一种基于能量的频率鉴别方法和装置与流程

技术特征：

1.一种基于能量的频率鉴别方法，其特征在于，所述方法包括：

在GNSS接收机跟踪通道中，本地存在三路复载波信号，分别为超前路复载波S_E、即时路复载波S_P和滞后路复载波S_L；三路(不限于三路，可依据应用需要进行调整为五路甚至更多)本地复制伪码信号，分别为超前码C_E、即时码C_P和滞后码C_L；接收机接收外部输入的卫星导航信号，与各路本地复载波混频、各路伪码相关；根据设定的相干积分时间T_I，将各路相关结果送入积分-清除器中进行时间长度为T_I的相干积分；将积分-清除器输出的多路相干积分值送入能量计算单元中计算各路相关能量值；将相干积分值、各路相关能量值送入载波相位鉴别器、频率鉴别器和码鉴别器中进行载波相位差、载波频率差和码相位差的估计；将相应的估计值分别送入锁相环路滤波器、锁频环路滤波器和码环路滤波器，在环路选择控制器的作用下切换锁相环和锁频环工作状态；将滤波后的反馈参数，分别反馈至载波数控振荡器和伪码数控振荡器。进而实现载波相位和载波频率、码相位和码频率的实时调节，最终实现GNSS信号的跟踪。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，输入信号与本地三路复载波信号混频。三路复载波信号频率分别为f_p-Δf_d，f_p和f_p+Δf_d，其中Δf_d表示三路复载波信号之间的频率间隔，f_p表示S_P路复载波信号频率，假定与输入信号载波频率同步。

三路复载波信号频率之间的间隔按照如下原则选取：当相干积分时间为T_I时，典型的频率间隔Δf_d可以选取为1/(2T_I)，根据需要可以适当调节所述的频率间隔，其调节范围为(0，1/T_I]。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，本地复制三路(不限于三路，可依据应用需要进行调整为五路甚至更多)伪码信号，码相位间隔为d，码相位 间距d可以按照需要设定，通常为0.5码片，为了提高跟踪精度、抵抗多径，窄相关码相位间距可以继续缩小，如0.1码片。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接收到的中频信号为

其中，P是接收到的信号的总能量，d[n]表示调制的数据信息，c[n]表示伪随机扩频码，f_IF表示下变频之后的中心频率，T_s表示采样时间间隔，表示即时载波相位，η[n]表示热噪声，通常认为是加性高斯白噪声。

5.根据权利要求1所述的方法，权利要求2所述的本地三路复载波信号和权利要求3所述的本地伪码信号，其特征在于，输出多路相关结果和多路相关能量，按下述步骤完成：

步骤1：输入信号与本地三路复载波信号混频，得到6路混频结果，I_E、I_P、I_L、Q_E、Q_P和Q_L；

步骤2：所述步骤1混频结果与本地三路延迟伪码信号相关。具体的，I_E、I_P、I_L、Q_E、Q_P和Q_L与即时路伪码C_P相关，得到I_EP、I_PP、I_LP、Q_EP、Q_PP和Q_LP。此外，I_P和Q_P还与C_E和C_L分别相关(若存在更多路伪码，I_P和Q_P也要和这些路伪码相关)，得到I_PE、I_PL、Q_PE和Q_PL，

I_E×C_P＝I_EP

I_P×C_P＝I_PP

I_L×C_P＝I_LP

Q_E×C_P＝Q_EP

Q_P×C_P＝Q_PP

Q_L×C_P＝Q_LP

I_P×C_E＝I_PE

I_P×C_L＝I_PL

Q_P×C_E＝Q_PE

Q_P×C_L＝Q_PL

步骤3：设定相干积分时间T_I，根据这个相干积分时间将步骤2得到的相关结果相干积分，得到I_EPS、I_PPS、I_LPS、Q_EPS、Q_PPS、Q_LPS、I_PES、I_PLS、Q_PES和Q_PLS。

步骤4：为了提高对弱信号的跟踪能力，除了步骤3所述的相干积分之外，通过非相干积分进一步提高信号能量。最终得到各支路能量：EP²、LP²、PP²、PE²和PL²，

${\mathrm{EP}}^2=\underset{m=1}{\overset{N_{NC}}{\Σ}}\left(I_{EPS}^2\left(m\right)+Q_{EPS}^2\left(m\right)\right)$

${\mathrm{LP}}^2=\underset{m=1}{\overset{N_{NC}}{\Σ}}\left(I_{LPS}^2\left(m\right)+Q_{LPS}^2\left(m\right)\right)$

${\mathrm{PP}}^2=\underset{m=1}{\overset{N_{NC}}{\Σ}}\left(I_{PPS}^2\left(m\right)+Q_{PPS}^2\left(m\right)\right)$

${\mathrm{PE}}^2=\underset{m=1}{\overset{N_{NC}}{\Σ}}\left(I_{PES}^2\left(m\right)+Q_{PES}^2\left(m\right)\right)$

${\mathrm{PL}}^2=\underset{m=1}{\overset{N_{NC}}{\Σ}}\left(I_{PLS}^2\left(m\right)+Q_{PLS}^2\left(m\right)\right)$

6.根据权利要求1所述的方法和权利要求5所述的多路相关结果和多路相关能量，其特征在于，输入信号与本地三路复载波信号混频，以即时路S_P与即时路伪码信号C_P信号相关为例，对于相干积分时间T_I，相干积分结果为

其中，Δτ_P，k，Δf_P，k，分别表示输入信号与本地复制信号之间的码相位误差、载波频率误差和载波相位误差，k代表第k个历元，R(·)表示伪随机码的自相关函数，Sinc(·)＝sin(x)/x，η_P，I，k和η_P，Q，k分别表示同相支路和正交支路的噪声。

如果忽略上述相干积分结果中的噪声，对于相干积分时间为T_I的相干积分结果，在历元k，其能量为

${\mathrm{PP}}_k^2={\mathrm{PR}}^2\left({\mathrm{\Δ\τ}}_{P,k}\right){\mathrm{Sinc}}^2\left({\mathrm{\πT}}_I{\mathrm{\Δf}}_{P,k}\right)$

对于另外两路，超前路复载波S_E和滞后路复载波S_L，混频后也与即时路伪码信号C_P信号相关，同样的，其能量分别为

${\mathrm{EP}}_k^2={\mathrm{PR}}^2\left({\mathrm{\Δ\τ}}_{P,k}\right){\mathrm{Sinc}}^2\left({\mathrm{\πT}}_I\right({\mathrm{\Δf}}_{P,k}-{\mathrm{\Δf}}_d\left)\right)$

${\mathrm{LP}}_k^2={\mathrm{PR}}^2\left({\mathrm{\Δ\τ}}_{P,k}\right){\mathrm{Sinc}}^2\left({\mathrm{\πT}}_I\right({\mathrm{\Δf}}_{P,k}+{\mathrm{\Δf}}_d\left)\right)$

利用泰勒公式，sinc²(πΔfT_I)可以表示成

$Sinc{\left({\mathrm{\π\ΔfT}}_I\right)}^2\stackrel{\mathrm{\Δ}}{=}1-\mathrm{\Θ}{\left(\mathrm{\Δ}f\right)}^2$

其中，Θ＝(πT_I)²/3，当相干积分时间确定后，其可以看做成一个常量。因此，输入信号与三路复载波混频，与即时路伪码信号C_P信号相关之后的结果分别可以近似表示成

${\mathrm{PP}}_k^2=H(1-\mathrm{\Θ}{\left({\mathrm{\Δf}}_{P,k}\right)}^2)$

${\mathrm{EP}}_k^2=H(1-\mathrm{\Θ}{\left({\mathrm{\Δf}}_{P,k}-{\mathrm{\Δf}}_d\right)}^2)$

${\mathrm{LP}}_k^2=H(1-\mathrm{\Θ}{\left({\mathrm{\Δf}}_{P,k}+{\mathrm{\Δf}}_d\right)}^2)$

其中，H＝PR²(Δτ_P，k)表示即时路PP相关积分能达到的最大能量，化简可以得到

${\mathrm{EP}}_k^2-{\mathrm{LP}}_k^2=H\left(4{\mathrm{\Θ\Δf}}_{P,k}{\mathrm{\Δf}}_d\right)$

$\begin{array}{c}{\mathrm{EP}}_k^2+{\mathrm{LP}}_k^2=H(2-2\mathrm{\Θ}({\mathrm{\Δf}}_{P,k}^2+{\mathrm{\Δf}}_d^2\left)\right)\\ =2{\mathrm{PP}}_k^2-2{\mathrm{H\Θ\Δf}}_d^2\end{array}$

进一步简化，得到基于能量的频率鉴别方法表达式为

${\mathrm{\Δf}}_{P,k}=\frac{{\mathrm{\Δf}}_d}{2}\frac{{\mathrm{EP}}^2-{\mathrm{LP}}^2}{2{\mathrm{PP}}^2-({\mathrm{EP}}^2+{\mathrm{LP}}^2)}$

由此，还可以得到另外一个类似的鉴频方法公式

${\mathrm{\Δf}}_{P,k}={\mathrm{\Δf}}_d\frac{{\mathrm{EP}}^2-{\mathrm{LP}}^2}{2{\mathrm{PP}}^2+|{\mathrm{EP}}^2-{\mathrm{LP}}^2|-({\mathrm{EP}}^2+{\mathrm{LP}}^2)}$

载波相位鉴相器可以采用

或或或等传统载波鉴相方法。

码环路可以采用传统的超前减滞后(Early Minus Late，EML)码鉴相方法，

${\mathrm{\δ}}_{cp}=(1-d)\frac{PE-PL}{PE+PL}$

或基于能量的码鉴相计算方法

${\mathrm{\δ}}_{cp}=(1-d)\frac{{\mathrm{PE}}^2-{\mathrm{PL}}^2}{{\mathrm{PE}}^2+{\mathrm{PL}}^2}$

7.根据权利要求1所述的方法和权利要求6所述能量鉴频方法、载波鉴相方法、码鉴相方法，其特征在于，根据系统状态，环路选择控制器切换锁相环和锁频环工作状态。滤波后的反馈参数，分别反馈至载波数控振荡器和伪码数控振荡器，进而实现载波相位和载波频率、码相位和码频率的实时调节，最终实现GNSS信号的跟踪。

8.一种基于能量的频率鉴别的装置，所述装置包括：天线、卫星导航信号采样量化模块、相关积分-清除模块、误差鉴别模块、反馈控制模块、本地复制信号产生模块和处理器。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，

所述天线用于接收卫星导航信号；

所述卫星导航信号采样量化模块，用于滤波、自动增益控制，将卫星信号下变频到中频信号并完成采样量化，得到数字中频信号；

所述相关积分-清除模块，用于实现通道中各路载波混频、伪码相关、相干积分-清除功能等；

所述误差鉴别模块，通过载波相位鉴别器、能量频率鉴别器和码鉴别器完成本地复制载波、伪码信号与接收信号中相关参数的估计；

所述反馈控制模块，实现载波环路参数滤波和码环路参数滤波，并给出最终环路反馈参数；

所述本地复制信号产生模块，用于产生各路本地复制复载波和伪码信号；

所述处理器实现跟踪通道初始化、状态控制、定位解算、授时等功能。

10.根据权利要求8所述装置，其特征在于，

处理器通过总线配置各跟踪通道和各种初始化参数，如捕获成功后给出的初始码相位、初始载波频率等。通道内的相关积分-清除模块接收前端给出的中频信号，并与本地复制信号产生模块产生的本地信号进行混频、相关、积分、清除等操作，得到各个支路的相关能量值。误差鉴别模块按照本发明所述方法给出信号相应参数的误差估计值。反馈控制模块对各参数估计值进行滤波，并根据系统运行状态做出相应调整，将最终反馈参数反馈给本地复制信号产生模块，使本地产生信号尽量与接受到的信号同步。处理器读取卫星信号的跟踪状态参数，进而完成基带状态参数调整，控制基带正常运行，完成定位、定速、授时等功能。