一种高动态跟踪环路以及卫星导航接收机的制作方法
本申请涉及卫星导航定位技术领域，具体而言，涉及一种高动态跟踪环路以及卫星导航接收机。
背景技术：
为了实现高精度和高灵敏度定位，卫星导航接收机的跟踪环路被设计得对频率变化非常敏感，接收机很容易受到晶振输出频率变化或接收信号中多普勒频率的影响，导致pvt(position，位置；velocity，速度；time，时间)精度降低甚至环路失锁。当卫星导航接收机应用于无人机等飞行器，或其他高动态、震动或温度快速变化等场景时，一方面接收机会在接收信号中产生多普勒频率，另一方面，震动或温度变化使接收机中晶振输出频率产生时变分量，该时变分量在晶振输出频率倍频到射频频率时以等比例被放大，下变频时平移到中频，并作用在环路上，对环路的影响与动态产生的多普勒频率相同，进而严重降低接收机跟踪精度或导致环路失锁。
技术实现要素：
本申请实施例的目的在于提供一种高动态跟踪环路以及卫星导航接收机，以改善“由于卫星导航接收机的跟踪环路被设计得对频率变化非常敏感，进而导致接收机很容易受到晶振输出频率变化或接收信号中多普勒频率的影响”的问题。
本发明是这样实现的：
第一方面，本申请实施例提供一种高动态跟踪环路，包括：锁相环以及加速度数字振荡器；其中，所述锁相环包括频率输出累加器以及载波数字振荡器；所述频率输出累加器的输出端与所述载波数字振荡器连接；所述加速度数字振荡器的输入端与所述锁相环的相位输入端连接，所述加速度数字振荡器的输出端与所述频率输出累加器的输入端连接；所述加速度数字振荡器用于生成实时变化频率；其中，所述实时变化频率为加速度的变化频率；所述加速度表示所述高动态跟踪环路与接收的卫星视线方向上的加速度；所述频率输出累加器用于将所述实时变化频率与所述锁相环自身生成的更新频率相加得到实时频率，并将所述实时频率输入至所述载波数字振荡器；所述载波数字振荡器用于基于所述实时频率生成实时相位。
在高动态场景中，晶振输出频率变化或接收信号中的多普勒频率对于环路的影响主要体现为加速度所带来频率变化误差，因此，在本申请实施例中，通过在高动态跟踪环路中增设加速度数字振荡器，实现了对环路中加速度的变化频率的跟踪，进而提高了环路内的相位跟踪精度，有效解决高动态场景下环路受到晶振输出频率变化或接收信号中的多普勒频率影响而导致pvt精度降低甚至环路失锁的问题。
结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述锁相环为二阶锁相环，所述锁相环包括第一数字振荡器；所述第一数字振荡器的系数为t0；t0表示环路更新周期；所述第一数字振荡器的输出端与所述频率输出累加器的输入端连接；所述第一数字振荡器的输入端即为所述锁相环的相位输入端。
在本申请实施例中，通过在二阶锁相环上增设加速度数字振荡器，实现了对二阶锁相环中加速度的变化频率的跟踪，进而提高了环路内的相位跟踪精度，有效解决高动态场景下二阶锁相环受到晶振输出频率变化或接收信号中的多普勒频率影响而导致pvt精度降低甚至环路失锁的问题。
结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述锁相环为二阶锁相环，所述锁相环包括第一数字振荡器；所述第一数字振荡器的系数为t0；t0表示环路更新周期；所述第一数字振荡器的输出端与所述频率输出累加器的输入端连接；所述第一数字振荡器的输出端即为所述锁相环的相位输入端。
结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述锁相环为三阶锁相环，所述锁相环包括：频率二阶处理电路、频率一阶处理电路；频率二阶处理电路的输出端与所述频率一阶处理电路的输入端连接，所述频率一阶处理电路的输出端与所述频率输出累加器连接；所述加速度数字振荡器的输入端与所述频率一阶处理电路的输入端连接；所述频率一阶处理电路的输入端即为所述锁相环的相位输入端。
在本申请实施例中，通过在三阶锁相环上增设加速度数字振荡器，实现了对二阶锁相环中加速度的变化频率的跟踪，进而提高了环路内的相位跟踪精度，有效解决高动态场景下三阶锁相环受到晶振输出频率变化或接收信号中的多普勒频率影响而导致pvt精度降低甚至环路失锁的问题。
结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述频率一阶处理电路包括第二数字振荡器；所述第二数字振荡器的系数为t0；t0表示环路更新周期；所述第二数字振荡器的输入端与所述频率二阶处理电路连接，所述第二数字振荡器的输出端与所述频率输出累加器的输入端连接；所述加速度数字振荡器的输入端与所述第二数字振荡器的输入端连接。
结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述高动态跟踪环路还包括：加加速度数字振荡器以及第一累加器；所述加加速度数字振荡器的输入端与所述频率二阶处理电路的输入端连接，所述加加速度数字振荡器的输出端与所述第一累加器的输入端连接；所述第一累加器的输出端与所述加速度数字振荡器连接；所述加加速度数字振荡器用于生成加加速度的变化频率；所述加速度数字振荡器的输入端通过所述第一累加器与所述第二数字振荡器的输入端连接；相应的，所述实时变化频率为所述加速度的变化频率与所述加加速度的变化频率之和。
由于在高动态场景中，晶振输出频率变化或接收信号中的多普勒频率对于环路的影响还体现为加加速度所带来频率变化误差，因此，在本申请实施例中，通过在高动态跟踪环路中增设加速度数字振荡器以及加速度数字振荡器，实现了对环路中加速度的变化频率以及加加速度的变化频率的跟踪，进而提高了环路内的相位跟踪精度，有效解决高动态场景下环路受到晶振输出频率变化或接收信号中的多普勒频率影响而导致pvt精度降低甚至环路失锁的问题。
结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述频率二阶处理电路包括第三数字振荡器以及第四数字振荡器；所述第四数字振荡器的系数为t0；t0表示环路更新周期；所述第三数字振荡器的输出端与所述第四数字振荡器的输入端连接；所述第四数字振荡器的输出端连接至所述频率一阶处理电路；所述第三数字振荡器的输入端即为所述频率二阶处理电路的输入端。
结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述频率二阶处理电路包括第三数字振荡器以及第四数字振荡器；所述第四数字振荡器的系数为t0；t0表示环路更新周期；所述第三数字振荡器的输出端与所述第四数字振荡器的输入端连接；所述第四数字振荡器的输出端连接至所述频率一阶处理电路；所述第三数字振荡器的输出端即为所述频率二阶处理电路的输入端。
结合上述第一方面提供的技术方案，在一些可能的实现方式中，所述频率二阶处理电路包括第三数字振荡器以及第四数字振荡器；所述第四数字振荡器的系数为t0；t0表示环路更新周期；所述第三数字振荡器的输出端与所述第四数字振荡器的输入端连接；所述第四数字振荡器的输出端连接至所述频率一阶处理电路；所述第四数字振荡器的输出端即为所述频率二阶处理电路的输入端。
第二方面，本申请实施例提供一种卫星导航接收机，包括：接收单元以及与所述接收单元连接的如第一方面实施例提供的高动态跟踪环路。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种高动态跟踪环路的结构框图。
图2为本申请实施例提供的一种二阶锁相环的结构示意图。
图3为本申请实施例提供的更新周期内的频率变化率的示意图。
图4为本申请实施例提供的更新周期内的实时频率的示意图。
图5为本申请实施例提供的更新周期内的实时相位的示意图。
图6为本申请实施例提供的第一种高动态跟踪环路的结构示意图。
图7为本申请实施例提供的一种三阶锁相环的结构示意图。
图8为本申请实施例提供的第二种高动态跟踪环路的结构示意图。
图9为本申请实施例提供的第三种高动态跟踪环路的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
鉴于目前的卫星导航接收机的跟踪环路被设计得对频率变化非常敏感，进而存在接收机很容易受到晶振输出频率变化或接收信号中多普勒频率的影响的问题。本申请发明人通过研究探索，提出以下实施例以解决上述问题。
请参阅图1，本申请实施例提供一种高动态跟踪环路，包括锁相环以及加速度数字振荡器。
其中，锁相环包括频率输出累加器以及载波数字振荡器。频率输出累加器的输出端与载波数字振荡器连接。
加速度数字振荡器的输入端与锁相环的相位输入端连接，加速度数字振荡器的输出端与频率输出累加器的输入端连接。加速度数字振荡器用于生成实时变化频率。其中，实时变化频率为加速度的变化频率；加速度表示高动态跟踪环路与接收的卫星视线方向上的加速度。
频率输出累加器用于将实时变化频率与锁相环自身生成的更新频率相加得到实时频率，并将实时频率输入至载波数字振荡器；载波数字振荡器用于基于实时频率生成实时相位。
需要说明的是，在高动态场景中，晶振输出频率变化或接收信号中的多普勒频率对于环路的影响主要体现为加速度所带来频率变化误差，因此，在本申请实施例中，通过在高动态跟踪环路中增设加速度数字振荡器，实现了对环路中加速度的变化频率的跟踪，进而提高了环路内的相位跟踪精度，有效解决高动态场景下环路受到晶振输出频率变化或接收信号中的多普勒频率影响而导致pvt精度降低甚至环路失锁的问题。
下面针对不同的锁相环对高动态跟踪环路的结构进行说明。
可选地，锁相环为二阶锁相环，现有的二阶锁相环的结构如图2所示，图2中三角形框表示系数乘法器，框内的字符即表示系数。圆圈表示累加器，圆圈内的字符为求和符号。矩形框表示寄存器，z-1表示延时一拍。若采用现有的二阶锁相环直接对相位进行跟踪，则输出的相位的表达式为：
其中，
上式中，相位变化为线性的，其并没有考虑更新时间周期内加速度对相位的贡献。
假设，上述二阶锁相环应用于gps(globalpositioningsystem，全球定位系统)卫星导航接收机，按gps的l1频点分析高动态跟踪误差。gpsl1频点射频频率为1575.42mhz，波长为0.19m，当接收机以1g加速度运动时在gpsl1射频信号上产生51.58hz/s的频率变化率，当加速度达到25g时产生的频率变化率为1289.5hz/s。其中，频率变化率的公式为：
其中，m0为频率一阶导数，表示频率变化率；a为接收机与卫星视线方向上的加速度；fl表示卫星发射频率，gps的l1频点的频率为1575.42e6hz；c表示光速。
下面对加速度(即频率变化率)在环路中的影响进行分析。如图3所示，假设在环路更新周期t0＝0.02s内频率变化率m0＝1250hz/s保持不变(约25g视线加速度在gpsl1频点上产生的频率变化率)。
在nt0时刻环路更新的频率为f0，在nt0与(n+1)t0之间的各频率分量如图4所示。图4中，曲线①表示nt0时刻的初始频率，在环路更新周期内保持不变，曲线②表示线性调频分量，频率随时间以斜率m0线性增加(即加速度的变化频率)，曲线③表示环路更新周期内的瞬时频率，是曲线①和曲线②的和。
在nt0时刻环路更新的相位为
通过上述图示可知，图2的环路只跟踪了图5中曲线①和曲线②的相位变化，没有跟踪曲线③的相位变化，因此在跟踪周期结束时产生了固定的相位误差πm0t02，按25g加速度在gpsl1频点产生频率变化率约m0＝1250hz/s，环路更新周期t0＝0.02s计算，在每个更新周期结束时图2的二阶锁相环的跟踪相位误差为：πm0t02＝π×1250×0.02×0.02＝0.5π，该误差很容易导致环路失锁。
因此，频率变化率导致相位在环路更新周期内是非线性变化的，其相位输出的公式应为：
其中，t0＝k/fs。将上式进行整理得：
也即，整理后的式子中，将f0+0.5m0k/fs替换了现有的二阶锁相环的输出相位公式中的f0，该公式的含义为对加速度所产生的变化频率进行跟踪，进而使得最终得到的相位不受更新周期内加速度的影响。
因此，本申请实施例提供的高动态跟踪环路在现有的二阶锁相环上进行改动，增设加速度数字振荡器，其具体结构如图6所示。
其中，锁相环中包括第一数字振荡器。第一数字振荡器的系数为t0；t0表示环路更新周期。第一数字振荡器的输出端与频率输出累加器的输入端连接(图6中第一振荡器的输出端与频率输出累加器之间还包括了两个累加器、一个寄存器以及一个数字振荡器)。
作为一种可选的连接方式，第一数字振荡器的输入端即为锁相环的相位输入端，也即，加速度数字振荡器的输入端与第一数字振荡器的输入端连接。
作为另一种可选的连接方式，第一数字振荡器的输出端即为锁相环的相位输入端，也即，加速度数字振荡器的输入端与第一数字振荡器的输出端连接。
也即，加速度数字振荡器的输入端既可连接至图6中的a点，也可以连接至图6中的b点。对此，本申请不作限定。
可选地，锁相环为三阶锁相环，现有的三阶锁相环的结构如图7所示，三阶锁相环包括频率二阶处理电路以及频率一阶处理电路，频率二阶处理电路的输出端与频率一阶处理电路的输入端连接。图7中三角形框表示系数乘法器，框内的字符即表示系数。圆圈表示累加器，圆圈内的字符为求和符号。矩形框表示寄存器，z-1表示延时一拍。若采用现有的三阶锁相环直接对相位进行跟踪，则输出的相位的表达式为：
其中，
同理，三阶锁相环中输出的相位表达式也并没有考虑更新时间周期内加速度对相位的贡献。其分析过程可以参考上述二阶锁相环中的分析过程，为了避免累赘，此处不作重复阐述。
因此，本申请实施例提供的高动态跟踪环路在现有的三阶锁相环上进行改动，增设加速度数字振荡器，其具体结构如图8所示。其中，加速度数字振荡器的输入端与频率一阶处理电路的输入端连接。频率一阶处理电路的输入端即为锁相环的相位输入端。
具体的，频率一阶处理电路中包括第二数字振荡器。第二数字振荡器的系数为t0；t0表示环路更新周期。第二数字振荡器的输出端与频率输出累加器的输入端连接(图8中第二数字振荡器的输出端与频率输出累加器之间还包括了两个累加器、一个寄存器以及一个数字振荡器)。
作为一种可选的连接方式，第二数字振荡器的输入端即为锁相环的相位输入端，也即，加速度数字振荡器的输入端与第二数字振荡器的输入端连接。
作为另一种可选的连接方式，第二数字振荡器的输出端即为锁相环的相位输入端，也即，加速度数字振荡器的输入端与第二数字振荡器的输出端连接。
也即，加速度数字振荡器的输入端既可连接至图8中的a点，也可以连接至图8中的b点。对此，本申请不作限定。
需要说明的是，上述实施例中涉及的均为频率一阶导数(频率变化率m0)对环路的影响，申请人在研究中发现，在三阶锁相环中，频率二阶导数a0(表征加加速度)也会对输出相位产生影响。
按照泰勒展开式，可得到环路更新周期内更高阶的频率导数对相位的贡献：
其中，
若是只考虑频率二阶导数a0、频率一阶导数m0和环路更新起始时刻的频率f0，则n＝3，环路更新周期内输出的相位公式为：
其中，a0为频率二阶导数，
也即，整理后的式子中，将f0+(0.5m0+a0k/fs/3)k/fs替换了现有的三阶锁相环的输出相位公式中的f0，该公式的含义为对加速度所产生的变化频率以及加加速度产生的变化频率进行跟踪，进而使得最终得到的相位不受更新周期内加速度以及加加速度的影响。
因此，本申请实施例提供的高动态跟踪环路在现有的三阶锁相环上进行改动，除了增设加速度数字振荡器外，还增设加加速度数字振荡器以及第一累加器，加加速度数字振荡器用于生成加加速度的变化频率，其具体结构如图9所示。
其中，加加速度数字振荡器的输入端与频率二阶处理电路的输入端连接，加加速度数字振荡器的输出端与第一累加器的输入端连接。第一累加器的输出端与加速度数字振荡器连接。
加加速度数字振荡器用于生成加加速度的变化频率；加速度数字振荡器的输入端通过第一累加器与第二数字振荡器的输入端连接；相应的，实时变化频率为加速度的变化频率与加加速度的变化频率之和。
具体的，其中，频率二阶处理电路包括第三数字振荡器以及第四数字振荡器。第四数字振荡器的系数为t0；t0表示环路更新周期。第三数字振荡器的输出端与第四数字振荡器的输入端连接；第四数字振荡器的输出端连接至频率一阶处理电路(图9中第四数字振荡器的输出端与频率一阶处理电路之间还包括了两个累加器、一个寄存器以及一个数字振荡器)。
作为一种可选的连接方式，第三数字振荡器的输入端即为频率二阶处理电路的输入端，也即，加加速度数字振荡器的输入端与第三数字振荡器的输入端连接。
作为另一种可选的连接方式，第三数字振荡器的输出端即为频率二阶处理电路的输出端，也即，加加速度数字振荡器的输入端与第三数字振荡器的输出端连接。
作为又一种可选的连接方式，第四数字振荡器的输出端即为频率二阶处理电路的输入端，也即，加加速度数字振荡器的输入端与第四数字振荡器的输出端连接。
也即，加加速度数字振荡器的输入端既可连接至图9中的c点，也可以连接至图9中的d点，还可以连接至图9中的e点。对此，本申请不作限定。
综上，由于在高动态场景中，晶振输出频率变化或接收信号中的多普勒频率对于环路的影响还体现为加加速度所带来频率变化误差，因此，在本申请实施例中，通过在高动态跟踪环路中增设加速度数字振荡器以及加速度数字振荡器，实现了对环路中加速度的变化频率以及加加速度的变化频率的跟踪，进而提高了环路内的相位跟踪精度，有效解决高动态场景下环路受到晶振输出频率变化或接收信号中的多普勒频率影响而导致pvt精度降低甚至环路失锁的问题。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种卫星导航接收机，包括：接收单元以及与该接收单元连接的如上述实施例所提供的高动态跟踪环路。
其中，接收单元可以包括接收天线、变频器等器件。本申请不作限定。
需要说明的是，由于本申请实施例所提供的高动态跟踪环路能够实现在高动态、振动变化场景下的高精度可靠跟踪，因此，搭载该高动态跟踪环路的卫星导航接收机可以使用普通晶振代替昂贵的高稳定晶振或降低接收机抗震保温防护成本，进而达到同等定位精度的效果。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
另外，作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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