loop system ) 是由 汤新华 孟骞 祝雪芬 于 2019-10-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统,本发明主要融合了传统载波频率跟踪环路,载波相位跟踪环路和码相位跟踪环路,采用了一个新型环路结构将传统独立的跟踪环路融为一体,以达到观测信息的最大合理应用。在该环路结构方案中,主要包括了2个输入,4个输出。在环路参数设计中,采用了自适应算法参数配置。主要包含过渡参数与稳态参数配置,其中过渡参数采用LUT预先参数存储技术来实现大参数误差前提下的快速正确收敛,最后稳态参数配置是基于载体动态应力预期,参数稳态误差预期,接收机时钟误差等要求来完成。实现了单结构多功能目标,解决了传统跟踪环路中的带宽与精度不可兼得的矛盾问题。(The invention discloses a tracking loop system of a high-coupling GNSS receiver, which mainly integrates a traditional carrier frequency tracking loop, a carrier phase tracking loop and a code phase tracking loop, and adopts a novel loop structure to integrate the traditional independent tracking loops into a whole so as to achieve the maximum reasonable application of observation information. In the loop structure scheme, 2 inputs and 4 outputs are mainly included. In the design of loop parameters, adaptive algorithm parameter configuration is adopted. The method mainly comprises the configuration of transition parameters and steady-state parameters, wherein the transition parameters adopt an LUT pre-parameter storage technology to realize the rapid and correct convergence on the premise of large parameter errors, and the final steady-state parameter configuration is completed based on the requirements of carrier dynamic stress expectation, parameter steady-state error expectation, receiver clock errors and the like. The method realizes a single-structure multifunctional target and solves the problem that the bandwidth and the precision in the traditional tracking loop cannot be compatible.)

一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统

技术领域

本发明涉及GNSS卫星导航终端技术领域，特别是一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统。

背景技术

全球卫星导航系统是目前导航领域中的一种重要的无线定位技术，为军用、民用提供了全天候可靠的定位服务。通过不同的终端技术可以获得米级、亚米级、厘米级等不同精度的位置服务。在传统GNSS接收机中，卫星信号的处理过程可以简单分为：信号的捕获，跟踪，PVT解算。当然在硬件中往往并没有严格意义上的捕获与跟踪模块区分。其中，捕获主要是获取可见星编号并估测可见星信号的多普勒频移、码相位参数的粗略值。跟踪环路则负责各个可见星信号的多普勒频移、码相位、载波相位的持续精确估测，是接收机终端技术的重要环节，是后续PVT模块的重要基础。同时，在高精度定位服务中，跟踪环路对上述三个参数估测为RTK等技术提供了重要的观测信息，直接影响最后定位服务质量。

跟踪环路是GNSS接收机技术中的重要环节，传统标量跟踪环路一直被惯用至今，它的设计注重单维的参数估测控制，比如载波频率控制环路(FLL)，载波相位控制环路(PLL)，码相位控制环路(DLL)分别独立负责载波频率、载波相位、码相位三个参数的估测，其中FLL,PLL,DLL都共享了一个控制环路设计方案。由于跟踪环路设计的局限性，在位置、速度、时间计算模块(PVT模块)通常需要采用Kalman滤波器进一步提高定位精度。在实际应用平台中，为了进一步提高系统的综合性能，如系统的动态性能等，多种组合环路方案也相应的被提出和采纳，用于进一步弥补传统跟踪环路的局限性。为了在跟踪环路环节提高接收机的整体性能，传统的环路设计需要进一步改进及创新。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统，本发明大大提高了参数的估测精度及动态适应范围，为后续的PVT模块，RTK等技术提供了精准的观测信息。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本发明提出的一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统，包括相关器、码鉴相器、载波相位鉴相器、第一比例增益、第一求和器、第二比例增益、第一积分器、第三比例增益、第二求和器、第二积分器、第四比例增益、第五比例增益、第三求和器、第六比例增益、第三积分器、载波NCO、第四积分器和码NCO，其中，

相关器，用于将卫星接收信号与本地载波、本地伪随机码进行相关后输出同向支路相关积分值I和正交支路相关支路积分值Q，超前同向支路相关积分值I_E，超前正交支路相关支路积分值Q_E，滞后同向支路相关积分值I_L，滞后正交支路相关支路积分值Q_L；其中，I_E,I_L,Q_E,Q_L输入至码鉴相器，I,Q输入至载波相位鉴相器；

码鉴相器，用于对I_E,I_L,Q_E,Q_L进行计算

输出码相位误差Δτ至第一比例增益；

第一比例增益，用于对Δτ乘以第一比例系数K₀后输出K₀·Δτ至第一求和器；

载波相位鉴相器，用于对I,Q进行Δθ＝tan^-1(Q/I)计算后输出载波相位差Δθ至第二比例增益、第三比例增益、第五比例增益；

第二比例增益，用于对Δθ乘以第二比例系数K₃后输出K₃·Δθ至第一积分器；

第一积分器，用于对K₃·Δθ进行积分操作后输出积分值至第二求和器；

第三比例增益，用于对Δθ乘以第三比例系数K₂后输出K₂·Δθ至第二求和器；

第二求和器，用于对接收的积分值和K₂·Δθ进行求和后输出和至第二积分器；

第二积分器，用于对接收的和进行积分运算得到载波频率误差Δf_carrier，输出载波频率误差Δf_carrier至第四比例增益、第六比例增益、载波NCO；

第五比例增益，用于对Δθ乘以第五比例系数K₁后输出K₁·Δθ至第三求和器；

第六比例增益，用于对载波频率误差Δf_carrie乘以第六增益系数2π后输出2π·Δf_carrier至第三求和器；

第三求和器，用于对接收的K₁·Δθ和2π·Δf_carrier求和后输出K₁·Δθ+2π·Δf_carrier至第三积分器；

第三积分器，用于对K₁·Δθ+2π·Δf_carrier进行积分后输出相位误差估测值Δθ₀至载波NCO；

载波NCO，用于对计算出的Δθ₀、载波频率误差Δf_carrier同时进行载波相位和载波频率更新，输出本地载波至相关器，其中码/载波NCO更新方式为频率/相位双驱动模式；

第四比例增益，用于对载波频率误差Δf_carrier乘以第四比例系数β后输出码频率误差估计Δf_code至第一求和器、码NCO；

第一求和器，用于对接收的K₀·Δτ和Δf_code相加求和后输出K₀·Δτ+Δf_code至第四积分器；

第四积分器，用于对K₀·Δτ+Δf_code进行积分处理后输出码相位误差估计Δτ₀至码NCO；

码NCO，用于对接收的Δτ₀和Δf_code进行了相位与频率更新后输出本地伪随机码信号至相关器，其中，码/载波NCO更新方式为频率/相位双驱动模式。

作为本发明所述的一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统进一步优化方案，第一比例增益、第五比例增益、第三比例增益、第二比例增益配置分为两个过程：过渡过程和稳定过程，在载波频率误差初始误差大于跟踪环路预设差值情况下采用LUT查询法来完成K₀、K₁、K₂、K₃配置；等跟踪环路过渡到稳态过程，K₀、K₁、K₂、K₃选择如下公式进行配置；

其中Q₁，Q₂，Q₃，Q₄分别为状态量码相位，载波相位，载波频率，载波频率变化率的误差协方差，R₁，R₂分别为观测量码相位与载波相位的误差协方差，q、p、E_s均为中间变量。

作为本发明所述的一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统进一步优化方案，R₁，R₂计算公式为：

其中，T为环路周期，d_o为延迟码与超前码之间的码片距离，

为信噪比；R₁R₂的值随信噪比的更新而更新，从而达到自适应控制；β为单位cycle转为单位chip的比例系数。

作为本发明所述的一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统进一步优化方案，Q₁＝10^-10，Q₂＝10^-4，Q₃＝10^-2，Q₄＝1。

作为本发明所述的一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统进一步优化方案，

其中，I为当前同向支路相关积分值，Q为当前正交支路相关支路积分值，下标E表示超前，L表示滞后，I_E为超前同向支路相关积分值，Q_E为超前正交支路相关支路积分值，I_L为滞后同向支路相关积分值，Q_L为滞后正交支路相关支路积分值。

作为本发明所述的一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统进一步优化方案，码相位误差估计Δτ₀、码频率误差估计Δf_code同时用于更新码NCO；载波相位Δθ₀与载波频率误差Δf_carrier同时用于更新载波NCO。

作为本发明所述的一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统进一步优化方案，在稳态过程中，状态量的误差协方差配置如下，Q₁＝10^-10，Q₂ Q₃的设置取决于接收机时钟模型中的Allan方差h参数，对于VCTCXO振荡器，配置Q₂＝10^-4,Q₃＝10^-2，Q₄取决于终端动态应力情况，取值范围在0到10³，低动态下取Q₄＝1。

作为本发明所述的一种高耦合GNSS接收机跟踪环路系统进一步优化方案，载波频率误差、载波相位误差、码相位误差、码频率误差四个参数对码NCO、载波NCO分别进行更新，在NCO更新过程中，对频率及相位同时更新。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)将传统FLL\DLL\PLL所需估测对象通过系统方程进行耦合估测，这样可以提高估测值得精度，同时采用单一的复合结构替代了传统的分布式的独立跟踪模式；

(2)过渡过程的跟踪系数配置采用了LUT方式，扩大了跟踪环路的牵引范围，并提高了跟踪环路的收敛速度；

(3)稳态过程的跟踪环路系数配置采用了自适应配置方法，代替了传统跟踪环路中的带宽/阻尼比双参数配置方案，在新的环路系数中，关联了载体的具体运动指标。更大程度上，提高了参数的自适应性及鲁棒性；

(4)新型跟踪环路提供了高精度载波相位，载波频率、码相位、码频率等参数，直接简化了PVT模块的复杂度，可以摒弃PVT中传统的Kalman滤波器；同时，在RTK等高精度应用技术中，也保证了观测信息的精度，从而提高了服务质量。

附图说明

图1为本发明系统结构图。

图2为环路系数K₀、K₁、K₂、K₃配置图。

图3为过渡过程环路系数K₀、K₁、K₂、K₃配置示意图。

图4为系统离散化中S对应的三种Z变化情况；其中，(a)为前向差分近似，(b)为反向差分近似，(c)为梯形近似。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例对本发明进行详细描述。

本发明的核心思想是基于传统FLL\DLL\PLL的模型提出了一种高耦合跟踪环路模型，按照从简单到复杂，从底层到上层思路按照理论架构进行系统编程，具体实施方法如下：

1首先熟悉传统跟踪环路FLL\DLL\PLL基本原理，包括信号相关模块、码相位鉴相器模块、载波相位鉴相器模块等。并熟悉图1所示本发明新型高耦合跟踪环路，对比传统跟踪环路，理解新跟踪环路的结构。

2按照本发明的环路系数K₀、K₁、K₂、K₃配置方案，分别按照过渡过程、稳定过程进行配置，在过渡过程中，主要采用LUT方式来实现环路系数的配置。

4在稳定过程中，环路系数采用图4所示方式进行实时更新。其中包括S₁、S₂、S₃、S₄、的与码相位精度要求、接收机时钟模块物理特性、载体动态情况的关联取值，R₁、R₂与输入信号特性相关的取值，最后完成K₀、K₁、K₂、K₃配置计算。

5对图1环路跟踪进行离散化处理，主要包括积分环节1/S的离散处理，及载波NCO、码NCO的频率及相位更新处理。

6最后完成每个周期的多普勒频移估测、载波相位估测、码相位估测传递给后续的PVT计算模块或RTK等其他高精度应用模块。

具体方案如下：

参见图1，本发明一种新型高耦合GNSS接收机跟踪环路设计及实现，主要包括输入信号的计算、跟踪环路参数设计计算、误差参数的估测、NCO更新四个部分组成。其中输入信号主要包括载波相位、码相位误差的计算，分别采用传统的鉴相器，在双输入之后，分别经过K₀、K₁、K₂、K₃及若干个积分环节计算得到4个反馈信号Δτ₀、Δθ₀、Δf_code、Δf_carrier，将上述所得的反馈信号用于载波NCO、码NCO的更新，从而产生新的本地信号用于下个周期的信号相关操作。

本发明方法包括如下步骤：

(1)2输入信号的计算

参见图1，输入为载波相位误差与码相位误差，分别采用与

来完成计算，其中I Q为当前支路的相关结果，I_E Q_E为超前支路的相关结果，I_L Q_L为延迟支路的相关结果。

(2)环路系数K₀、K₁、K₂、K₃及β计算

环路系数K₀、K₁、K₂、K₃配置主要分为两个过程，在载波频率误差初始误差较大的情况下需经过过渡过程来完成环路系数K₀、K₁、K₂、K₃配置，主要采用图2所示的LUT查询法，如图3所示的过渡周期，其中一个周期对应LUT中的一个步长，等过渡到稳态过程，环路系数K₀、K₁、K₂、K₃配置采用以下公式完成

在稳态过程计算中，主要涉及Q₁，Q₂，Q₃，Q₄配置及R₁ R₂的配置，其中Q₁取决于对码相位精度的要求，可以设置Q₁＝10^-10，Q₁＝10^-10，Q₂ Q₃的设置取决于接收机时钟模型中的Allan方差h参数，对于VCTCXO振荡器，配置Q₂＝10^-4,Q₃＝10^-2，Q₄取决于终端动态应力情况，取值范围在0到10³，低动态情况下取Q₄＝1；R₁ R₂的配置如下：

其中，T为环路周期，d_o为延迟码与超前码之间的码片距离，

为信噪比；R₁R₂的值随信噪比的更新而更新，从而达到自适应控制；β为单位cycle转为单位chip的比例系数(在GPS L1下β＝1/1540)。

(3)积分环节的离散化及NCO更新

在本发明系统实际执行中，需要基于离散信号处理平台，所以对积分环节1/S进行离散处理，可采用图4所示的三种情况；图4为系统离散化中S对应的三种Z变化情况；其中，图4中的(a)为前向差分近似，图4中的(b)为反向差分近似，图4中的(c)为梯形近似。在NCO更新过程中，主要为频率/相位双驱动模式，不同于传统的频率模式。

本发明原理是：通过载波相位、载波频率、码相位、码频率的内联关系设计一个高耦合跟踪环路，同时，配合灵活的环路系数配置方案，达到跟踪参数估测的高精度及适应于不同动态应力的效果。其中，在环路系数配置方案中，过渡过程可以快速收敛载波频率的估测，在稳态过程中，可以高精度、自适应地完成参数的跟踪估测，为后续的PVT、RTK等模块提供良好的观测信息。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围内。