一种基于随机共振算法的gnss载波环路跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于全球卫星导航系统领域，具体的说，涉及一种基于随机共振算法的 GNSS载波环路跟踪方法。
【背景技术】
[0002] 在GNSS系统中，由于卫星与接收机之间的相对运动，卫星时钟与接收机晶体振荡 器的频率漂移等因素的影响，接收到的卫星信号会存在一定的多普勒频偏，且不可预测。
[0003] GNSS接收系统的整个信号接收系统噪声温度会受到天际背景噪声、天线噪声、线 路损耗、环境温度和射频前端噪声等的影响，使接收信号信噪比较低。而且，在接收机正常 工作时，室内能够接收到的信号功率比室外低10~30dBW，这会导致接收到的信号信噪比 极低。以上这些因素都会造成接收机跟踪信号困难，或出现已锁定信号失锁现象，甚至有可 能造成接收机无法正常工作。
[0004] 因此，接收信号的载噪比和动态范围大小严重影响着载波环路的跟踪性能。信号 跟踪是通过逐步调整载波跟踪环路的反馈值来对捕获所获取的多普勒频移粗略值进行精 确提纯，确保本地信号与输入信号精确同步。一般是通过锁相环或锁频环来实现信号的跟 足示。
[0005] 传统的载波跟踪环路主要是由锁相环来完成。虽然锁相环能比较紧密地跟踪信 号，且载波相位测量值精确，所解调的数据具有较低的误比特率；但是，锁相环需要采用较 窄的噪声带宽（环路带宽），导致其对动态应力的容忍性较差。由于锁频环能够更加鲁棒地 容忍高动态应力，缺点是跟踪不紧密，环路噪声较高，载波相位测量不精确，解调数据误比 特率高。基于锁相环和锁频环各自的优缺点，在接收高动态信号的情况下，多采用锁频环辅 助锁相环来完成对信号的跟踪。
[0006] 对于高动态、低载噪比的接收信号，传统的锁相环、锁频环或者锁频环辅助锁相环 技术都难以对接收信号进行准确、紧密地跟踪。因此，尤其在恶劣环境下，对于高动态目标 所发射的低载噪比信号，设计出一套能够有效稳定的载波跟踪环路成为了一种新的技术需 求。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是提出一种GNSS载波环路跟踪方法，该方法在低载噪比、高动态环 境下，能够稳定地跟踪接收信号的载波环路。所述方法通过对输入信号进行积分累加和倍 乘反馈处理的随机共振算法来提高接收信号的信噪比。当信号的信噪比得到改善后，采用 二阶锁频环辅助三阶锁相环的方式来应对高动态的情况。锁频环中由于对信号的随机共振 处理，使其能适应更低信噪比的接收信号，在锁频环完成频率粗估后，由锁相环来实现对信 号相位的精确跟踪。本发明有效结合了随机共振算法在提高信噪比方面的优势和二阶锁频 环辅助三阶锁相环抗干扰性和鲁棒性的优点，该方法硬件实现简单、信号跟踪稳定，可满足 接收机在恶劣环境下对高动态卫星信号的可靠稳定跟踪。
[0008] 根据本发明的一个方面，提供了一种基于随机共振算法的GNSS载波环路跟踪方 法，所述方法包括下述步骤：步骤S1，中频信号提取；步骤S2,共轭复乘；步骤S3,随机共 振；步骤S4,频率判决；步骤S5 :频率鉴别；步骤S6 :二阶环路滤波；步骤S7 :相位鉴别；步 骤S8 :三阶环路滤波；步骤S9 :压控振荡器更新；步骤SlO :解调输出。
[0009] 其中，所述步骤Sl中，接收机下变频滤波之后，提取中频数字信号，用于载波环路 输入。
[0010] 其中，所述步骤S2中，共轭复乘利用压控振荡器输出的载波信号，去除输入信号 的中频载波。
[0011] 其中，所述步骤S3中，利用随机共振算法提高同相正交两路输入信号的信噪比。
[0012] 其中，所述步骤S4中，根据步骤S2中残余频差和预设阈值的比较结果进行频率判 决。
[0013] 可选的，根据频率判决结果选择系统工作在二阶锁频环或三阶锁相环。
[0014] 其中，所述步骤S5中，频率鉴别完成对输入信号的频率鉴别，同相正交两路输入 信号经过随机共振模块处理后信噪比增加，提高了鉴频精度。
[0015] 其中，所述步骤S6中，二阶环路滤波用于滤除频率鉴别结果中的高频成分和噪 声，取出平均分量去控制压控振荡器的输出频率。
[0016] 优选的，二阶环路滤波参数中，噪声带宽为0. 53033ωη?，其中GJnf为特征频率。
[0017] 其中，所述步骤S7中，鉴相器用来鉴别接收载波和复制载波之间的相位差异。
[0018] 其中，所述步骤S8中，三阶环路滤波用于滤除频率鉴别结果中的高频成分和噪 声，取出平均分量去控制压控振荡器的输出频率。
[0019] 其中，所述步骤S9中，通过改变环路滤波器输出的频率字，来实现对上一个时间 历元载波频率的更新。
[0020] 其中，所述步骤SlO中，输入信号去除载波后，提取出数字和噪声两路信号，并进 行解调输出。
[0021] 本发明的GNSS载波环路跟踪方法，硬件实现简单、信号跟踪稳定，可满足接收机 在恶劣环境下对高动态卫星信号的可靠稳定跟踪。
【附图说明】
[0022] 图1显示了本发明GNSS载波环路跟踪系统结构框图；
[0023] 图2显示了本发明随机共振模块结构示意图；
[0024] 图3显示了本发明随机共振模块各阶段信号对比图；
[0025] 图4显示了本发明整体方法流程图；
[0026] 图5显示了本发明中高动态模型多普勒频率变化示意图；
[0027] 图6显示了本发明数据解调结果示意图。
【具体实施方式】
[0028] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合【具体实施方式】并参 照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发 明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本 发明的概念。
[0029] 图1显示了本发明GNSS载波环路跟踪系统结构框图。
[0030] 如图1所示，接收机下变频后的中频信号作为环路的输入信号；经过共轭复乘去 除载波，得到含残余频率的基带信号I(n)，Q(n);然后通过随机共振算法处理提高两路信 号的信噪比；再进行频率判决，若频差大于所设阈值，则采用二阶锁频环进行跟踪；否则采 用三阶锁相环进行跟踪，以达到跟踪低载噪比、高动态接收信号的要求。此处详述本发明随 机共振算法的原理。
[0031] 随机共振是一种噪声对于微弱信号起到协助作用的非线性现象。对于给定的输入 信号和加性噪声，依据信号处理或传输要求，通过调节系统参数，使得噪声部分能量向信号 能量转移，从而可使系统处于共振峰区或共振点上，提高系统输出信噪比。
[0032] 随机共振主要应用于弱信号，非线性系统中，可以通过对输入信号进行积分累加 和倍乘反馈处理来提高接收信号的信噪比。本发明主要考虑了双稳态系统，它可由朗之万 (Langvein)方程来描述：
[0033] dx0 (t) /dt = ax0 (t) ~b [x0 (t) ] 3+χ； (t) +n (t) (I)
[0034] 其中系统方程的参数a、b为正数，X1 (t)为输入信号，Xci(t)为输出信号，n(t)为 高斯白噪声，且 E[n(t) =0],D[n(t)] = 〇2。
[0035] 从力学角度来看，Xl(t)可以看成一个在受信号调制的双稳态势阱中运动的过阻 尼粒子轨迹。势函数可表示为：
[0036] (2)
[0037] 势M尚反Δ V = aV4b，权卞田P栄戸的机忭用和微弱信号对于势阱的调制，系 统输出在某一个最佳噪声强度达到协同，即产生共振，调节参数能达到随机共振的效果。
[0038] 信号Xl(t)在一阶保持抽样时间间隔内，可以看成恒定值，对公式⑴作式⑶所 示变化·
[0039] (3)
[0040]
[0041] (4)
[0042] 其中石(〇可视为这段时间间隔内的输入信噪比，ξ (t) =n(t)/〇为归一化噪声。 观察变化后的系统函数式（4)的势函数VrCy, t)，势垒高度δΡ为：
[0043]
(5)
[0044] 由式（5)可以发现，当真实的噪声强度〇增加时，势垒么歹和输入信噪比石(t)嘟 在减小，但是减小速率不同，输入信号相对势垒增加了。参数调节可以更加灵活地改变最小 势高，进而加速粒子实现成功跃迁的概率，随机共振现象便得以发生，参数调节随机共振可 以加强或减弱非线性系统的作用，因而对于噪声固定系统，参数调节就显得尤为重要。
[0045] 图2显示了本发明随机共振模块结构示意图。
[0046] 如图2所示，本发明设计的随机共振模块结构由五个单元组成：
[0047] S31单元为加法器，实现对三个信号：输入信号，S34, S35反馈信号的相加运算； S32单元为积分器，实现对S31相加后信号的叠加累积；S33单元为运算器，对输出信号进行 立方取反；S34单元为倍乘器，实现将S33信号扩大b倍的功能；S35单元也是倍乘器，实现 将输出信号扩大a倍的功能。通常情况下，a值较大，而b值较小，通过调节随机共振模块 内的参数a、b，可以提高基带信号的信噪比。
[0048] 图3显示了本发明随机共振模块各阶段信号对比图。
[0049] 通过模拟接收卫星信号来说明随机共振的过程。考虑接收信号进过捕获后，其初 始多普勒频率差异在50Hz以下。如图3-1所示，本发明假设跟踪环路的输入信号的初始频 差为50Hz，多普勒频率变化率为lOOHz/s，信号幅值为1，模拟时长50ms。如图3-2所示，为 被加性高斯白噪声污染的信号，信噪比为20dB。通过调整系统参数，得到最佳随机共振时的 参数为a = 10，b = I. 0X107。随机共振处理结果如图3-3所示，可以看出处理后噪声的影 响大大减弱，信号的信噪比有显著的提升，增加20dB以上，虽然信号强度减弱，但这不会影 响后续锁频环（FLL)的跟踪性能。
[0050] 图4显示了本发明整体方法流程图。
[0051] 如图4所示，本发明通过随机共振模块对现有载波环路进行改进，主要分为以下 十个步骤：
[0052] 步骤S1，中频信号提取。
[0053] 接收机下变频滤波之后，提取中频数字信号，用于载波环路输入。假设载波环路输 入中频信号如式（6)所示：
[0054]
(6)
[0055] 其中A代表输入信号幅度，D (η)代表值为±1的数据码，fIF为输入中频频率，心为 输入多普勒频差，Ts为采样率，Θ。为初相位，n IF代表均值为零，方差为σ2的高斯白噪声。 Sif分成IIF，Qif两路送入载波环路。
[0056] 步骤S2,共轭复乘。
[0057] 主要利用压控振荡器（NCO)输出去除载波环路输入信号的中频载波。
[0058] NCO部分复制生成两份相位互差90°的正弦和余弦载波信号，如式（7)所示：
[0059] (7)
[0060] 其中fIF+f' d为由载波环路反馈输出得到的跟踪频率，0(n)为第η个时间历元的 NCO输出载波相位。
[0061] 去除载波的过程是将输入信号Sif (η)与NCO部分的复制信号做共轭复乘运算，如 图1的S2部分所示，去载波过程可由式（8)表示：
[0062]
(8)
[0063]其中，</?e(n) = 2冗八/^7；+Δ6>，Δθ = θ0 - 0,A/d =/d -<^反映了输 入信号Sif与复制信号Uci包含频率差异在内的相位差异，Afd代表载波频