一种卫星导航中频信号载波跟踪装置及方法与流程

本发明属于通信技术领域，更进一步涉及锁相环pll、导航基带信号处理技术领域中的一种卫星导航信号载波跟踪装置及方法。本发明可用于对卫星导航中频信号，进行载波的频率和相位的跟踪。

背景技术：

卫星导航信号的载波跟踪是导航基带信号处理领域中的技术。目前有成熟的技术来对卫星导航信号的中频信号进行载波跟踪。而对于弱信号、高动态环境下的载波跟踪情况，仍然尚有很多不足。

四川九洲电器集团有限责任公司在其申请的专利文献“一种接收机高动态环境下自适应跟踪方法”(申请号：201410433179.x，申请日：2014.08.28，授权号：cn104215981b，授权日：2017.03.15)中提出了一种适用于高动态环境下的卫星导航载波跟踪方法。该方法通过实时检测接收机跟踪信号的动态特性和信噪特性来调整跟踪环路中锁频环、锁相环，使其环路滤波器的带宽保持最优值；同时还调整锁频换辅助锁相环的系数，提高跟踪环路在高动态环境下的稳定性。该方法虽然能较好地解决接收机在高动态环境下跟踪误差大、发生失锁概率大的问题，但是，该方法仍然存在的不足之处是，鉴相差信号由于噪声的影响，在估计载体动态特性时不够精确，导致载波跟踪的结果存在抖动现象。

安凯微电子技术有限公司在其申请的专利文献“一种gps卫星信号载波环跟踪方法和装置”(申请号：201310314328.6，申请日：2013.07.24，申请公布号：cn104345323a)中提出了一种可以动态调整载波环工作模式的卫星信号载波跟踪方法及装置。该装置主要包括获取模块、锁频换辅助锁相环模块、卡尔曼滤波结合锁频换辅助锁相环模块，获取模块用于获取信号的载噪比；锁频换辅助锁相环模块用于当所述卫星信号的载噪比大于或者等于第一阈值时，载波环采用锁频换辅助锁相环算法对所述卫星信号进行跟踪；卡尔曼滤波结合锁频换辅助锁相环模块用于当所述卫星信号的载噪比小于第一阈值时，载波环采用卡尔曼滤波算法结合锁频换辅助锁相环算法对信号进行跟踪。该装置存在的不足之处是，包含有不同的载波工作模式，硬件资源开销大。该方法的实施步骤是：第一、获取卫星信号的载噪比；第二、当所述卫星信号的载噪比大于或者等于第一阈值时，载波环采用锁频环辅助锁相环的算法对所述卫星信号进行跟踪；第三、当所述卫星信号的载噪比小于第一阈值时，载波环采用卡尔曼滤波算法结合锁频环辅助锁相环的算法对卫星信号进行跟踪。该方法虽然提高了跟踪的灵敏度和动态性，但是仍然存在的不足之处是，没有解决噪声带宽设置的矛盾问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提供一种卫星导航信号载波跟踪装置及方法，以解决在对卫星导航信号进行载波跟踪的现有技术中，如何更好地根据卫星信号的动态特性调整载波环的噪声带宽，并且在动态应力较大时，不能精确地对中频信号进行载波跟踪，跟踪的载波结果存在抖动现象，噪声带宽设置矛盾的问题。

实现本发明目的的具体思路是：首先根据卫星中频信号和本地载波复制信号解调生成同相支路信号和正交支路信号，然后对同相支路信号和正交支路信号进行积分清洗，对清洗后的同相支路信号和正交支路信号进行鉴相，将鉴相后的鉴相差信号进行小波降噪，利用降噪后的鉴相差信号估计中频信号的动态特性，接下来计算最佳噪声带宽，接着利用环路滤波器对降噪后的鉴相差信号滤除高频部分和噪音，最后利用滤波后的鉴相差信号重新生成本地载波复制信号，达到对中频信号载波的跟踪。

实现本发明目的的装置包括载波数控振荡器模块、解调模块、积分清洗模块、载波相位鉴别器模块、环路滤波器模块、环路判定模块；所述的载波数控振荡器模块的输出端和当前所接收的剥离伪码的卫星中频信号均与解调模块的输入端相连，解调模块的输出端和积分清洗模块的输入端相连，积分清洗模块的输出端与载波相位鉴别器模块的输入端相连，载波相位鉴别器模块的输出端与环路滤波器模块的输入端相连，环路滤波器模块的输出端与载波数控振荡器模块的输入端相连，环路判定模块的输出端与解调模块的输入端相连，其特征在于，还包括小波降噪模块、信号动态监测模块、环路带宽设置模块，载波相位鉴别器模块的输出端与小波降噪模块的输入端相连，小波降噪模块的输出端均与信号动态监测模块的输入端和环路滤波器模块的输入端相连，信号动态监测模块的输出端与环路带宽设置模块的输入端相连，环路带宽设置模块的输出端与环路滤波器模块的输入端相连；其中，

所述的载波数控振荡器模块，分别用于由数控振荡器的初始化参数生成本地载波复制信号和用于将滤波后的鉴相差信号作为反馈量，重新生成本地载波复制信号；

所述的解调模块，用于对卫星中频信号和本地载波复制信号进行相乘操作，得到解调后的同相支路信号和正交支路信号；

所述的积分清洗模块，用于对同相支路信号和正交支路信号分别进行积分清洗操作，得到积分清洗后的同相支路积分累加信号和正交支路积分累加信号；

所述的载波相位鉴别器模块，包括通过离散采样的方式，计算正交支路积分累加信号和同相支路积分累加信号的鉴相差；将离散的鉴相差，合成为鉴相差信号；

所述的小波降噪模块，包括利用小波函数的正交性，支撑集，正则性，消失矩阶数，选择daubechies多贝西小波作为小波基函数；将鉴相差信号分解为10层；小波基函数对鉴相差信号做10层的小波分解，得到10层分解后的低频系数和高频系数；利用小波阈值获取函数ddencmp，得到阈值thr；对每一层分解后的高频系数做阈值为thr的软阈值量化，得到量化后的高频系数；小波基函数对每一层的低频系数和量化后的高频系数做小波重构，得到降噪后的鉴相差信号；

所述的信号动态监测模块，用于对卫星中频信号，进行加速度或加加速度特性值的估计；

所述的环路带宽设置模块，包括利用总误差门限公式，计算环路滤波器的最佳噪声带宽；用环路滤波器的最佳噪声带宽，更新环路滤波器的噪声带宽；

所述的环路滤波器模块，用于分别滤除降噪后鉴相差信号中的高频分量和噪音，得到滤波后的鉴相差信号，将滤波后的鉴相差信号传输给载波数控振荡器模块；

所述的环路判定模块，用于判断接收的卫星中频信号是否处理完，若是，则完成载波跟踪，否则，利用解调模块对卫星中频信号和重新生成的本地载波复制信号进行相乘操作；

实现本发明目的的方法，包括如下步骤：

(1)获取初始本地载波复制信号：

载波数控振荡器模块根据系统设置的数控振荡器的初始化参数，生成本地波复制信号；

(2)对接收的剥离伪码的中频信号进行解调：

解调模块对卫星中频信号和本地载波复制信号进行相乘操作，得到解调后的同相支路信号和正交支路信号；

(3)积分清洗：

积分清洗模块同时对同相支路信号和正交支路信号分别进行积分清洗操作，得到积分清洗后的同相支路积分累加信号和正交支路积分累加信号；

(4)求鉴相差信号：

(4a)通过离散采样的方式，计算正交支路积分累加信号和同相支路积分累加信号的鉴相差；

(4b)将离散的鉴相差，合成为鉴相差信号；

(5)对鉴相差信号进行小波降噪：

(5a)小波降噪模块利用小波函数的正交性，支撑集，正则性，消失矩阶数，选择daubechies多贝西小波作为小波基函数；

(5b)小波降噪模块将鉴相差信号分解为10层；

(5c)小波基函数对鉴相差信号做10层的小波分解，得到10层分解后的低频系数和高频系数；

(5d)小波降噪模块利用小波阈值获取函数ddencmp，得到阈值thr；

(5e)小波降噪模块对每一层分解后的高频系数做阈值为thr的软阈值量化，得到量化后的高频系数；

(5f)小波基函数对每一层的低频系数和量化后的高频系数做小波重构，得到降噪后的鉴相差信号；

(6)对中频信号进行动态特性估计：

信号动态监测模块对卫星中频信号，进行加速度或加加速度特性值的估计；

(7)更新环路带宽：

(7a)环路带宽设置模块，利用总误差门限公式，计算环路滤波器的最佳噪声带宽；

(7b)环路带宽设置模块，用环路滤波器的最佳噪声带宽，更新环路滤波器的噪声带宽；

(8)对降噪后的鉴相差信号滤波：

(8a)环路滤波器模块，分别滤除降噪后鉴相差信号中的高频分量和噪音，得到滤波后的鉴相差信号；

(8b)环路滤波器模块将滤波后的鉴相差信号传输给载波数控振荡器模块；

(9)重新生成本地载波复制信号：

载波数控振荡器模块，将滤波后的鉴相差信号作为反馈量，重新生成本地载波复制信号；

(10)环路判定模块判断接收的卫星中频信号是否处理完，若是，执行步骤(11)，否则，执行步骤(2)；

(11)完成载波跟踪。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，由于本发明的装置中包含有小波降噪模块，信号动态监测模块，环路带宽设置模块，可以实现对鉴相差信号进行小波降噪，以及将环路滤波器的噪声带宽更新为最佳噪声带宽，实现高动态环境下的载波跟踪，克服了现有技术中的包含有不同的载波工作模式，硬件资源开销大的不足，使得本发明的装置可以节省硬件资源。

第二，由于本发明的方法中在得到鉴相差信号时，继续将鉴相差信号进行小波降噪，得到更加纯净的鉴相差信号，可以适当扩展噪声带宽，克服了现有技术中没有解决噪声带宽设置矛盾的不足。使得采用本发明的方法可以在不引入过多噪声的前提下，适当扩展环路滤波器的噪声带宽，以容忍更大的动态范围，达到跟踪高动态信号的目的。

第三，由于本发明的方法中利用降噪后的鉴相差信号进行信号的动态特性估计，估算出的最佳噪声带宽，比直接利用鉴相差信号进行信号的动态特性估计，估算出的最佳噪声带宽更精确，克服了现有技术中采用同样的自适应带宽方法，鉴相差信号由于噪声的影响，在估计载体动态特性时不够精确，导致载波跟踪的结果存在抖动现象的问题，使得采用本发明的方法可以更加精确地跟踪动态应力较大时的信号。

附图说明

图1为本发明装置的方框图；

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照附图1，本发明的装置包含九个模块：载波数控振荡器模块、解调模块、积分清洗模块、载波相位鉴别器模块、小波降噪模块、信号动态监测模块、环路带宽设置模块、环路滤波器模块、环路判定模块。其中，载波数控振荡器模块、解调模块、积分清洗模块、载波相位鉴别器模块、环路滤波器模块、环路判定模块是共用模块；小波降噪模块、信号动态监测模块、环路带宽设置模块属于本发明独用模块。

载波数控振荡器模块，分别用于由数控振荡器的初始化参数生成本地载波复制信号和用于将滤波后的鉴相差信号作为反馈量，重新生成本地载波复制信号。

解调模块，用于对卫星中频信号和本地载波复制信号进行相乘操作，得到解调后的同相支路信号和正交支路信号。

积分清洗模块，用于同时对同相支路信号和正交支路信号分别进行积分清洗操作，得到积分清洗后的同相支路积分累加信号和正交支路积分累加信号。

载波相位鉴别器模块，包括用于通过离散采样的方式，计算正交支路积分累加信号和同相支路积分累加信号的鉴相差；将离散的鉴相差，合成为鉴相差信号。

小波降噪模块，包括利用小波函数的正交性，支撑集，正则性，消失矩阶数，选择daubechies多贝西小波作为小波基函数；将鉴相差信号分解为10层；小波基函数对鉴相差信号做10层的小波分解，得到10层分解后的低频系数和高频系数；利用小波阈值获取函数ddencmp，得到阈值thr；对每一层分解后的高频系数做阈值为thr的软阈值量化，得到量化后的高频系数；小波基函数对每一层的低频系数和量化后的高频系数做小波重构，得到降噪后的鉴相差信号。

信号动态监测模块，用于对卫星中频信号，进行加速度或加加速度特性值的估计。

环路带宽设置模块，包括利用总误差门限公式，计算环路滤波器的最佳噪声带宽；用环路滤波器的最佳噪声带宽，更新环路滤波器的噪声带宽。

环路滤波器模块，用于分别滤除降噪后鉴相差信号中的高频分量和噪音，得到滤波后的鉴相差信号，将滤波后的鉴相差信号传输给载波数控振荡器模块。

环路判定模块，用于判断接收的卫星中频信号是否处理完，若是，则完成载波跟踪，否则，利用解调模块对卫星中频信号和重新生成的本地载波复制信号进行相乘操作。

下面结合附图2，对本发明的方法做进一步地描述。

步骤1，获取初始本地载波复制信号。

载波数控振荡器模块根据系统设置的数控振荡器的初始化参数，生成本地波复制信号。

步骤2，对接收的剥离伪码的中频信号进行解调。

解调模块对卫星中频信号和本地载波复制信号进行相乘操作，得到解调后的同相支路信号和正交支路信号。

步骤3，积分清洗。

积分清洗模块对同相支路信号和正交支路信号分别进行积分清洗操作，得到积分清洗后的同相支路积分累加信号和正交支路积分累加信号。

步骤4，求鉴相差信号：

通过离散采样的方式，计算正交支路积分累加信号和同相支路积分累加信号的鉴相差。

正交支路积分累加信号和同相支路积分累加信号的鉴相差，是由下式计算得到的：

其中，表示正交支路积分累加信号和同相支路积分累加信号的鉴相差信号，arctan表示反正切操作，qp表示正交支路积分累加信号，ip表示同相支路积分累加信号。

将离散的鉴相差，合成为鉴相差信号。

步骤5，对鉴相差信号进行小波降噪。

小波降噪模块利用小波函数的正交性，支撑集，正则性，消失矩阶数，选择daubechies多贝西小波作为小波基函数。

小波降噪模块将鉴相差信号分解为10层。

小波基函数对鉴相差信号做10层的小波分解，得到10层分解后的低频系数和高频系数。

小波降噪模块利用小波阈值获取函数ddencmp，得到阈值thr。

小波降噪模块对每一层分解后的高频系数做阈值为thr的软阈值量化，得到量化后的高频系数。

小波基函数对每一层的低频系数和量化后的高频系数做小波重构，得到降噪后的鉴相差信号。

步骤6，对中频信号进行动态特性估计。

信号动态监测模块对卫星中频信号，进行加速度或加加速度特性值的估计。

卫星中频信号的加速度或加加速度特性值的估计是由下式计算得到的：

其中，表示当载波环路阶数取值为2时，卫星中频信号的加速度特性值，当载波环路阶数取值为3时，卫星中频信号的加加速度特性值，表示降噪后的同相支路积分累加信号和正交支路积分累加信号的鉴相差信号，表示随载波环路阶数变化的比例系数，当环路阶数取值为2时比例系数取值为0.2809，当载波环路阶数取值为3时比例系数取值为0.4828，表示对滤波器噪声带宽做载波环路阶数的次方的常数值。

步骤7，更新环路带宽。

环路带宽设置模块，利用总误差门限公式，计算环路滤波器的最佳噪声带宽。

总误差门限公式如下：

其中，表示当载波环路阶数取值为2时，卫星中频信号的加速度特性值，当载波环路阶数取值为3时，卫星中频信号的加加速度特性值，表示对环路滤波器的最佳噪声带宽做载波环路阶数的次方的常数值，表示圆周率，表示开平方根操作，表示环路滤波器的最佳噪声带宽，表示系统接收的卫星中频信号的载噪比，表示积分清洗时间，表示卫星中频信号的载波波长，通过实施内采用的国家标准可获得，表示随载波环路阶数变化的比例系数，当环路阶数取值为2时比例系数取值为0.2809，当载波环路阶数取值为3时比例系数取值为0.4828。

环路带宽设置模块，用环路滤波器的最佳噪声带宽，更新环路滤波器的噪声带宽。

步骤8，对降噪后的鉴相差信号滤波。

环路滤波器模块，分别滤除降噪后鉴相差信号中的高频分量和噪音，得到滤波后的鉴相差信号。

环路滤波器模块将滤波后的鉴相差信号传输给载波数控振荡器模块。

步骤9，重新生成本地载波复制信号。

载波数控振荡器模块，将滤波后的鉴相差信号作为反馈量，重新生成本地载波复制信号。

步骤10，环路判定模块判断接收的卫星中频信号是否处理完，若是，执行步骤11，否则，执行步骤2。

步骤11，完成载波跟踪。