一种载波相位跟踪方法

1.本发明属于卫星基带信号处理领域，涉及一种载波相位跟踪方法，特别是一种基于矢量结构软件定义接收机载波相位跟踪方法。


背景技术：

2.几十年来，信号跟踪一直是信号处理和通信领域的关键研究技术，能够对输入信号中一个或者多个信号参数进行估计，如每个卫星的载波相位，码相位和载波多普勒频移，全球导航卫星系统(global navigation satellite system,gnss)可以将这些参数作为中间变量或者作为测量值进一步使用，生成伪距测量值，通过这些伪距测量值，导航算法可以解算接收机的位置，利用多普勒测量值来推断接收机的速度。连续的载波相位测量值，可应用于诸如实时动态载波相位差分技术(real time kinematic,rtk)和精密单点定位(precise point positioning,ppp)等高精度定位中。科普斯(copps)提出，利用接收机中的位置、速度、钟差等状态对信号跟踪环路的控制参数进行估计。针对传统标量跟踪不稳定问题，spilker提出的矢量跟踪环(vector tracking loop,vtl)方法是一种利用来自不同卫星的测量值之间的空间相关性来增强跟踪能力的体系结构。zhodzishsky等人通过引入co-op跟踪环路作为vtl的替代方法，利用了不同卫星测量值之间的空间相关性来进行跟踪增强。giger从理论上证明了没有独立信道滤波器的纯矢量载波相位跟踪环路(vector phase lock loop,vpll)是渐近稳定的，只要适当选择滤波器阶数，输入信号的动态可以被投影到导航滤波器状态上。程俊仁等从信号跟踪的基本原理出发，综述了矢量跟踪算法的基本思想和研究历程，分析了算法中系统建模、模型参数确定和滤波器设计等关键环节；吴娟丽通过matlab软件接收机对信号捕获，跟踪，解算进行了仿真实现；李明玉对基于矢量跟踪的gnss/ins深组合导航系统关键技术展开研究，建立了基于扩展卡尔曼滤波器(extended kalman filter,ekf)的矢量跟踪算法导航滤波器模型并通过c语言软件接收机平台和数字中频信号采集平台进行仿真验证。当前国内外在矢量跟踪技术上只能实现对码相位和载波频率进行跟踪而对载波相位进行跟踪的技术不足。


技术实现要素：

3.针对上述现有技术，本发明要解决的技术问题是提供一种基于矢量结构软件接收机载波相位跟踪方法，提高载波跟踪环路当存在遮挡时信号跟踪的稳定性。
4.为解决上述技术问题，本发明的一种载波相位跟踪方法，包括以下步骤：
5.步骤一：获得接收机中频信号；
6.步骤二：将中频信号导入软件接收机，首先获得中频信号粗略信息，随后软件接收机转入信号跟踪部分，通过载波跟踪环路以及码跟踪环路实现载波信号的跟踪和码环跟踪，得到载波鉴相误差和码鉴相误差δ
τ
，通过载波鉴相误差得到载波频率误差fe，通过载波频率误差补偿更新载波频率f
carrier.k
，并获得星历文件；
7.步骤三：计算得到观测量信息；
8.步骤四；通过ekf滤波算法得到三维位置、三维速度、钟差变化量和钟漂变化量的导航解算结果；
9.步骤五：根据导航解算结果推算载波相位、载波频率反馈nco，并用于调整本地输出信息，完成矢量闭环反馈校正。
10.进一步的，步骤三中计算得到观测量信息包括：
11.码伪距测量值δ
ρ
为：
12.δ
ρ
＝δ
τ
·
λ
τ
13.其中，λ
τ
为测距码码长；
14.由接收机载波相位、载波频率变化量计算伪距、伪距率变化量预测为：
[0015][0016]
其中，φe、fe分别为载波相位和载波频率误差，δ
ρ
为伪距误差，为伪距率误差，λ
li
为li频段对应的载波波长；
[0017]
载波相位测量值为：
[0018]
φ(n)＝φ(n-1) φe(n) fct
pll
me(n)
[0019]
其中，φ(n)为第n次更新后的环路时刻下的载波相位测量值，φe(n)是根据多普勒频移引起的载波相位变化量，fd是载波多普频移，fc载波振荡器的时钟频率，为环路更新周期，me(n)为多普勒频移误差对载波相位调整量。
[0020]
进一步的，步骤五中根据导航解算结果推算载波相位、载波频率反馈nco具体为：
[0021]
δφk＝f
l
/c(δx
k,e
t
b,k
)
[0022]
δfk＝f
l
/c(δv
k,e
t
d,k
) δt
×fd,k
[0023]
其中，δφk为载波环路第k次的载波相位nco调整量，δfk为载波环路第k次的载波频率nco调整量；f
l
为l频段的标称载波频率；c为光在真空中的速度；δx
k,e
、δv
k,e
是对于单位矢量方向上的投影中的位置、速度误差预测；t
b,k
为钟差估计、t
d,k
是时钟漂移，包括接收机钟漂和卫星时钟漂移；δt为环路nco更新周期；f
d,k
为第k次的载波多普勒频移。
[0024]
本发明有益效果：针对传统标量结构软件接收机在针对卫星信号在遮挡、干扰和弱信号等非理想环境下跟踪性能下降导致载波相位跟踪失锁的问题设计了具有矢量结构的载波相位跟踪环路，针对传统标量结构软件接收机在针对卫星信号在遮挡非理想环境下跟踪性能下降导致载波相位跟踪失锁的问题，通过建立矢量载波相位跟踪模型，提高对非理想环境下能够有效对载波信号跟踪稳定性，并获得更高的定位精度。本发明设计的基于矢量结构的软件接收机载波相位跟踪算法的跟踪效果稳定。从计算误差的角度看，基于矢量结构的软件接收机载波相位跟踪算法定位精度更高；从解算结果分析和实际应用的角度看，基于矢量结构的软件接收机载波相位跟踪算法更具实用性。本发明针对非理想环境下接收机跟踪定位稳定性问题，将定位解算作为跟踪的一部分，通过接收机位置速度等误差来反馈校正跟踪环路，从而来实现更加稳定的跟踪效果。
附图说明
[0025]
图1为软件接收机工作流程图；
[0026]
图2为矢量载波相位跟踪结构图；
[0027]
图3信号采集实验环境图；
[0028]
图4信号采集流程图；
[0029]
图5载波跟踪环路结构图；
[0030]
图6为扩展kalman滤波环路图。
具体实施方式
[0031]
下面结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
[0032]
结合图1，本发明采用如下方式实现，具体步骤如下：
[0033]
步骤一：通过模拟仿真获得不同条件下的接收机中频信号；
[0034]
在进行接收机数据处理前，需要获得所需要的中频信号。首先进行硬件实验环境搭建工作，需要的工具主要有课题的软件接收机、华力创通的hwa-gnss-800a卫星导航信号模拟器、主机、北斗星通hg-softgps06数据采集器等设备，通过对采样参数以及通道进行配置以采集所需实验的数据信号。主要思路是使用hwa-gnss-800a卫星导航信号模拟器进行参数配置并得到输出所需卫星信号，通过hg-softgps06数据采集器将采集到的中频数据磁盘中，通过软件接收机针对中频信号进行相关配置并进行数据处理，数据采集工具与处理过程如图所示可参考图3、图4所示，在实验中针对双频通道的参数配置如下：
[0035]
1.1对北斗b1i频段信号进行采集，采样频率为16.369mhz，信号中频为3.996875mhz。
[0036]
1.2对北斗b3i频段信号进行采集，采样频率为16.369mhz，信号中频为2.991687mhz。
[0037]
步骤二：对采集到的信号进行基带数字信号处理；
[0038]
针对步骤一采集到的中频信号，导入软件接收机，接收机的工作流程为：首先，将获取到的数字中频(if)信号并发送至基带数字信号处理模块。基带数字信号处理模块先捕获中频信号以获得粗略信息，随后接收机转入信号跟踪部分，对卫星信号进行精细闭环跟踪估计，通过载波跟踪环路以及码跟踪环路实现载波信号的跟踪和码环跟踪，对跟踪的载波鉴相误差以及码相位误差可进一步计算得到载波相位和码伪距等观测量信息，常规基带信号处理通过电文解调得到星历文件，在本次设计中，为应用于高精度导航定位解算，将从武汉大学测绘数据中心获得采集数据对应的精密星历文件，以避免传统电文中精度不足问题。通过码跟踪环路以及载波跟踪环路来得到载波环跟踪结果以及码环跟踪结果。具体跟踪流程为：
[0039]
2.1通过载波跟踪环路对接收到卫星信号中的载波相位和载波频率等参数进行最佳估计，载波跟踪环路的结构如图5所示，载波环路的跟踪流程为假设功率为频率为fs的卫星接收信号s(t)数学模型为：
[0040][0041]
通过混频将高频卫星信号下降到中频的信号为：
[0042][0043]
式中，f
if
为混频后的中频频率。在锁相跟踪环路中同样也会产生本地振荡载波，本
地同相正交两支路信号为：
[0044][0045][0046]
式中，u
os
(t)、u
oc
(t)为本地生成的同相正交载波信号；为本振信号幅度；θo为本振信号初相；fo为本振信号中心频率。
[0047]
再将接收到的高频信号与本振信号进行混频得到i/q两路信号i
p
(t)和q
p
(t)：
[0048][0049][0050]
对同相i、正交q两个支路i
p
(t)和q
p
(t)经过低通滤波环节：
[0051][0052][0053]
将连续信号进行离散：
[0054][0055][0056]
忽略噪声n
i,p
、n
q,p
影响，通过i/q两支路数据通过载波环路鉴相误差
[0057][0058][0059]
计算鉴相结果并更新载波nco，载波环路更新迭代过程为：
[0060][0061]
其中下标k，k-1代表相邻两次环路更新时刻，fe为载波频率误差，t
coh
为环路积分时间，τ2、τ1为环路滤波器传递函数系数。
[0062]
根据载波nco命定修改载波频率：
[0063]fcarrier.k
＝f
carrier.k-1
fe[0064]
2.2通过码跟踪环路对接收到卫星信号中的码相位参数进行最佳估计，主要是通过码发生器、码鉴别器和滤波器等结构共同完成码相位跟踪。主要的实现方法是先通过码发生器产生了本地伪码信息,然后再利用码片的移位从而在本振信息基底上形成了超前(early,e)、即时(prompt,p)和滞后(late,l)三路序列编码信息，最后再通过码鉴相器输出获得码相位信息，从而实现码信息从卫星载波信号中的剥离，码跟踪环路结构如图4所示，载波环路跟踪流程为接收到的卫星信息和本地载波混频,并在最后经过载波跟踪环路进行载波信息的剥离,而卫星信息将在下一步进行伪码的剥离。在经过载波剥离后的信号进行非相干积分得到非相干积分值e、p、l结果输入到码鉴相器得到码相位鉴相误差δ
τ
，最终将码信息进行复制，码环鉴别器非相干超前滞后功率法单位化鉴别器，其计算公式为：
[0065][0066]
至此导出基于载波环以及码环路的基本跟踪信息。
[0067]
步骤三：通过跟踪结果计算高精度定位必要测量信息；
[0068]
由步骤二可得码环和载波环获得基本跟踪结果，进而导出用于后续解算所需的各种观测量。
[0069]
由码环直接获得码伪距测量值δ
ρ
：
[0070]
δ
ρ
＝δ
τ
·
λ
τ
[0071]
结合接收机状态估计，由鉴别器与伪距、伪距率之间线性关系可得接收机载波相位、载波频率变化量的预测为
[0072][0073]
其中，φe、fe分别为载波相位和载波频率误差，
[0074]
考虑到载波相位存在模糊度问题，可以通过伪距来对载波相位进行估算求取。
[0075]
φ＝λ-1
r n
[0076]
这里用伪距ρ来代替卫星与接收机之间的距离，则整周模糊度的估计值为
[0077]
n≈λ-1
ρ-φ
[0078]
通过锁相环鉴相获得载波相位差进而估算出载波多普勒频移修正量以修正载波频率，由相位和频率的关系可以推算，在由于载波多普勒频移引起的载波相位调整量，可以通过对载波多普勒进行积分来获得，即
[0079][0080]
其中，φe(n)是积分多普勒，是由多普勒的频移引起的，乘以波长λ后的值就是这段时间接收机相对于卫星的距离变化量，又称为积分距离差(adr)。
[0081]
为了获得载波相位测量值，在环路内设置载波积分器来跟踪载波相位测量值：
[0082]
φ(n)＝φ(n-1) φe(n) fct
pll
me(n)
[0083]
式中，φ(n)为第n次更新后的环路时刻下的载波相位测量值，fc载波振荡器的时钟频率，为环路更新周期，φe(n)是根据多普勒频移引起的载波相位变化量，me(n)为多普勒频移误差对载波相位调整量。
[0084]
步骤四；通过ekf滤波算法对待估参数进行导航解算；
[0085]
集中式矢量跟踪环路需要采用一个滤波器完成载波相位和载波频率的跟踪。由于导航解算存在非线性环节，需要采用扩展卡尔曼滤波器，扩展卡尔曼滤波器的基本原理是在常规的卡尔曼滤波器的基础上加入前置环节，用以实现将非线性因素进行线性化处理。ekf的近似方法是在状态估计附近用泰勒级数展开非线性函数。ekf滤波算法
[0086]
假设非线性系统为：
[0087][0088]
状态方程和观测方程中的非线性环节用泰勒展开，忽略了高阶项
[0089]
xk＝f
k-1
x
k-1
φ
k-1
w
k-1
[0090]
zk＝hkxk yk vk[0091]
其中，
[0092][0093][0094][0095]
滤波步骤：
[0096]
step 1:状态一步预测
[0097][0098]
step 2:一步预测均方差
[0099][0100]
step 3:滤波增益
[0101][0102]
step 4:状态估计
[0103][0104]
step 5:状态估计均方差
[0105]
pk＝(i-k
khk
)p
kk-1
[0106]
重复step 1～step 5，进行滤波迭代运算，算法结构图如图6所示。
[0107]
结合滤波算法建立解算模型，状态量选取“位置状态量”，即接收机的三维位置参数以及时钟偏移量，直接描述载体的运动状态。采用位置、速度、钟差和钟漂的状态变量可取为：
[0108]
[0109]
观测方程的建立主要取决于采取的观测量，某一通道的观测量可表示为:
[0110][0111]
状态方程建立：
[0112][0113]
其中f
k,k-1
为状态一步预测矩阵，τ为滤波间隔，[w
x w
y w
z w
vx w
vy w
vz w
b wd]
t
为三维位置误差，三维速度误差，钟差，钟漂对应的随机噪声分量。
[0114]
观测方程建立：
[0115]
zk＝hkxk vk[0116]
选取n个通道伪距和伪距率偏差作为观测量，即根据下式
[0117][0118]
建立量测观测方程：
[0119][0120]
其中，e为接收机与卫星方向的单位向量
[0121][0122]
观测噪声协方差矩阵:
[0123]
[0124]
其中，伪距观测噪声协方差矩阵r
p
，多普勒观测噪声协方差矩阵rd满足
[0125][0126]
系统过程噪声协方差矩阵(经验模型)：
[0127][0128]
其中，q
dyn
为加速度噪声，q
clok
为时钟噪声
[0129][0130]
其中，sv为加速度噪声谱能量
[0131][0132]
其中，晶振相位噪声s
cφ
，晶振频率噪声s
cf
为
[0133][0134]
对于tcxo晶振，典型的取值为s
cf
＝0.04m2·
s-3
和s
cφ
＝0.01m2·
s-3
。
[0135]
步骤五：结合导航解算结果推算跟踪环路误差补偿量以完成矢量闭环反馈校正；
[0136]
为实现矢量闭环反馈结构，gnss中频信号与本地载波和码信号相关后输出i/q相关值随后送入各个通道的本地预滤波器中进行预滤波，然后生成伪距和伪距率残差信息作为导航滤波器的量测量。导航滤波器估计出接收机的用户的位置、速度、钟差和钟漂等信息后，结合卫星星历信息，计算各个通道的卫星视距los矢量，并预测本地载波相位信息，最后各通道载波nco调整本地输出信息，进行下一周期的信号相关处理。
[0137]
通过跟踪等基带信号处理后对导航信息进行解算就可以得到接收机的状态，通过接收机的状态可以反推nco控制量，以此来实现环路闭合，伪距和伪距率修正量分别为真实位置和预测位置误差在单位视线方向上的投影以及真实速度和预测速度误差在单位视线方向上的投影，即
[0138][0139][0140]
式中，xk、vk为真实位置速度，为预测估计位置速度，ek接收机到卫星的单位方向矢量。
[0141]
结合物理运动规律，在k时刻以及k 1时刻两个相邻时间间隔内，可以得到位置误差修正量模型为
[0142][0143][0144]
式中ηk为系统误差噪声。如果两个时间间隔足够短，那么可以假设为两个相邻时刻速度差为常数
[0145][0146]
矢量结构最主要的环节是反馈环路nco的实现，由前所述，码相位/载波相位对应着伪距，载波多普勒对应着伪距率，这也是在位置与速度两方面对系统模型的确立，则对于载波相位、载波频率反馈nco为：
[0147]
δφk＝f
l
/c(δx
k,e
t
b,k
)
[0148]
δfk＝f
l
/c(δv
k,e
t
d,k
) δt
×fd,k
[0149]
式中，δφk为载波环路第k次的载波相位nco调整量，δfk为载波环路第k次的载波频率nco调整量；f
l
为l频段的标称载波频率；c为光在真空中的速度；δx
k,e
、δv
k,e
如前所述，是对于单位矢量方向上的投影中的位置、速度误差预测；t
b,k
为钟差估计、t
d,k
是时钟漂移，包括接收机钟漂和卫星时钟漂移；δt为环路nco更新周期；f
d,k
为第k次的载波多普勒频移。得到载波nco调整量后，就可以确定调整后的复制载波相位以及载波频率。