一种多分集卫星导航接收机跟踪环路方法及装置与流程

[0001]
本发明涉及一种多分集卫星导航接收机跟踪环路方法及装置，属于卫星导航应用技术领域。


背景技术：

[0002]
卫星导航系统(global navigation satellite system，gnss)具有全天候、高精度、自动化、高性能等显著特点，并且具有无源自主定位工作体制，因此更容易获取载体的位置、速度和时间信息。当gnss接收机安装在自旋导弹上，单个接收天线旋转后导航信号将受导弹壳体遮挡，接收到的导航信号频繁中断，极易引起信号环路跟踪失锁，无法连续跟踪导航信号和实现导航定位。
[0003]
为了解决信号遮挡问题，一般采用多天线分集接收方法，形成全向信号接收，但是依然存在单路信号跟踪不连续的问题。针对该问题，目前已有的旋转载体gnss接收机提供了两种解决方案：1、将多天线分集输出的导航信号进行射频合路处理，形成单路跟踪通道；但是射频合路的过程，引入了较大的噪声，减弱了有效信号的强度，严重影响接收机灵敏度；2、根据信号跟踪能量，挑选1-2路高信噪比信号进行切换式跟踪，但是由于频繁切换跟踪信号，使得信号的连续性和稳定性受到影响，因此无法保证跟踪的连续性和精度。


技术实现要素：

[0004]
为了解决目前采用多天线分集接收信号存在的信号连续性和稳定性的问题，本发明提供了一种多分集卫星导航接收机跟踪环路方法及装置，针对旋转载体，可直接引入多个天线分集信号，利用分集跟踪环路中累加值判断与选择模块的三种模式自主切换能力，对接收信号进行连续性与稳定性补偿处理，能够在分集接收天线旋转切换后，仍保持导航信号连续稳定跟踪，保证接收机导航定位功能连续，同时提供转向、转速及转角信息。本发明的第一个目的在于提供一种多分集卫星导航接收机跟踪环路装置，所述多分集卫星导航接收机跟踪环路装置包括：导航信号接收模块、导航信号捕捉模块、多分集跟踪通道模块和导航定位解算模块；
[0005]
所述导航信号接收模块设有多路接收天线及各路接收天线分别对应的射频通道、模拟数字转换器，多路接收天线安装于载体不同位置处；所述导航信号接收模块将各路接收天线接收到的信号转换为数字中频信号后输出至导航信号捕获模块和多分集跟踪通道模块；所述多分集跟踪通道模块包括多个分集跟踪通道和累加值判断与选择模块，每个分集跟踪通道对应一路接收天线，每个分集跟踪通道中设有本地伪码生成器和载波生成器，以完成各路信号的自身累加操作得到单路累加值，各个分集跟踪通道将各自对应信号的单路累加值传输至累加值判断与选择模块；
[0006]
所述导航信号捕获模块完成信号捕捉后输出载波多普勒和伪码相位信息，并输出至对应通道号的分集跟踪通道以完成与本地伪码生成器和载波生成器的相关累加操作，同时启动累加值判断与选择模块；累加值判断与选择模块根据各个分集跟踪通道的单路累加
值确定跟踪模式，并对各路分集跟踪通道进行补偿与反馈控制，完成多分集接收信号环路跟踪处理，得到伪码和载波测量量并输出给导航定位解算模块；所述导航定位解算模块根据多分集跟踪通道模块提供的伪码和载波测量量计算得到载体的导航信息。
[0007]
可选的，所述累加值判断与选择模块具有三种工作模式，分别为直通模式、联合跟踪模式和天线切换模式；
[0008]
所述累加值判断与选择模块工作在直通模式下时，将分集跟踪通道模块中天线i的中频信号对应的累加量反馈给天线i的中频信号对应的伪码鉴别器和载波鉴别器，直至分集接收天线信号的稳定跟踪，天线i表示任意一路接收天线；
[0009]
所述累加值判断与选择模块工作在联合跟踪模式下时，通过判断各路分集跟踪通道对应的累加值能量大小，确定当前最接近信号入射方向的接收天线，并将该接收天线中频信号累加值以及对应的本地伪码生成器和载波生成器参数和状态，反馈给其他各路分集跟踪通道中的本地伪码生成器和载波生成器，使各路分集跟踪通道的跟踪状态保持一致；同时，根据分集跟踪通道中最大累加值所在通道的对应天线的变化方向，识别载体旋转方向；通过统计每次最大累加值切换通道的时间间隔，计算出载体旋转速度，根据载体旋转速度和分集天线安装位置求取当前时刻载体转角位置；
[0010]
识别出载体旋转方向及旋转速度后，累加值判断与选择模块立刻进入天线切换模式，通过补偿分集跟踪通道间的载波多普勒频移，保证各路分集接收天线间旋转切换后仍能稳定跟踪导航信号，不发生测量量中断。
[0011]
可选的，所述分集跟踪通道中本地伪码生成器根据当前所跟踪接收天线信号硬件延迟大小，在生成伪码时进行延迟量补偿。
[0012]
可选的，所述累加值判断与选择模块工作在天线切换模式下时，设切换前对应的天线为天线n，切换后对应的天线为天线n+1，则切换前，所有分集跟踪通道接受通道n的本地伪码生成器和载波生成器参数，并以通道n为自旋载波多普勒频移基准；而切换后，通道n+1对应的累加值直接反馈给自身对应的分集跟踪通道的本地伪码鉴别器和载波鉴别器，不再采用通道n的本地伪码生成器和载波生成器参数，自旋载波多普勒频移基准也随即切换为通道n+1，并将新的伪码生成器、载波生成器参数以及自旋载波多普勒频移补偿量反馈给其他所有分集跟踪通道。
[0013]
可选的，当所述载体为自旋导弹时，设自旋导弹的自旋转速为n，自旋导弹的半径为r，导航卫星信号入射方向与导弹天线平面夹角为α，与天线相位中心与弹体质心连线夹角为β，则t时刻自旋切向速度v(t)为：
[0014]
v(t)＝2πnr
·
sin(2πnt-β)cos(α)
[0015]
t时刻自旋引起的载波多普勒频移δf
d
(t)为
[0016]
δf
d
(t)＝2πnr
·
sin(2πnt-β)cos(α)
·
f
c
/c
[0017]
其中，f
c
为gnss信号载波频率，c为真空中光速。
[0018]
可选的，若由于自旋导弹动态变化，导致跟踪失锁，则累加值判断与选择模块切换回联合跟踪模式。
[0019]
本发明的第二个目的在于提供一种多分集卫星导航接收机跟踪环路方法，所述方法应用于上述多分集卫星导航接收机跟踪环路装置中，多路接收天线安装于载体不同位置处，所述方法包括：
[0020]
利用多路接收天线分集接收卫星导航信号，各路信号分别经过独立的射频通道和模拟数字转换器，输出多路数字中频信号至导航信号捕获模块和多分集跟踪通道模块；
[0021]
导航信号捕获模块完成信号捕捉后输出载波多普勒和伪码相位信息，并输出至对应通道号的分集跟踪通道；
[0022]
多分集跟踪通道模块中的各路分集跟踪通道完成与本地伪码生成器和载波生成器的相关累加操作，同时启动累加值判断与选择模块；累加值判断与选择模块根据各个分集跟踪通道的单路累加值确定跟踪模式，并对各路分集跟踪通道进行补偿与反馈控制，完成多分集接收信号环路跟踪处理，得到伪码和载波测量量并输出给导航定位解算模块；
[0023]
导航定位解算模块根据多分集跟踪通道模块提供的伪码和载波测量量计算得到载体的导航信息。
[0024]
可选的，所述累加值判断与选择模块根据各个分集跟踪通道的单路累加值确定跟踪模式，并对各路分集跟踪通道进行补偿与反馈控制，完成多分集接收信号环路跟踪处理，包括：
[0025]
判断各路分集跟踪通道对应的累加值能量大小，确定当前最接近信号入射方向的接收天线，并将该接收天线中频信号累加值以及对应的本地伪码生成器和载波生成器参数和状态，反馈给其他各路分集跟踪通道中的本地伪码生成器和载波生成器，使各路分集跟踪通道的跟踪状态保持一致；同时，根据分集跟踪通道中最大累加值所在通道的对应天线的变化方向，识别载体旋转方向；通过统计每次最大累加值切换通道的时间间隔，计算出载体旋转速度，根据载体旋转速度和分集天线安装位置求取当前时刻载体转角位置。
[0026]
可选的，所述累加值判断与选择模块具有三种工作模式，分别为直通模式、联合跟踪模式和天线切换模式；
[0027]
所述累加值判断与选择模块工作在直通模式下时，将分集跟踪通道模块中天线i的中频信号对应的累加量反馈给天线i的中频信号对应的伪码鉴别器和载波鉴别器，直至分集接收天线信号的稳定跟踪，天线i表示任意一路接收天线；
[0028]
所述累加值判断与选择模块工作在联合跟踪模式下时，通过判断各路分集跟踪通道对应的累加值能量大小，确定当前最接近信号入射方向的接收天线，并将该接收天线中频信号累加值以及对应的本地伪码生成器和载波生成器参数和状态，反馈给其他各路分集跟踪通道中的本地伪码生成器和载波生成器，使各路分集跟踪通道的跟踪状态保持一致；同时，根据分集跟踪通道中最大累加值所在通道的对应天线的变化方向，识别载体旋转方向；通过统计每次最大累加值切换通道的时间间隔，计算出载体旋转速度，根据载体旋转速度和分集天线安装位置求取当前时刻载体转角位置；
[0029]
识别出载体旋转方向及旋转速度后，累加值判断与选择模块立刻进入天线切换模式，通过补偿分集跟踪通道间的载波多普勒频移，保证各路分集接收天线间旋转切换后仍能稳定跟踪导航信号，不发生测量量中断。
[0030]
可选的，所述方法应用于自旋导弹时，设自旋导弹的自旋转速为n，自旋导弹的半径为r，导航卫星信号入射方向与导弹天线平面夹角为α，与天线相位中心与弹体质心连线夹角为β，则t时刻自旋切向速度v(t)为：
[0031]
v(t)＝2πnr
·
sin(2πnt-β)cos(α)
[0032]
t时刻自旋引起的载波多普勒频移δf
d
(t)为
[0033]
δf
d
(t)＝2πnr
·
sin(2πnt-β)cos(α)
·
f
c
/c
[0034]
其中，f
c
为gnss信号载波频率，c为真空中光速。
[0035]
本发明有益效果是：
[0036]
通过提供一种多分集天线接收跟踪环路，直接引入多个天线分集信号，利用分集跟踪环路中累加值判断与选择模块的三种模式自主切换能力，对接收信号进行连续性与稳定性补偿处理，能够在分集接收天线旋转切换后，仍保持导航信号连续稳定跟踪，保证接收机导航定位功能连续，同时提供转向、转速及转角信息。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
[0038]
图1是本发明一个实施例中提供的多分集天线接收导航接收机的构成示意图.
[0039]
图2是本发明一个实施例中提供的分集跟踪通道信号处理过程流程图。
[0040]
图3是本发明一个实施例中提供的多分集接收天线导航信号接收及切换示意图。
[0041]
图4是本发明一个实施例中提供的弹体天线安装与gnss信号入射方向示意图。
[0042]
图5是本发明一个实施例中提供的多分集跟踪通道模块构成示意图。
具体实施方式
[0043]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
[0044]
实施例一：
[0045]
本实施例提供一种多分集卫星导航接收机跟踪环路装置，如图1所示，所述多分集卫星导航接收机跟踪环路装置包括：导航信号接收模块、导航信号捕捉模块、多分集跟踪通道模块和导航定位解算模块；其中导航信号接收模块包括多路接收天线及各路接收天线分别对应的射频通道、模拟数字转换(adc)模块。多分集跟踪通道模块包括多个分集跟踪通道和累加值判断与选择模块；每个分集跟踪通道对应一路接收天线接收到的信号；每个分集跟踪通道设有本地伪码生成器和载波生成器，以完成各路信号的自身累加操作，得到各路信号的自身累加值，各个分集跟踪通道将各自对应信号的单路累加值传输至累加值判断与选择模块。
[0046]
导航信号接收模块中，多个接收天线分集接收卫星导航信号，经过独立的射频通道和adc模块，输出多路数字中频信号至导航信号捕获模块和多分集跟踪通道。
[0047]
导航信号捕获模块完成信号捕捉后输出载波多普勒和伪码相位信息，并输出至对应通道号的分集跟踪通道，并启动累加值判断与选择模块，实现多分集天线接收信号的连续稳定跟踪，并持续提供伪码和载波测量量至导航定位解算模块。
[0048]
对应通道号的分集跟踪通道针对多分集接收天线的每一路中频信号，完成与本地载波生成器和本地伪码生成器的相关累加操作，进一步将累加值送入累加值判断与选择模块。累加值判断与选择模块自主判断，选择当前跟踪模式，并对多分集跟踪通道进行补偿与
反馈控制，完成多分集接收信号环路跟踪处理。
[0049]
分集跟踪通道模块的构成请参考图5，包括多个分集跟踪通道和累加值判断与选择模块，每个分集跟踪通道设有本地伪码生成器和载波生成器，以完成信号与本地载波生成器和本地伪码生成器的相关累加操作，得到各路信号的自身累加值，各个分集跟踪通道将各自对应信号的单路累加值传输至累加值判断与选择模块，累加值判断与选择模块根据各个分集跟踪通道的单路累加值确定跟踪模式，并对各路分集跟踪通道进行补偿与反馈控制，完成多分集接收信号环路跟踪处理，得到伪码和载波测量量并输出给导航定位解算模块；所述导航定位解算模块根据多分集跟踪通道模块提供的伪码和载波测量量计算得到载体的导航信息。
[0050]
分集跟踪通道模块中多个分集跟踪通道的构成可参考：borre,kai,et al.a software-defined gps and galileo receiver:a single-frequency approach.springer science&business media,2007.一书中的相关介绍。
[0051]
分集跟踪通道中本地伪码生成器根据当前所跟踪接收天线信号硬件延迟大小，在生成伪码时进行延迟量补偿，避免分集跟踪通道中接收天线硬件延迟不同带来的误差影响。
[0052]
累加值判断与选择模块具有三种工作模式：直通模式，联合跟踪模式，天线切换模式。分集跟踪通道启动工作时，累加值判断与选择模块首先工作在直通模式，直至分集接收天线信号的稳定跟踪，并切换至联合跟踪模式。当识别出载体旋转引起接收天线切换时，累加值判断与选择模块使用天线切换模式，保证分集接收天线旋转切换后仍能稳定跟踪导航信号，不发生测量量中断。
[0053]
分集跟踪通道可通过分集接收天线序号变化方向，识别出载体旋转的方向。并通过计时器统计每次天线切换的时间间隔，计算出载体转速值，根据载体旋转速度和分集天线安装位置可直接求取某时刻载体转角位置。
[0054]
实施例二
[0055]
本实施例提供一种多分集卫星导航接收机跟踪环路方法，以应用于自旋导弹中为例进行说明。
[0056]
将多分集接收天线安装在自旋导弹上，弹体天线安装与gnss信号入射方向如图4所示，令导航卫星信号入射方向与导弹天线平面夹角为α，与天线相位中心与弹体质心连线夹角为β。
[0057]
如图1和图2所示，所述多分集卫星导航接收机跟踪环路方法包括：
[0058]
(1)安装在自旋导弹上的多个接收天线分集接收卫星导航信号，各路信号分别经过独立的射频通道和模拟数字转换(adc)模块，输出多路数字中频信号至导航信号捕获模块和多分集跟踪通道；
[0059]
(2)信号捕获完成后给出载波多普勒和伪码相位信息，输出至卫星导航接收机对应通道号的分集跟踪通道，并启动累加值判断与选择模块，实现多分集天线接收信号的连续稳定跟踪，并持续提供伪码和载波测量量至导航定位解算模块。
[0060]
由于多分集天线接收的信号经过独立的射频通道和adc模块，所以硬件延迟不一致，可在标定硬件延迟大小后，分集跟踪通道中的本地伪码生成器根据当前所跟踪接收天线硬件延迟大小，在生成伪码时进行延迟量补偿，避免分集跟踪通道中接收天线硬件延迟
不同带来的误差影响。
[0061]
上述的累加值判断与选择模块具体工作模式有三种，如图2所示，该模块具体操作如下：
[0062]
(1)直通模式。导弹发射前，多分集卫星导航接收机加电，分集跟踪通道开始工作，此时累加值判断与选择模块工作在直通模式，即将分集跟踪通道中天线n的中频信号对应的累加量反馈给天线n的中频信号对应的伪码鉴别器和载波鉴别器，直至分集接收天线信号的稳定跟踪。
[0063]
直通模式下的分集跟踪通道相当于多个传统的载波和伪码跟踪通道并行处理多个分集接收天线的中频信号。如图3所示，由于采用多分集天线保证信号接收全向性，必然存在某个接收天线指向导航信号入射方向(图3中，假设导弹发射前天线1指向导航信号入射方向)，分集跟踪通道中指向导航信号入射方向的跟踪通道能够实现稳定跟踪。
[0064]
(2)联合跟踪模式。导弹发射后开始自旋，多分集天线无法连续接收导航卫星信号，此时累加值判断与选择模块切换至联合跟踪模式。该模式通过判断分集跟踪通道中单路通道对应的累加值能量大小，确定当前时刻分集接收机中对应天线，该天线当前最接近信号入射方向，将该接收天线中频信号累加值以及对应的伪码生成器和载波生成器参数和状态，反馈给其他跟踪通道中的伪码生成器和载波生成器，使各路跟踪通道的跟踪状态保持一致。同时，根据分集跟踪通道中最大累加值所在通道的对应天线的变化方向，识别导弹旋转的方向。进一步，通过计时器统计每次最大累加值切换通道的时间间隔，计算出导弹转速值，根据导弹旋转速度和分集天线安装位置可直接求取某时刻导弹转角位置。
[0065]
(3)天线切换模式。如图3中所示相邻天线方向图会发生重叠，因导弹旋转使得入射导航信号方向会经过图3中切换处，此时指向信号入射方向的接收天线将发生切换。识别出导弹旋转方向及旋转速度后，累加值判断与选择模块立刻进入天线切换模式，通过补偿分集跟踪通道间的载波多普勒频移，保证分集接收天线间旋转切换后仍能稳定跟踪导航信号，不发生测量量中断。
[0066]
具体的，当导弹自旋转速为n，导弹半径为r时，令导航卫星信号入射方向与导弹天线平面夹角为α，与天线相位中心与弹体质心连线夹角为β，如图4所示，t表示时间变量，则自旋切向速度v(t)为：
[0067]
v(t)＝2πnr
·
sin(2πnt-β)cos(α)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0068]
则自旋引起的载波多普勒频移δf
d
(t)为
[0069]
δf
d
(t)＝2πnr
·
sin(2πnt-β)cos(α)
·
f
c
/c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0070]
其中，f
c
为gnss信号载波频率，c为真空中光速。
[0071]
鉴于gnss信号载波频率约在1200mhz～1600mhz范围，一般导弹自旋转速低于1circle/s，导弹半径取1m，则可知载波多普勒频移δf
d
(t)最值约在25-33hz之间，实际载波多普勒频移呈正弦变化，即绝大多数时间低于该范围。
[0072]
针对10ms的预检积分器，反正切锁频环(atan2 frequency lock loop,atan2 fll)鉴频器带宽为
±
50hz，因此对自旋引起的载波多普勒频移不敏感。同理可知，gnss信号的码频率低于10.23mhz，导弹自旋带来的码多普勒频移仅1-2hz，可忽略不计。
[0073]
由上分析可知，自旋状态下，单路跟踪通道对载波或伪码多普勒不敏感，在信号连续的情况下，可以保持稳定跟踪。但是，由于导弹上安装天线方向不同，导致其接收到的载
波多普勒有较大差距，假设在导弹壳体的圆周上均匀安装4副天线，则β可取45
°
、135
°
、225
°
、315
°
，则四路天线的载波多普勒频移最大可偏差约30hz。而在导弹发射前的静止状态，已经标定了各天线的实时位置以及头顶可视gnss卫星的方向，即已知式(1)中α和β初值，持续跟踪α和β，即可根据式(1)对每个分集跟踪通道进行载波多普勒补偿。
[0074]
因此，天线切换模式通过对各接收天线对应的累加值能量大小和变化，识别出指向导航信号入射方向的分集接收天线将发生切换，即由某一个天线/通道(记作天线/通道n)切换至相邻的另外一个天线/通道(记作天线/通道n+1)。所有通道均采用自身累加值，切换前，所有通道接受通道n的伪码生成器和载波生成器参数，并以通道n为自旋载波多普勒频移基准，根据式(1)补偿所有其他通道；切换后，通道n+1对应的累加值直接反馈给自身跟踪通道的伪码鉴别器和载波鉴别器，不再采用通道n的伪码生成器和载波生成器参数，自旋载波多普勒频移基准也随即切换为通道n+1，并将新的伪码生成器、载波生成器参数以及自旋载波多普勒频移补偿量反馈给其他所有通道。若由于导弹动态变化，导致跟踪失锁，则切换回(2)中联合跟踪模式。
[0075]
本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。
[0076]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。