一种实现载波跟踪处理的方法及装置
阅读说明：本技术 一种实现载波跟踪处理的方法及装置 (Method and device for realizing carrier tracking processing ) 是由 宋挥师 徐雄伟 刘晓燕 赵海龙 孙涛 于 2020-12-24 设计创作，主要内容包括：一种实现载波跟踪处理方法及装置,包括：重捕获到卫星信号时,预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率；生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波；将剥离粗捕获码的中频信号分别与生成的各载波进行混频运算；对与各载波对应的混频运算的结果分别进行积分累加,获得相应的积分累加结果；确定最大的积分累加结果,并根据最大的积分累加结果判断是否跟踪到卫星信号。本发明实施例缩短了重捕获之后重新锁定并跟踪到卫星信号的时长,提升了快速锁定信号的能力,提高了导航接收机的工作性能。(A method and a device for realizing carrier tracking processing comprise the following steps: when the satellite signal is reacquired, predicting the Doppler frequency when the satellite signal is reacquired; generating two or more carriers centered around the predicted doppler frequency; respectively carrying out mixing operation on the intermediate frequency signals stripped from the coarse capture codes and the generated carriers; respectively carrying out integral accumulation on the results of the frequency mixing operation corresponding to each carrier to obtain corresponding integral accumulation results; and determining the maximum integral accumulation result, and judging whether the satellite signal is tracked according to the maximum integral accumulation result. The embodiment of the invention shortens the time for re-locking and tracking the satellite signal after re-acquisition, improves the capability of quickly locking the signal and improves the working performance of the navigation receiver.)
技术领域
本文涉及但不限于导航技术，尤指一种实现载波跟踪处理的方法及装置。
背景技术
随着科学技术的发展，人类对导航定位技术的研究跨入了卫星定位时代。为了能够在全球范围内、全天候地提供精确地位置以及速度信息，全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)的概念被提出。全球卫星导航系统在众多领域有着非常重要的作用；包括军事、导航、勘探、监测、测量、通信授时等。随着近年民用技术的发展，全球卫星导航系统已经在日常生活中逐渐深入，从手机、个人电脑、汽车、民用飞机到导弹、战机都离不开卫星导航技术。全球导航卫星系统包括美国的全球定位系统(GPS，GlobalPosition System)、俄罗斯的全球导航卫星定位系统(GLONASS)、欧洲的伽利略(Galileo)系统和中国的北斗(BD，Compass Navigation System)系统；其中，美国的GPS是第一个覆盖全球的空间卫星导航系统，其卫星星座共有32颗卫星，采用码分多址(CDMA，Code DivisionMultiple Access)的卫星寻址方式。俄罗斯的GLONASS系统与GPS系统原理和功能类似，其卫星星座由24颗卫星组成，采用频分多址(FDMA，Frequency Division Multiple Access)的卫星寻址方式。俄罗斯正在进行GLONASS现代化工作，采用CDMA方式实现与GPS和Galileo系统的兼容。Galileo系统为欧盟一个正在建造的卫星导航定位系统，其卫星星座由30颗卫星构成，卫星寻址采用码分多址的方式。Galileo系统能够与GPS和GLONASS完成多系统的兼容并且可以提供更多的民用服务。“北斗1号”是中国自主研发的由3颗卫星组成的第一代卫星导航系统，没有测距和测高的功能。正在建设的“北斗2号”是由3颗倾斜同步轨道卫星、27颗中轨道卫星和5颗地球静止轨道卫星组成，可满足全球覆盖的条件。
作为GPS卫星导航定位系统中核心组成部分，GPS接收机主要用途就是接收卫星下发的信号，并从中提取出用于定位解算的导航电文信息和伪距观测量。因此在不同环境下需要设计高性能的基带处理算法来捕获和跟踪接收到的GPS信号，以获得导航电文和伪距观测量。在GPS卫星信号发射端，GPS载波信号上调制有粗捕获码(C/A码)和导航电文数据码；相应地，在GPS接收端，为了从接收到的卫星信号中解调出导航电文数据码，接收机进行跟踪操作时，需要通过混频彻底地剥离数字中频信号中包括的多普勒频移在内的载波，并需要通过C/A码相关运算彻底地剥离信号中的C/A码。接收机的跟踪操作由载波跟踪环路和码跟踪环路构成。接收机通过载波跟踪环路不断调整其本地复制的载波，使复制载波频率(或相位)与接收到的中频信号的载波频率(或相位)保持一致，最终通过下变频混频实现载波剥离。接收机通过码跟踪环路不断调整其本地复制的C/A码，使其复制C/A码的相位与接收到的中频信号的C/A码相位保持一致，最终通过码相关运算实现C/A码剥离。接收机实现跟踪之后，可获得用于卫星定位的精细的多普勒频移和C/A码码相位值。
相关技术中，接收机的跟踪操作基本上是以锁相环(PLL)或者锁频环(FLL)或者锁相环与锁频环结合作为基础；其中，锁相环和锁频环均由鉴别器、环路滤波器和数控振荡器(NCO)构成；其中，锁相环的鉴别器为鉴相器；锁频环的鉴别器为鉴频器；鉴别器的作用是鉴别出本地载波频率与输入信号频率之间的频率差或者相位差；环路滤波器用于滤除频率差或相位差中的环路噪声，将滤波结果反馈到下一次环路中的本地载波频率中作为修正量。图1为相关技术中导航接收机的结构框图，如图1所示，导航接收机从捕获阶段进入到跟踪阶段时，本地码数控振荡器根据捕获得到的粗略C/A码码相位复现本地C/A码，与进入到跟踪处理部分的中频信号通过相关器进行相关运算剥离C/A码。本地载波数控振荡器根据捕获得到的粗略多普勒频率复现本地载波，与剥离过C/A码的中频信号通过混频器进行混频，消除载波多普勒频率，处理结果通过积分累加单元进行积分累加提高信噪比。积分累加后的结果进入到能量检测器，能量检测器中设置有信号跟踪环路用于跟踪灵敏度判断的门限值，当跟踪环路中的载噪比大于该门限值时，认为环路可以跟踪到信号，反之则丢失信号。当能量检测器判定跟踪环路可跟踪到信号时，将积分累加后的结果用于鉴频处理得到频率差。鉴频结果经过环路滤波器进行滤除环路噪声的处理后，反馈给载波数控振荡器用于下一次修正复现载波频率。当能量检测器判定丢失信号时，跟踪环路停止工作，重新开始信号的捕获。
当能量检测器判定信号丢失时，相关技术跟踪处理的方式进行重捕获处理，在此阶段跟踪处理过程停止，待重捕获成功后再启动。而捕获得到的多普勒频率非常的粗糙，重新开启跟踪处理过程又需要长时间的牵引阶段，将较大的多普勒频差牵引到较小范围，此后才能重新锁定信号，使跟踪到的信号完成后续较为精确的解调解码，即重捕获之后重新锁定并跟踪到信号的时间较长，快速锁定信号的能力较差，影响导航接收机的工作性能。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本发明实施例提供一种实现载波跟踪处理的方法及装置，能够缩短重捕获之后重新锁定并跟踪到卫星信号的时长，提升快速锁定信号的能力，提高导航接收机的工作性能。
本发明实施例提供了一种实现载波跟踪处理的方法，包括：
重捕获到卫星信号时，预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率；
生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波；
将剥离粗捕获码的中频信号分别与生成的各载波进行混频运算；
对与各载波对应的混频运算的结果分别进行积分累加，获得相应的积分累加结果；
确定最大的积分累加结果，并根据最大的积分累加结果判断是否跟踪到卫星信号。
可选的，根据最大的积分累加结果判断跟踪到卫星信号时，所述方法还包括：
将确定的所述最大的积分累加结果进行鉴频处理，得到鉴频结果；
将得到的所述鉴频结果进行滤除环路噪声的处理后，用于进行在后一次载波频率的修正复现。
可选的，所述生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波包括：
根据接收机的载波频率及载波数，生成以预测的所述多普勒频率为中心的载波频差小于所述接收机载波频率的两个或两个以上载波。
可选的，
所述载波频差等于所述接收机的载波频率与所述载波数的商；或者，
靠近预测的所述多普勒频率的载波的所述载波频差小于远离预测的所述多普勒频率的载波的所述载波频差。
可选的，所述预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率包括：
重捕获到卫星信号时，确定重捕获到卫星信号的时间；
根据重捕获前的多普勒频率、接收机的运动状态和所述确定的重捕获到卫星信号的时间，预测所述重捕获到卫星信号时的多普勒频率。
另一方面，本发明实施例还提供一种实现载波跟踪处理的装置，包括：预测单元、载波生成单元、混频单元、累加单元、判断单元；其中，
预测单元用于：重捕获到卫星信号时，预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率；
载波生成单元用于：生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波；
混频单元用于：将剥离粗捕获码的中频信号分别与生成的各载波进行混频运算；
累加单元用于：对与各载波对应的混频运算的结果分别进行积分累加，获得相应的积分累加结果；
判断单元用于：确定最大的积分累加结果，并根据最大的积分累加结果判断是否跟踪到卫星信号。
可选的，所述装置还包括鉴频单元和环路噪声处理单元；其中，
鉴频单元用于：将确定的所述最大的积分累加结果进行鉴频处理，得到鉴频结果；
环路噪声处理单元用于：将得到的所述鉴频结果进行滤除环路噪声的处理后，用于进行在后一次载波频率的修正复现。
可选的，所述载波生成单元具体用于：
根据接收机的载波频率及载波数，生成以预测的所述多普勒频率为中心的载波频差小于所述接收机载波频率的两个或两个以上载波。
可选的，
所述载波频差等于所述接收机的载波频率与所述载波数的商；或者，
靠近预测的所述多普勒频率的载波的所述载波频差小于远离预测的所述多普勒频率的载波的所述载波频差。
可选的，所述预测单元具体用于：
重捕获到卫星信号时，确定重捕获到卫星信号的时间；
根据重捕获前的多普勒频率、接收机的运动状态和所述确定的重捕获到卫星信号的时间，预测所述重捕获到卫星信号时的多普勒频率。
再一方面，本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述方法。
还一方面，本发明实施例还提供一种终端，包括：存储器和处理器；其中，
处理器被配置为执行存储器中的程序指令；
程序指令在处理器读取执行以下操作：
重捕获到卫星信号时，预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率；
生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波；
将剥离粗捕获码的中频信号分别与生成的各载波进行混频运算；
对与各载波对应的混频运算的结果分别进行积分累加，获得相应的积分累加结果；
确定最大的积分累加结果，并根据最大的积分累加结果判断是否跟踪到卫星信号。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：重捕获到卫星信号时，预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率；生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波；将剥离粗捕获码的中频信号分别与生成的各载波进行混频运算；对与各载波对应的混频运算的结果分别进行积分累加，获得相应的积分累加结果；确定最大的积分累加结果，并根据最大的积分累加结果判断是否跟踪到卫星信号。本发明实施例缩短了重捕获之后重新锁定并跟踪到卫星信号的时长，提升了快速锁定信号的能力，提高了导航接收机的工作性能。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
图1为相关技术中导航接收装置的结构框图；
图2为本发明实施例实现载波跟踪处理的方法的流程图；
图3为本发明实施例实现载波跟踪处理的装置的结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图2为本发明实施例实现载波跟踪处理的方法的流程图，如图2所示，包括：
步骤201、重捕获到卫星信号时，预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率；
可选的，本发明实施例预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率包括：
重捕获到卫星信号时，确定重捕获到卫星信号的时间；
根据重捕获前的多普勒频率、接收机的运动状态和所述确定的重捕获到卫星信号的时间，预测所述重捕获到卫星信号时的多普勒频率。
步骤202、生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波；
可选的，本发明实施例生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波包括：
根据接收机的载波频率及载波数，生成以预测的所述多普勒频率为中心的载波频差小于所述接收机载波频率的两个或两个以上载波。
可选的，本发明实施例：
所述载波频差等于所述接收机的载波频率与所述载波数的商；或者，
靠近预测的所述多普勒频率的载波的所述载波频差小于远离预测的所述多普勒频率的载波的所述载波频差。
步骤203、将剥离粗捕获码的中频信号分别与生成的各载波进行混频运算；
步骤204、对与各载波对应的混频运算的结果分别进行积分累加，获得相应的积分累加结果；
步骤205、确定最大的积分累加结果，并根据最大的积分累加结果判断是否跟踪到卫星信号。
可选的，根据最大的积分累加结果判断跟踪到卫星信号时，本发明实施例方法还包括：
将确定的所述最大的积分累加结果进行鉴频处理，得到鉴频结果；
将得到的所述鉴频结果进行滤除环路噪声的处理后，用于进行在后一次载波频率的修正复现。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：重捕获到卫星信号时，预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率；生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波；将剥离粗捕获码的中频信号分别与生成的各载波进行混频运算；对与各载波对应的混频运算的结果分别进行积分累加，获得相应的积分累加结果；确定最大的积分累加结果，并根据最大的积分累加结果判断是否跟踪到卫星信号。本发明实施例缩短了重捕获之后重新锁定并跟踪到卫星信号的时长，提升了快速锁定信号的能力，提高了导航接收机的工作性能。
图3为本发明实施例实现载波跟踪处理的装置的结构框图，如图3所示，包括：预测单元、载波生成单元、混频单元、累加单元、判断单元；其中，
预测单元用于：重捕获到卫星信号时，预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率；
可选的，所述预测单元具体用于：
重捕获到卫星信号时，确定重捕获到卫星信号的时间；
根据重捕获前的多普勒频率、接收机的运动状态和所述确定的重捕获到卫星信号的时间，预测所述重捕获到卫星信号时的多普勒频率。
载波生成单元用于：生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波；
可选的，所述载波生成单元具体用于：
根据接收机的载波频率及载波数，生成以预测的所述多普勒频率为中心的载波频差小于所述接收机载波频率的两个或两个以上载波。
可选的，本发明实施例：
所述载波频差等于所述接收机的载波频率与所述载波数的商；或者，
靠近预测的所述多普勒频率的载波的所述载波频差小于远离预测的所述多普勒频率的载波的所述载波频差。
混频单元用于：将剥离粗捕获码的中频信号分别与生成的各载波进行混频运算；
累加单元用于：对与各载波对应的混频运算的结果分别进行积分累加，获得相应的积分累加结果；
判断单元用于：确定最大的积分累加结果，并根据最大的积分累加结果判断是否跟踪到卫星信号。
可选的，本发明实施例装置还包括鉴频单元和环路噪声处理单元；其中，
鉴频单元用于：将确定的所述最大的积分累加结果进行鉴频处理，得到鉴频结果；
环路噪声处理单元用于：将得到的所述鉴频结果进行滤除环路噪声的处理后，用于进行在后一次载波频率的修正复现。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：重捕获到卫星信号时，预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率；生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波；将剥离粗捕获码的中频信号分别与生成的各载波进行混频运算；对与各载波对应的混频运算的结果分别进行积分累加，获得相应的积分累加结果；确定最大的积分累加结果，并根据最大的积分累加结果判断是否跟踪到卫星信号。本发明实施例缩短了重捕获之后重新锁定并跟踪到卫星信号的时长，提升了快速锁定信号的能力，提高了导航接收机的工作性能。
本发明实施例还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质中存储有计算机可执行指令，所述计算机可执行指令用于执行上述方法。
还一方面，本发明实施例还提供一种终端，包括：存储器和处理器；其中，
处理器被配置为执行存储器中的程序指令；
程序指令在处理器读取执行以下操作：
重捕获到卫星信号时，预测重捕获到卫星信号时的多普勒频率；
生成以预测的多普勒频率为中心的两个或两个以上载波；
将剥离粗捕获码的中频信号分别与生成的各载波进行混频运算；
对与各载波对应的混频运算的结果分别进行积分累加，获得相应的积分累加结果；
确定最大的积分累加结果，并根据最大的积分累加结果判断是否跟踪到卫星信号。
以下通过应用示例对本发明实施例方法进行清楚详细的说明，应用示例仅用于陈述本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
应用示例
本应用示例假设中频信号为S(t)＝AC(t)D(t)cos(2πfst)；其中，A为中频信号振幅，C(t)为信号C/A码，D(t)为调制后的导航电文，fs为导航接收机跟踪操作时接收到的中频信号频率；
当捕获模块成功地捕获到可见卫星后；将捕获得到的粗略C/A码码相位作为本地码NCO的初始码相位生成C/A码，将捕获得到的粗略多普勒频率作为本地载波NCO的初始频率值生成本地载波；通常本地载波信号采用同相(I)路和正交(Q)路两路相互正交的信号与中频信号进行处理。
假设相关处理可以完全将C/A码剥离，则经过相关处理后的相关信号为r(t)＝AD(t)cos(2πfst)；
本地载波信号建模为：
LI(t)＝cos(2πfIt)
LQ(t)＝sin(2πfIt)；
其中，fI为捕获得到的粗略多普勒频率；
剥离C/A码后的相关信号与本地载波进行图像抑制处理，处理结果为：
积分累加的处理相当于低通滤波器，滤除高频信号，则上述结果中的二倍频信号被滤除，积分累加后的结果为：
根据上述积分累加后的结果进行载噪比的计算，计算内容包括：
计算每一时刻积分结果的平方和序列Z，即i为当前时刻；
Z序列的均值为和方差为
信号功率的均值，即
噪声方差，即
载噪比T为积分时间。
当载噪比低于预设的预设门限值时，认为跟踪环路中的信号失锁，返回到捕获操作过程进入重捕获；大于预设的载噪门限值时，则认为信号跟踪良好。当载噪比高于门限值时，进入鉴频器进行鉴频处理。
根据上述积分累加后的结果进行鉴频，鉴频处理的计算包括：
其中，T为积分时间，Δf＝fI-fs即为接收信号与本地信号之间的频率差。
当确定进入重捕获时(通过能量检测器判定卫星信号丢失)，跟踪处理过程停止，开始重捕获；本应用示例通过预设的计数器记录这段信号丢失的时间，当重新捕获到信号，计数器停止计数，转入跟踪处理。
假设计数器记录的时间为Δt，即卫星信号丢失的时间间隔为Δt。根据信号丢失前一刻载波数控振荡器中的载波频率fb和运动状态可预测多普勒频率。假设信号丢失前一刻接收机与卫星的径向运动速度为v0，加速度为a，加速度变化率为b。
可得当信号重新捕获时预测的运动速度为：
那么预测的多普勒频率为：
以预测的多普勒频率fp为中心，在[fp-n·Δf,fp+n·Δf]频率范围内每隔Δf设定一个载波；其中，Δf值可以设置为非常小；
本应用示例可以设定载波频差等于接收机的载波频率与载波数的商，即生成的各载波的载波频差相等；
本应用示例也可以设定靠近预测的多普勒频率的载波的载波频差小于远离预测的多普勒频率的载波的载波频差。
生成的多个载波分别与剥离C/A码的中频信号进行混频，并进行积分累加运算；根据中心频率fp计算载噪比后，各路积分累加结果进入鉴频器进行鉴频处理。选择频差最小的那一路(积分累加结果最大的一路)作为后续载波数控振荡器生成载波频率的基准频率；假定最小载波频差为Δfmin，最小载波频差对应的基准频率为fI。并将该最小载波频差送入环路滤波器去除噪声，滤噪后的结果作为修正项反馈到数控振荡器中，即fI-next＝fI-Δfmin。
本应用示例可以在重捕获之后通过对多普勒频率的预测在小范围内搜索频率，快速地锁定信号，大大提高了跟踪环路的性能。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件(例如处理器)完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地，上述实施例中的每个模块/单元可以采用硬件的形式实现，例如通过集成电路来实现其相应功能，也可以采用软件功能模块的形式实现，例如通过处理器执行存储于存储器中的程序/指令来实现其相应功能。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。
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