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 于 2020-12-18 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：载波环和码环均锁定时,比较环路带宽与鉴频处理得到的频率差的大小；根据环路带宽与频率差的大小比较结果,调整预设的环路滤波器的增益,以通过环路滤波器的增益调整实现环路带宽的调整；通过增益调整过的环路滤波器,对鉴频处理得到的频率差进行噪声滤除处理,并将噪声滤除处理后的频率差用于在后一次的载波频率的修正。本发明实施例减小了载波跟踪时的频率收敛范围,缩短了环路的锁定时长,提升了导航接收机的跟踪性能。(A method and a device for realizing carrier tracking processing comprise the following steps: when the carrier ring and the code ring are locked, comparing the loop bandwidth with the frequency difference obtained by frequency discrimination processing; adjusting the gain of a preset loop filter according to the comparison result of the loop bandwidth and the frequency difference, so as to adjust the loop bandwidth through the gain adjustment of the loop filter; and performing noise filtering processing on the frequency difference obtained by the frequency discrimination processing through a loop filter with the adjusted gain, and using the frequency difference after the noise filtering processing for the correction of the carrier frequency at the next time. The embodiment of the invention reduces the frequency convergence range during carrier tracking, shortens the locking time of a loop and improves the tracking performance of a 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装置的结构框图，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图像抑制处理，处理结果通过积分单元进行积分累加提高信噪比。载噪比单元根据积分累加后的结果计算载噪比，积分累加后的结果同时通过鉴频器进行鉴频处理得到频率差。若计算获得的载噪比高于预设的门限值，则通过环路锁定检测单元判断确定码环锁定良好；若计算获得的载噪比低于预设的门限值，则通过环路锁定检测单元判断确定码环失锁；若鉴频结果大于锁频环的工作范围，则载波环失锁；若鉴频结果在锁频环的工作范围，则载波环锁定良好。载波环和码环相互关联，一旦一个失锁则另一个也随后会失锁。当环路锁定检测判定两个环路都锁定，则将鉴频结果送入环路滤波器，环路滤波器的带宽参数作为跟踪环路的初始设置参数预先设定好。鉴频结果经过预设带宽的环路滤波器进行滤除环路噪声的处理，并将结果反馈给载波数控振荡器用于下一次修正复现载波频率。若环路锁定检测判定有任一环路失锁，则跳出跟踪处理，进入重捕获阶段。
由于环路滤波器的设计固定，其环路带宽固定，而在不同的工作场景下，使用同一组环路滤波器的参数(带宽、阻尼系数等)将影响导航接收机的工作性能。例如，当初始的频差较小时，若初始的环路带宽设置较大，则在载波环路修正载波频率的过程中会发生修正频率大于实际频差的情况，增大了频率收敛范围，使得环路的锁定时间较长。例如，当初始的频差较大，若初始的环路带宽设置较小，使得环路修正载波频率小于实际频差，使得调节过程发生振荡，增大了锁定环路的时间。
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，能够减小载波跟踪时的频率收敛范围，缩短环路的锁定时长，提升导航接收机的跟踪性能。
本发明实施例提供了一种实现载波跟踪处理的方法，包括：
载波环和码环均锁定时，比较环路带宽与鉴频处理得到的频率差的大小；
根据环路带宽与频率差的大小比较结果，调整预设的环路滤波器的增益，以通过环路滤波器的增益调整实现环路带宽的调整；
通过增益调整过的环路滤波器，对鉴频处理得到的频率差进行噪声滤除处理，并将噪声滤除处理后的频率差用于在后一次的载波频率的修正。
可选的，所述调整预设的环路滤波器的增益包括：
鉴频处理得到的所述频率差等于所述环路带宽时，保持所述预设的环路滤波器增益不变；
鉴频处理得到的所述频率差大于所述环路带宽时，增大所述预设的环路滤波器的增益；
鉴频处理得到的所述频率差小于所述环路带宽时，减小所述预设的环路滤波器的增益。
可选的，所述调整预设的环路滤波器的增益包括：
根据环路带宽与频率差的大小比较结果，结合预设的增益调整映射表对所述预设的环路滤波器的增益进行调整。
可选的，所述增益调整预设表包括根据以下方式生成的映射关系表：
确定频率差大于所述环路带宽时的第一频率变化区间，及频率差小于所述环路带宽时的第二频率变化区间；
按照预设的第一对应关系，设置所述第一频率变化区间内的频率差与第一增益变化区间的增益值成正比；
按照预设的第二对应关系，设置所述第二频率变化区间内的频率差与第二增益变化区间的增益值成正比；
其中，所述第一增益变化区间的取值范围包括：第一取值到1；
所述第二增益变化区间的取值范围包括：1至第二取值。
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：比较单元、调整单元和处理单元；其中，
比较单元用于：载波环和码环均锁定时，比较环路带宽与鉴频处理得到的频率差的大小；
调整单元用于：根据环路带宽与频率差的大小比较结果，调整预设的环路滤波器的增益，以通过环路滤波器的增益调整实现环路带宽的调整；
处理单元用于：通过增益调整过的环路滤波器，对鉴频处理得到的频率差进行噪声滤除处理，并将噪声滤除处理后的频率差用于在后一次的载波频率的修正。
可选的，所述调整单元具体用于：
鉴频处理得到的所述频率差等于所述环路带宽时，保持所述预设的环路滤波器增益不变；
鉴频处理得到的所述频率差大于所述环路带宽时，增大所述预设的环路滤波器的增益；
鉴频处理得到的所述频率差小于所述环路带宽时，减小所述预设的环路滤波器的增益。
可选的，所述调整单元具体用于：
根据所述环路带宽与所述频率差的大小比较结果，结合预设的增益调整映射表对所述预设的环路滤波器的增益进行调整。
可选的，所述装置还包括映射单元，用于根据以下方式生成增益调整映射表：
确定频率差大于所述环路带宽时的第一频率变化区间，及频率差小于所述环路带宽时的第二频率变化区间；
按照预设的第一对应关系，设置所述第一频率变化区间内的频率差与第一增益变化区间的增益值成正比；
按照预设的第二对应关系，设置所述第二频率变化区间内的频率差与第二增益变化区间的增益值成正比；
其中，所述第一增益变化区间的取值范围包括：第一取值到1；
所述第二增益变化区间的取值范围包括：1至第二取值。
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：
载波环和码环均锁定时，比较环路带宽与鉴频处理得到的频率差的大小；
根据环路带宽与频率差的大小比较结果，调整预设的环路滤波器的增益，以通过环路滤波器的增益调整实现环路带宽的调整；
通过增益调整过的环路滤波器，对鉴频处理得到的频率差进行噪声滤除处理，并将噪声滤除处理后的频率差用于在后一次的载波频率的修正。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：载波环和码环均锁定时，比较环路带宽与鉴频处理得到的频率差的大小；根据环路带宽与频率差的大小比较结果，调整预设的环路滤波器的增益，以通过环路滤波器的增益调整实现环路带宽的调整；通过增益调整过的环路滤波器，对鉴频处理得到的频率差进行噪声滤除处理，并将噪声滤除处理后的频率差用于在后一次的载波频率的修正。本发明实施例减小了载波跟踪时的频率收敛范围，缩短了环路的锁定时长，提升了导航接收机的跟踪性能。
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、载波环和码环均锁定时，比较环路带宽与鉴频处理得到的频率差的大小；
步骤202、根据环路带宽与频率差的大小比较结果，调整预设的环路滤波器的增益，以通过环路滤波器的增益调整实现环路带宽的调整；
可选的，本发明实施例调整预设的环路滤波器的增益包括：
鉴频处理得到的所述频率差等于所述环路带宽时，保持所述预设的环路滤波器增益不变；
鉴频处理得到的所述频率差大于所述环路带宽时，增大所述预设的环路滤波器的增益；
鉴频处理得到的所述频率差小于所述环路带宽时，减小所述预设的环路滤波器的增益。
可选的，本发明实施例调整预设的环路滤波器的增益包括：
根据环路带宽与频率差的大小比较结果，结合预设的增益调整映射表对所述预设的环路滤波器的增益进行调整。
可选的，本发明实施例增益调整预设表包括根据以下方式生成的映射关系表：
确定频率差大于所述环路带宽时的第一频率变化区间，及频率差小于所述环路带宽时的第二频率变化区间；
按照预设的第一对应关系，设置所述第一频率变化区间内的频率差与第一增益变化区间的增益值成正比；
按照预设的第二对应关系，设置所述第二频率变化区间内的频率差与第二增益变化区间的增益值成正比；
其中，所述第一增益变化区间的取值范围包括：第一取值到1；
所述第二增益变化区间的取值范围包括：1至第二取值。
步骤203、通过增益调整过的环路滤波器，对鉴频处理得到的频率差进行噪声滤除处理，并将噪声滤除处理后的频率差用于在后一次的载波频率的修正。
与相关技术相比，本申请技术方案包括：载波环和码环均锁定时，比较环路带宽与鉴频处理得到的频率差的大小；根据环路带宽与频率差的大小比较结果，调整预设的环路滤波器的增益，以通过环路滤波器的增益调整实现环路带宽的调整；通过增益调整过的环路滤波器，对鉴频处理得到的频率差进行噪声滤除处理，并将噪声滤除处理后的频率差用于在后一次的载波频率的修正。本发明实施例减小了载波跟踪时的频率收敛范围，缩短了环路的锁定时长，提升了导航接收机的跟踪性能。
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：比较单元、调整单元和处理单元；其中，
比较单元用于：载波环和码环均锁定时，比较环路带宽与鉴频处理得到的频率差的大小；
调整单元用于：根据环路带宽与频率差的大小比较结果，调整预设的环路滤波器的增益，以通过环路滤波器的增益调整实现环路带宽的调整；
处理单元用于：通过增益调整过的环路滤波器，对鉴频处理得到的频率差进行噪声滤除处理，并将噪声滤除处理后的频率差用于在后一次的载波频率的修正。
可选的，本发明实施例调整单元具体用于：
鉴频处理得到的所述频率差等于所述环路带宽时，保持所述预设的环路滤波器增益不变；
鉴频处理得到的所述频率差大于所述环路带宽时，增大所述预设的环路滤波器的增益；
鉴频处理得到的所述频率差小于所述环路带宽时，减小所述预设的环路滤波器的增益。
可选的，本发明实施例调整单元具体用于：
根据所述环路带宽与所述频率差的大小比较结果，结合预设的增益调整映射表对所述预设的环路滤波器的增益进行调整。
可选的，本发明实施例装置还包括映射单元，用于根据以下方式生成增益调整映射表：
确定频率差大于所述环路带宽时的第一频率变化区间，及频率差小于所述环路带宽时的第二频率变化区间；
按照预设的第一对应关系，设置所述第一频率变化区间内的频率差与第一增益变化区间的增益值成正比；
按照预设的第二对应关系，设置所述第二频率变化区间内的频率差与第二增益变化区间的增益值成正比；
其中，所述第一增益变化区间的取值范围包括：第一取值到1；
所述第二增益变化区间的取值范围包括：1至第二取值。
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实现载波跟踪处理的方法。
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：
载波环和码环均锁定时，比较环路带宽与鉴频处理得到的频率差的大小；
根据环路带宽与频率差的大小比较结果，调整预设的环路滤波器的增益，以通过环路滤波器的增益调整实现环路带宽的调整；
通过增益调整过的环路滤波器，对鉴频处理得到的频率差进行噪声滤除处理，并将噪声滤除处理后的频率差用于在后一次的载波频率的修正。
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。
本应用示例根据上述计算的载噪比和频率差，进行环路锁定检测，检测方法可参考如下：
载噪比用于检测码环是否锁定，当载噪比大于预设载噪门限值，则锁定检测器认为码环锁定良好；当载噪比小于预设载噪门限值，则信号失锁；
频率差用于检测载波环是否锁定，若频率差小于预设频率门限值，即在一个小范围内抖动，则锁定检测器认为载波环锁定良好；频率差大于预设频率门限值时，则信号失锁。
载波环和码环任一个环路失锁，随着时间的推移，另一个环路也会失锁。当载波环和码环均锁定信号，则环路锁定。若环路锁定检测失败，则跳出跟踪处理过程，进入重捕获阶段。
若判定跟踪环跟踪，则鉴频输出结果送入环路滤波器进行滤除环路噪声的处理。环路滤波器的参数是在跟踪环路初始化时预先设计好的，本应用示例假设环路带宽为BL/2，增益系数为1。
鉴频器输出的频率差进入增益控制检测，检测方法如下：
频率差等于BL/2，此时环路滤波器的带宽相对于当前频率差是非常匹配的，那么判定无须调整增益系数；
频率差小于BL/2，此时环路滤波器的带宽相对于当前频率差偏大，即接收信号的频率与本地载波频率之间的误差非常小。此时判定需要调小增益系数；
频率差大于BL/2，此时环路滤波器的带宽相对于当前频率差偏小，即信号间的误差较大。此时判定需要适量调大增益系数。
根据判定结果调节增益系数，调节系数的方法如下：
判定结果为不调整增益系数，即增益系数保持1不变；
判定结果为调小增益系数时，增益系数设定为小于1的值。为保证环路仍有足够的灵敏度，增益系数不能无限制地趋近于0。频率误差为0时，增益系数取最小值，可以设定为0.618(也可以由本领域技术人员进行分析后确定为其他小于1的值)。频率误差最大不超过BL/2，则增益系数最大不超过1。增益系数在[0.618,1)的区间里作频率差与增益系数对应的增益调整映射表。根据鉴频器传送过来的频率误差，在增益调整映射表中找到对应的增益系数；
判定结果为增大增益系数时，为保证环路有较快地锁定速度，增益系数设定为大于1的值。为了避免过度调节的现象使环路调出收敛区间而失锁，增益系数最好不超过5。因此，增益系数在(1,5]的区间内作频率差与增益系数对应的增益调整映射表。根据鉴频器传送过来的频率误差，在增益调整映射表中找到对应的增益系数。
生成增益调整映射表的方法如下示例：
根据锁频环的工作环境，预先设计好环路滤波器的结构，确定环路滤波器的初始化参数指标，假设环路带宽为BL/2；
根据锁频环的跟踪门限，确定鉴频器输出的频率误差的范围，假定频率误差Δf绝对值的范围在[0,fmax]；其中，fmax时能保证环路锁定条件下的最大频率误差；
表1中的Δf分为三个区间：
频率误差|Δf|
[0,BL/2)
BL/2
(BL/2,f<sub>max</sub>]
增益系数K
[0.618,1)
1
(1,5]
根据量化准则对BL/2左右两个区间进行量化，根据判断频率差在哪个区间内，寻找对应的增益系数。也可在频率差和增益系数之间建立一一映射的函数关系制表，使得每次鉴频器输出的频率误差都能在查找表中找到对应的适应的增益系数。
根据上述计算得到环路中需要调整的增益系数，将频率误差通过调整过增益系数的环路滤波器中进行滤除环路噪声的处理。滤除噪声后的频率差作为修正量反馈到下一次环路中在载波NCO生成本地载波信号的初始频率，即fI-next＝fI-Δf。
经仿真验证，在接收机进行跟踪时，较之相关技术，虽然环路滤波器的结构都是固定设计的，但是由于增益系数可调，其环路带宽等效于可调的。在频率误差较大时，较相关技术有更快地锁定速度；在频率误差较小时，避免了环路振荡，使频率可以稳定的输出。因此，本发明实施例提高了跟踪速度，提升了导航接收机的跟踪性能。
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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