基于二阶锁频环和三阶锁相环的北斗载波跟踪方法及系统与流程

本技术涉及北斗卫星导航信号接收，更具体地说，本技术涉及一种基于二阶锁频环和三阶锁相环的北斗载波跟踪方法及系统。

背景技术：

1、北斗卫星导航信号接收技术是实现定位、测速和授时功能的重要基础技术，其主要用于对卫星播发的导航信号进行接收、捕获、跟踪和测量处理，在北斗接收机中，载波跟踪环路直接影响多普勒频率牵引、载波相位观测和后续导航解算结果，随着北斗系统在车载导航、无人机控制、测绘作业和应急通信等场景中的应用扩展，接收机需要在载体运动状态变化和信号功率波动条件下持续保持载波跟踪，为高精度定位和连续导航提供基础支撑。

2、在现有技术中，北斗载波跟踪通常采用锁频环和锁相环配合工作的方式，其中锁频环具备较宽的多普勒频率牵引范围，锁相环能够提供较高精度的载波相位观测结果，为兼顾二者优势，现有技术中已存在锁频环辅助锁相环的联合跟踪方式，然而，在复杂接收环境下，载体运动可能使多普勒频率呈现匀加速或变加速变化，遮挡、衰减等因素又可能导致载噪比下降，传统联合跟踪环路的带宽、阻尼系数和积分周期多依赖固定预设，难以根据载体动态变化和环路工况进行适配，容易造成动态响应不足、抗噪能力下降、收敛时间延长或者弱信号下鉴相模糊，特别是在高动态和弱信号同时存在时，单纯扩大环路带宽会引入更多噪声，简单延长积分周期又会加剧动态应力引起的相位旋转，因此，如何实现高动态与弱信号接收环境下北斗载波跟踪环路参数和实时工况之间的协同调控，从而提高北斗载波跟踪过程的稳健程度成为了业界面临的难题。

技术实现思路

1、本技术提供一种基于二阶锁频环和三阶锁相环的北斗载波跟踪方法及系统，可实现高动态与弱信号接收环境下北斗载波跟踪环路参数和实时工况之间的协同调控，从而提高北斗载波跟踪过程的稳健程度。

2、第一方面，本技术提供一种基于二阶锁频环和三阶锁相环的北斗载波跟踪方法，包括如下步骤：

3、对捕获的北斗卫星信号进行相干积分处理，得到双通道积分值，并根据所述双通道积分值计算载噪比估计值；

4、在信号捕获成功后进入跟踪启动流程，根据多普勒频率峰值的历史数据判定当前多普勒频率的变化模式，进而在二阶锁频环的频率闭环跟踪达到收敛条件后将跟踪任务过渡至二阶锁频环辅助三阶锁相环的联合跟踪模式；

5、在所述联合跟踪模式达到稳态后，根据鉴相残差的统计量判定三阶锁相环当前的工况类别，并通过所述工况类别对三阶锁相环的阻尼系数进行协同调整；

6、当所述载噪比估计值低于预设门限时，并行建立短积分通道和长积分通道，所述长积分通道利用桥接校准机制修正所述短积分通道的相位控制量，通过所述相位控制量进行载波跟踪。

7、在本实施例中，对捕获的北斗卫星信号进行相干积分处理，得到双通道积分值具体包括：

8、对任意北斗卫星信号进行信号捕获，基于捕获的参数构建基于导频分量的双通道结构，设定数据接口和通道使用优先级并进行初始化操作；

9、初始化完成后进行相干积分处理的周期循环，分为同相支路和正交支路并获取对应基带信号，得到双通道积分值；

10、在积分周期结束时，锁存双通道积分值并发出积分就绪的指令。

11、在本实施例中，根据所述双通道积分值计算载噪比估计值具体包括：

12、在接收到积分就绪的指令时，读取导频通道的同相积分值和正交积分值；

13、对导频通道的同相积分值和正交积分值进行窄带功率和宽带功率的测量，根据窄带功率测量结果和宽带功率测量结果确定载噪比估计值；

14、将载噪比估计值存入寄存器，并在每个积分周期更新一次载噪比估计值。

15、在本实施例中，在信号捕获成功后进入跟踪启动流程，根据多普勒频率峰值的历史数据判定当前多普勒频率的变化模式具体包括：

16、在捕获信号的过程中保存多普勒频率峰值的历史数据；

17、读取多普勒频率峰值的历史数据，对所述历史数据进行差分处理，得到差分处理结果；

18、根据所述差分处理结果的统计特征判定当前多普勒频率所处的变化模式；

19、并根据所述变化模式的分类结果预设第二阶段跟踪的初始环路带宽和第三阶段跟踪的初始中心频率偏移量。

20、在本实施例中，在二阶锁频环的频率闭环跟踪达到收敛条件后将跟踪任务过渡至二阶锁频环辅助三阶锁相环的联合跟踪模式具体包括：

21、在变化模式判定完成后进入第二阶段跟踪，启用二阶锁频环进行频率闭环跟踪，获取频率误差并通过环路滤波器对频率误差进行滤波处理；

22、在频率闭环跟踪阶段，监测频率误差估计值的统计量，将所述统计量与收敛门限和稳定门限进行比较；

23、当所述统计量满足所述收敛门限和所述稳定门限时，判定频率闭环跟踪完成；

24、在频率闭环跟踪完成后进入第三阶段，将跟踪任务过渡至二阶锁频环辅助三阶锁相环的联合跟踪模式，执行带宽渐变和辅助增益渐变，得到二阶锁频环的辅助增益系数。

25、在本实施例中，在所述联合跟踪模式达到稳态后，根据鉴相残差的统计量判定三阶锁相环当前的工况类别具体包括：

26、在联合跟踪模式达到稳态后，建立滑动窗口数据缓冲区，在每个积分周期将当前的鉴相残差存入所述滑动窗口数据缓冲区；

27、对所述滑动窗口数据缓冲区内存储的鉴相残差进行统计处理，得到残差绝对值均值、残差绝对值峰值和残差符号翻转次数；

28、当所述残差绝对值均值小于第一门限、所述残差绝对值峰值小于第二门限且所述残差符号翻转次数大于第三门限时，判定三阶锁相环当前处于稳定跟踪状态，并将稳定跟踪状态作为三阶锁相环当前的工况类别；

29、当所述残差绝对值峰值大于等于第二门限、所述残差绝对值均值仍小于第一门限且所述残差绝对值峰值超过第二门限的持续时间不超过两个积分周期时，判定三阶锁相环当前处于噪声尖峰状态，并将噪声尖峰状态作为三阶锁相环当前的工况类别；

30、当所述残差绝对值均值小于第一门限、所述残差绝对值峰值小于第二门限且所述残差符号翻转次数大于第三门限这三个条件任一不满足时，判定三阶锁相环当前处于动态冲击状态，并将动态冲击状态作为三阶锁相环当前的工况类别。

31、在本实施例中，通过所述工况类别对三阶锁相环的阻尼系数进行协同调整具体包括：

32、当所述工况类别判定为稳定跟踪状态时，将三阶锁相环的阻尼系数设置为标称值；

33、当所述工况类别判定为动态冲击状态时，执行阻尼系数增大的操作，得到增大后的阻尼系数；

34、当所述工况类别判定为噪声尖峰状态时，维持三阶锁相环当前的阻尼系数不变；

35、根据调整后的阻尼系数同步更新二阶锁频环的辅助增益系数。

36、在本实施例中，当所述载噪比估计值低于预设门限时，并行建立短积分通道和长积分通道，所述长积分通道利用桥接校准机制修正所述短积分通道的相位控制量具体包括：

37、设置载噪比触发门限，读取载噪比估计值，采用迟滞比较方式判断是否启动积分周期动态分集策略；

38、当所述积分周期动态分集策略被触发启动后，并行建立短积分通道和长积分通道，并根据工况类别设定长积分周期；

39、基于桥接校准机制，在一个长积分周期开始时，将短积分通道的相位误差累积寄存器清零，并初始化短积分相位误差累加器；

40、在长积分周期内的每个短积分周期结束时，获取短积分通道的短积分相位误差值，并将所述短积分相位误差值累加至所述短积分相位误差累加器；

41、在长积分周期结束时，获取长积分通道的长积分相位误差值；

42、根据所述长积分相位误差值和所述短积分相位误差累加器的累加结果确定平摊修正量；

43、在下一个长积分周期内的每个短积分周期中，将所述平摊修正量叠加到短积分通道的相位控制量上。

44、在本实施例中，通过所述相位控制量进行载波跟踪具体包括：

45、将所述相位控制量与二阶锁频环输出的频率调整分量以及基准频率分量进行累加，得到每个短积分周期的载波数控振荡器频率控制字；

46、通过载波数控振荡器频率控制字驱动载波数控振荡器生成与接收信号载波频率和相位保持同步的本地载波信号；

47、在每个积分周期从载波数控振荡器的相位累加器中读取整周期计数值和分数相位值，将整周期计数值和分数相位值合并为对应积分周期的载波相位测量值；

48、从二阶锁频环的积分支路累积寄存器中读取载波多普勒频率测量值；

49、对数据通道同相积分值进行符号判决，并对跨越多个积分周期的同一电文比特的多次判决结果进行多数表决，得到导航电文比特流；

50、将所有的载波相位测量值、所述载波多普勒频率测量值和所述导航电文比特流作为载波跟踪结果。

51、第二方面，本技术提供一种基于二阶锁频环和三阶锁相环的北斗载波跟踪系统，用于执行一种基于二阶锁频环和三阶锁相环的北斗载波跟踪方法，所述北斗载波跟踪系统包括：

52、信号捕获模块，用于对捕获的北斗卫星信号进行相干积分处理，得到双通道积分值，并根据所述双通道积分值计算载噪比估计值；

53、跟踪启动模块，用于在信号捕获成功后进入跟踪启动流程，根据多普勒频率峰值的历史数据判定当前多普勒频率的变化模式，进而在二阶锁频环的频率闭环跟踪达到收敛条件后将跟踪任务过渡至二阶锁频环辅助三阶锁相环的联合跟踪模式；

54、跟踪协同模块，用于在所述联合跟踪模式达到稳态后，根据鉴相残差的统计量判定三阶锁相环当前的工况类别，并通过所述工况类别对三阶锁相环的阻尼系数进行协同调整；

55、跟踪控制模块，用于当所述载噪比估计值低于预设门限时，并行建立短积分通道和长积分通道，所述长积分通道利用桥接校准机制修正所述短积分通道的相位控制量，通过所述相位控制量进行载波跟踪。

56、本技术公开的实施例提供的技术方案具有以下有益效果：

57、对捕获的北斗卫星信号进行相干积分处理，得到双通道积分值，并根据所述双通道积分值计算载噪比估计值；在信号捕获成功后进入跟踪启动流程，根据多普勒频率峰值的历史数据判定当前多普勒频率的变化模式，进而在二阶锁频环的频率闭环跟踪达到收敛条件后将跟踪任务过渡至二阶锁频环辅助三阶锁相环的联合跟踪模式；在所述联合跟踪模式达到稳态后，根据鉴相残差的统计量判定三阶锁相环当前的工况类别，并通过所述工况类别对三阶锁相环的阻尼系数进行协同调整；当所述载噪比估计值低于预设门限时，并行建立短积分通道和长积分通道，所述长积分通道利用桥接校准机制修正所述短积分通道的相位控制量，通过所述相位控制量进行载波跟踪。

58、由此可见本技术中，可以通过所述相位控制量进行载波跟踪；其中，首先，通过对捕获的北斗卫星信号进行相干积分处理并计算载噪比估计值，能够使接收机在跟踪开始阶段掌握信号接收质量的变化情况，当信号受遮挡、衰减影响而变弱时，可据此选择更适合弱信号条件的积分方式，避免仍按固定积分周期工作而造成有效信号提取不足；其次，根据信号捕获阶段多普勒频率峰值的历史数据判定当前多普勒频率的变化模式，并在二阶锁频环频率闭环跟踪达到收敛条件后过渡至二阶锁频环辅助三阶锁相环的联合跟踪模式，能够使跟踪过程先完成多普勒频率牵引，再进入载波相位精确锁定，减少高动态条件下因多普勒频率变化模式不明导致的初始跟踪盲目性，缩短环路收敛过程；进一步地，在联合跟踪模式达到稳态后，根据鉴相残差的统计量判定三阶锁相环当前的工况类别，并通过所述工况类别对三阶锁相环的阻尼系数进行协同调整，使阻尼系数能够随稳定跟踪、动态扰动或噪声影响等工况变化进行适配，缓解传统固定阻尼系数造成的动态响应不足或抗噪能力下降问题；最后，当载噪比估计值低于预设门限时，并行建立短积分通道和长积分通道，并利用长积分通道的桥接校准机制修正短积分通道的相位控制量，能够在增强弱信号累积效果的同时保持相位控制量的连续更新，避免简单延长积分周期引起的相位旋转和鉴相模糊，使北斗载波跟踪过程在频率牵引、相位锁定、工况适配和弱信号补偿之间形成递进配合，进而降低复杂接收环境下的跟踪失锁风险。

59、综上所述，本技术采用的技术方案可实现高动态与弱信号接收环境下北斗载波跟踪环路参数和实时工况之间的协同调控，提高北斗载波跟踪过程的稳健程度。