一种高动态运动载体的北斗信号捕获跟踪接收方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种高动态运动载体的北斗信号捕获跟踪接收方法，属于无线通信领 域。
【背景技术】
[0002] 在基于扩频的现代无线通信系统中，通常使用发射机与接收机进行数据传输，扩 频序列由发射机发出，使用接收机找到扩频序列的边界并进行接收。对于固定或慢速运动 终端而言，多普勒频移及其变化不易产生较大频率偏移，使得接收机较容易捕获跟踪到卫 星信号。但是，在高动态环境下，载体运动的高速度引起多普勒频移，载体运动的加速度引 起多普勒频移的变化产生，使得接收信号产生频率偏移和偏移变化。由于载体动态引入的 多普勒频率变化对跟踪环的影响通过载波辅助消除，接收机的动态性能主要取决于载波跟 踪丰旲块的性能。
[0003] 通常，载波跟踪模块中采用低阶PLL(锁相环）环进行捕获跟踪，但在高动态环境 下很难可靠工作。因此，需要设计高动态环境下的载波跟踪模块对载波频率和相位进行精 确估计，保证接收机快速捕获跟踪到卫星信号。为了适应高动态同时保证跟踪精度，采用锁 频环辅助锁相环的混合载波跟踪方法。锁频环直接跟踪载波频率，通过载波鉴频器输出多 普勒频率估计误差，具有较好的动态性能，但跟踪精度却比锁相环的低。而锁相环直接对载 波相位进行跟踪，通过载波鉴相器提取相位估计误差，当环路闭合稳定时有较高的跟踪精 度，但锁相环动态跟踪能力差。因此，锁频环+锁相环混合跟踪可以在提高动态跟踪能力的 同时，保证跟踪精度。同时，采用载波环辅助码环消除码序列的动态，使码跟踪环路可工作 在很窄的带宽下，从而实现了高精度的码相位跟踪。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明提供了一种高动态运动载体的北斗信号捕获跟踪接收方法，能 够快速捕获跟踪卫星信号，缩短捕获时间，保证跟踪可靠度，防止信号丢失。
[0005] 本发明通过以下技术方案实现：
[0006] 一种高动态运动载体的北斗信号捕获跟踪接收方法，包括以下步骤：
[0007] 步骤一：尚动态运动载体捕获卫星彳目号，米用多次非相关累加以及Tong检测，获 取接收信号粗略的载波频率和伪码相位；
[0008] 步骤二：捕获完成后转入跟踪过程，初始跟踪时采用二阶FLL进行跟踪，得到频率 跟踪误差，当频率跟踪误差不小于预定阈值时，输出选择器选择频率跟踪误差反馈校正FLL 环数控振荡器NC0的输出载波频率，实现跟踪，转入进行步骤五；
[0009] 步骤三：当频率跟踪误差小于预定阈值，则转为采用三阶PLL进行跟踪，得到相位 跟踪误差，同时输出选择器选择相位跟踪误差反馈校正FLL环数控振荡器NC0的输出相位， 实现精确跟踪，得到频率跟踪误差和相位跟踪误差，用于校正得到准确的载波频率，然后转 入进行步骤五；
[0010] 步骤四：若三阶PLL相位跟踪误差大于预定阈值时，则跟踪频率误差变大，转回到 步骤二进行二阶FLL跟踪，完成载波跟踪；
[0011] 步骤五：步骤二、三、四得到准确的频率跟踪误差和相位跟踪误差，用于校正得到 准确的载波频率，载波频率乘以固定的比例因子即为码频率，控制数控振荡器NCO输出精 确的码频率；同时，采用码环鉴别器和码环滤波器得到码频率跟踪误差，然后与码频率相加 即为准确码频率，控制数控振荡器NCO和码发生器产生即时扩频码，至此完成码跟踪。
[0012] 其中步骤一所述获取接收信号的载波频率误差在几十赫兹范围内，码相位模糊度 降低至±0. 5个码片内，此时偏置载波NCO得到较为准确的载波频率。
[0013] 本发明的有益效果：
[0014] 1、本发明利用载波跟踪结果辅助码跟踪，消除码序列的动态，使码跟踪环路可工 作在很窄的带宽下，从而实现了高精度的码相位跟踪；
[0015] 2、本发明在跟踪策略上，先由锁频环对输入信号的多普勒频率进行跟踪，当频差 减小到锁相环的捕捉带内以后，切换到锁相环跟踪；
[0016] 3、本发明使用两种不同的环路带宽或增益，捕捉时使环路具有较大的带宽或增 益，锁定以后使环路带宽或增益变为所需要的正常值。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明高动态运动载体的北斗信号捕获跟踪接收方法框图；
[0018] 图2为本发明捕获流程框图；
[0019] 图3为本发明混合载波捕获跟踪原理框图；
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图对本发明作进一步介绍。
[0021] 如图1所示，本发明利用载波跟踪结果辅助码跟踪，消除码序列的动态，使码跟踪 环路可工作在很窄的带宽下，从而实现了高精度的码相位跟踪。跟踪策略上，先由锁频环对 输入信号的多普勒频率进行跟踪，当频差减小到锁相环的捕捉带内以后，切换到锁相环跟 足示。
[0022] 如图2所示，为了提高捕获灵敏度，在捕获流程中采用多次非相关累加以及Tong 检测。为了增大锁频环的捕捉带，提高锁频环的捕捉性能，使之尽快进入快捕带内，达到快 捕锁定，可以采用：
[0023] (1)减小作用到环路上的起始频差；
[0024] (2)使用两种不同的环路带宽或增益，捕捉时使环路具有较大的带宽或增益，锁定 以后使环路带宽或增益变为所需要的正常值。
[0025] 如图3所示，为了提高动态跟踪能力，势必增加环路带宽，而增加环路带宽就会引 入较大的跟踪误差。为了解决动态环境跟踪能力和提高跟踪精度的矛盾，扩频接收机通道 处理载波环设计考虑采用锁频环+锁相环的混合载波跟踪方法。锁频环直接跟踪载波频 率，通过叉积载波鉴频器输出多普勒频率估计误差，具有较好的动态性能，但跟踪精度却比 锁相环的低。而锁相环直接对载波相位进行跟踪，通过载波鉴相器提取相位估计误差，当环 路闭合稳定时有较高的跟踪精度，但锁相环动态跟踪能力差。因此，锁频环+锁相环混合跟 踪可以在提高动态跟踪能力的同时，保证跟踪精度。正常的载波跟踪模式是锁频环，当频差 减小到一定的阈值时，转入锁相环跟踪。根据动态的变化情况，环路自动实现锁相环和锁频 环跟踪方式的切换。同时，采用载波环辅助码环消除码序列的动态，使码跟踪环路可工作在 很窄的带宽下，从而实现了高精度的码相位跟踪。
[0026] 具体实现方式是在硬件FPGA平台下，通过硬件描述语言形成相应的逻辑门电路 块实现，提高信号处理的速度。
[0027] 步骤一：高动态运动载体捕获卫星信号，采用多次非相关累加以及Tong检测，获 取接收信号粗略的载波频率和伪码相位；
[0028] 载波频率误差Af在几十赫兹范围内，码相位模糊度降低至±0. 5个码片内，此时 偏置载波NC0得到较为准确的载波频率；
[0029] 步骤二：捕获完成后转入跟踪，如图3所示过程，初始跟踪时采用二阶FLL进行跟 踪，由叉积鉴频器和二阶FLL滤波器构成，可以得到频率跟踪误差Af。此时，输出选择器 选择频率跟踪误差Af?反馈校正FLL环数控振荡器NC0的输出载波频率，实现跟踪。二阶 FLL的主要参数是滤波器带宽，确定带宽按以下方法预估：
【主权项】
1. 一种高动态运动载体的北斗信号捕获跟踪接收方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤一：高动态运动载体捕获卫星信号，采用多次非相关累加以及Tong检测，获取接 收信号粗略的载波频率和伪码相位； 步骤二：捕获完成后转入跟踪过程，初始跟踪时采用二阶FLL进行跟踪，得到频率跟踪 误差，当频率跟踪误差不小于预定阈值时，输出选择器选择频率跟踪误差反馈校正FLL环 数控振荡器NCO的输出载波频率，实现跟踪，转入进行步骤五； 步骤三：当频率跟踪误差小于预定阈值，则转为采用三阶PLL进行跟踪，得到相位跟踪 误差，同时输出选择器选择相位跟踪误差反馈校正FLL环数控振荡器NCO的输出相位，实现 精确跟踪，得到频率跟踪误差和相位跟踪误差，用于校正得到准确的载波频率，然后转入进 行步骤五； 步骤四：若三阶PLL相位跟踪误差大于预定阈值时，则跟踪频率误差变大，转回到步骤 二进行二阶FLL跟踪，完成载波跟踪； 步骤五：步骤二、三、四得到准确的频率跟踪误差和相位跟踪误差，用于校正得到准确 的载波频率，载波频率乘以固定的比例因子即为码频率，控制数控振荡器NCO输出精确的 码频率；同时，采用码环鉴别器和码环滤波器得到码频率跟踪误差，然后与码频率相加即为 准确码频率，控制数控振荡器NCO和码发生器产生即时扩频码，至此完成码跟踪。
2. 如权利要求1所述的一种高动态运动载体的北斗信号捕获跟踪接收方法，其特征在 于，其中步骤一所述获取接收信号的载波频率误差在几十赫兹范围内，码相位模糊度降低 至±0. 5个码片内，此时偏置载波NCO得到较为准确的载波频率。
【专利摘要】本发明提供了一种高动态运动载体的北斗信号捕获跟踪接收方法，能够快速捕获跟踪卫星信号，缩短捕获时间，保证跟踪可靠度，防止信号丢失。步骤一：高动态运动载体捕获卫星信号，采用多次非相关累加以及Tong检测，获取接收信号粗略的载波频率和伪码相位；步骤二：初始跟踪时采用二阶FLL进行跟踪，得到频率跟踪误差，同时输出选择器选择频率跟踪误差反馈校正FLL环数控振荡器NCO的输出载波频率；步骤三：当频率跟踪误差小于预定阈值时，则转为采用三阶PLL进行跟踪，得到相位跟踪误差，同时输出选择器选择相位跟踪误差反馈校正FLL环数控振荡器NCO的输出相位，实现精确跟踪；步骤四：当三阶PLL相位跟踪误差大于预定阈值时，转回到步骤二进行二阶FLL跟踪，完成载波跟踪。
【IPC分类】G01S19-24, G01S19-30, G01S19-29
【公开号】CN104570016
【申请号】CN201410844105
【发明人】关晓磊, 单立超, 吕倩, 吕学治
【申请人】北京航天科工世纪卫星科技有限公司
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月30日