一種高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體的北斗信號(hào)捕獲跟蹤接收方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體的北斗信號(hào)捕獲跟蹤接收方法，屬于無線通信領(lǐng) 域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在基于擴(kuò)頻的現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，通常使用發(fā)射機(jī)與接收機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，擴(kuò) 頻序列由發(fā)射機(jī)發(fā)出，使用接收機(jī)找到擴(kuò)頻序列的邊界并進(jìn)行接收。對(duì)于固定或慢速運(yùn)動(dòng) 終端而言，多普勒頻移及其變化不易產(chǎn)生較大頻率偏移，使得接收機(jī)較容易捕獲跟蹤到衛(wèi) 星信號(hào)。但是，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，載體運(yùn)動(dòng)的高速度引起多普勒頻移，載體運(yùn)動(dòng)的加速度引 起多普勒頻移的變化產(chǎn)生，使得接收信號(hào)產(chǎn)生頻率偏移和偏移變化。由于載體動(dòng)態(tài)引入的 多普勒頻率變化對(duì)跟蹤環(huán)的影響通過載波輔助消除，接收機(jī)的動(dòng)態(tài)性能主要取決于載波跟 蹤豐旲塊的性能。
[0003] 通常，載波跟蹤模塊中采用低階PLL(鎖相環(huán)）環(huán)進(jìn)行捕獲跟蹤，但在高動(dòng)態(tài)環(huán)境 下很難可靠工作。因此，需要設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的載波跟蹤模塊對(duì)載波頻率和相位進(jìn)行精 確估計(jì)，保證接收機(jī)快速捕獲跟蹤到衛(wèi)星信號(hào)。為了適應(yīng)高動(dòng)態(tài)同時(shí)保證跟蹤精度，采用鎖 頻環(huán)輔助鎖相環(huán)的混合載波跟蹤方法。鎖頻環(huán)直接跟蹤載波頻率，通過載波鑒頻器輸出多 普勒頻率估計(jì)誤差，具有較好的動(dòng)態(tài)性能，但跟蹤精度卻比鎖相環(huán)的低。而鎖相環(huán)直接對(duì)載 波相位進(jìn)行跟蹤，通過載波鑒相器提取相位估計(jì)誤差，當(dāng)環(huán)路閉合穩(wěn)定時(shí)有較高的跟蹤精 度，但鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)跟蹤能力差。因此，鎖頻環(huán)+鎖相環(huán)混合跟蹤可以在提高動(dòng)態(tài)跟蹤能力的 同時(shí)，保證跟蹤精度。同時(shí)，采用載波環(huán)輔助碼環(huán)消除碼序列的動(dòng)態(tài)，使碼跟蹤環(huán)路可工作 在很窄的帶寬下，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的碼相位跟蹤。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 有鑒于此，本發(fā)明提供了一種高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體的北斗信號(hào)捕獲跟蹤接收方法，能 夠快速捕獲跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，縮短捕獲時(shí)間，保證跟蹤可靠度，防止信號(hào)丟失。
[0005] 本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0006] 一種高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體的北斗信號(hào)捕獲跟蹤接收方法，包括以下步驟：
[0007] 步驟一：尚動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體捕獲衛(wèi)星彳目號(hào)，米用多次非相關(guān)累加以及Tong檢測(cè)，獲 取接收信號(hào)粗略的載波頻率和偽碼相位；
[0008] 步驟二：捕獲完成后轉(zhuǎn)入跟蹤過程，初始跟蹤時(shí)采用二階FLL進(jìn)行跟蹤，得到頻率 跟蹤誤差，當(dāng)頻率跟蹤誤差不小于預(yù)定閾值時(shí)，輸出選擇器選擇頻率跟蹤誤差反饋校正FLL 環(huán)數(shù)控振蕩器NC0的輸出載波頻率，實(shí)現(xiàn)跟蹤，轉(zhuǎn)入進(jìn)行步驟五；
[0009] 步驟三：當(dāng)頻率跟蹤誤差小于預(yù)定閾值，則轉(zhuǎn)為采用三階PLL進(jìn)行跟蹤，得到相位 跟蹤誤差，同時(shí)輸出選擇器選擇相位跟蹤誤差反饋校正FLL環(huán)數(shù)控振蕩器NC0的輸出相位， 實(shí)現(xiàn)精確跟蹤，得到頻率跟蹤誤差和相位跟蹤誤差，用于校正得到準(zhǔn)確的載波頻率，然后轉(zhuǎn) 入進(jìn)行步驟五；
[0010] 步驟四：若三階PLL相位跟蹤誤差大于預(yù)定閾值時(shí)，則跟蹤頻率誤差變大，轉(zhuǎn)回到 步驟二進(jìn)行二階FLL跟蹤，完成載波跟蹤；
[0011] 步驟五：步驟二、三、四得到準(zhǔn)確的頻率跟蹤誤差和相位跟蹤誤差，用于校正得到 準(zhǔn)確的載波頻率，載波頻率乘以固定的比例因子即為碼頻率，控制數(shù)控振蕩器NCO輸出精 確的碼頻率；同時(shí)，采用碼環(huán)鑒別器和碼環(huán)濾波器得到碼頻率跟蹤誤差，然后與碼頻率相加 即為準(zhǔn)確碼頻率，控制數(shù)控振蕩器NCO和碼發(fā)生器產(chǎn)生即時(shí)擴(kuò)頻碼，至此完成碼跟蹤。
[0012] 其中步驟一所述獲取接收信號(hào)的載波頻率誤差在幾十赫茲范圍內(nèi)，碼相位模糊度 降低至±0. 5個(gè)碼片內(nèi)，此時(shí)偏置載波NCO得到較為準(zhǔn)確的載波頻率。
[0013] 本發(fā)明的有益效果：
[0014] 1、本發(fā)明利用載波跟蹤結(jié)果輔助碼跟蹤，消除碼序列的動(dòng)態(tài)，使碼跟蹤環(huán)路可工 作在很窄的帶寬下，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的碼相位跟蹤；
[0015] 2、本發(fā)明在跟蹤策略上，先由鎖頻環(huán)對(duì)輸入信號(hào)的多普勒頻率進(jìn)行跟蹤，當(dāng)頻差 減小到鎖相環(huán)的捕捉帶內(nèi)以后，切換到鎖相環(huán)跟蹤；
[0016] 3、本發(fā)明使用兩種不同的環(huán)路帶寬或增益，捕捉時(shí)使環(huán)路具有較大的帶寬或增 益，鎖定以后使環(huán)路帶寬或增益變?yōu)樗枰恼Ｖ怠?br>【附圖說明】
[0017] 圖1為本發(fā)明高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體的北斗信號(hào)捕獲跟蹤接收方法框圖；
[0018] 圖2為本發(fā)明捕獲流程框圖；
[0019] 圖3為本發(fā)明混合載波捕獲跟蹤原理框圖；
【具體實(shí)施方式】
[0020] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步介紹。
[0021] 如圖1所示，本發(fā)明利用載波跟蹤結(jié)果輔助碼跟蹤，消除碼序列的動(dòng)態(tài)，使碼跟蹤 環(huán)路可工作在很窄的帶寬下，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的碼相位跟蹤。跟蹤策略上，先由鎖頻環(huán)對(duì) 輸入信號(hào)的多普勒頻率進(jìn)行跟蹤，當(dāng)頻差減小到鎖相環(huán)的捕捉帶內(nèi)以后，切換到鎖相環(huán)跟 足示。
[0022] 如圖2所示，為了提高捕獲靈敏度，在捕獲流程中采用多次非相關(guān)累加以及Tong 檢測(cè)。為了增大鎖頻環(huán)的捕捉帶，提高鎖頻環(huán)的捕捉性能，使之盡快進(jìn)入快捕帶內(nèi)，達(dá)到快 捕鎖定，可以采用：
[0023] (1)減小作用到環(huán)路上的起始頻差；
[0024] (2)使用兩種不同的環(huán)路帶寬或增益，捕捉時(shí)使環(huán)路具有較大的帶寬或增益，鎖定 以后使環(huán)路帶寬或增益變?yōu)樗枰恼Ｖ怠?br>[0025] 如圖3所示，為了提高動(dòng)態(tài)跟蹤能力，勢(shì)必增加環(huán)路帶寬，而增加環(huán)路帶寬就會(huì)引 入較大的跟蹤誤差。為了解決動(dòng)態(tài)環(huán)境跟蹤能力和提高跟蹤精度的矛盾，擴(kuò)頻接收機(jī)通道 處理載波環(huán)設(shè)計(jì)考慮采用鎖頻環(huán)+鎖相環(huán)的混合載波跟蹤方法。鎖頻環(huán)直接跟蹤載波頻 率，通過叉積載波鑒頻器輸出多普勒頻率估計(jì)誤差，具有較好的動(dòng)態(tài)性能，但跟蹤精度卻比 鎖相環(huán)的低。而鎖相環(huán)直接對(duì)載波相位進(jìn)行跟蹤，通過載波鑒相器提取相位估計(jì)誤差，當(dāng)環(huán) 路閉合穩(wěn)定時(shí)有較高的跟蹤精度，但鎖相環(huán)動(dòng)態(tài)跟蹤能力差。因此，鎖頻環(huán)+鎖相環(huán)混合跟 蹤可以在提高動(dòng)態(tài)跟蹤能力的同時(shí)，保證跟蹤精度。正常的載波跟蹤模式是鎖頻環(huán)，當(dāng)頻差 減小到一定的閾值時(shí)，轉(zhuǎn)入鎖相環(huán)跟蹤。根據(jù)動(dòng)態(tài)的變化情況，環(huán)路自動(dòng)實(shí)現(xiàn)鎖相環(huán)和鎖頻 環(huán)跟蹤方式的切換。同時(shí)，采用載波環(huán)輔助碼環(huán)消除碼序列的動(dòng)態(tài)，使碼跟蹤環(huán)路可工作在 很窄的帶寬下，從而實(shí)現(xiàn)了高精度的碼相位跟蹤。
[0026] 具體實(shí)現(xiàn)方式是在硬件FPGA平臺(tái)下，通過硬件描述語言形成相應(yīng)的邏輯門電路 塊實(shí)現(xiàn)，提高信號(hào)處理的速度。
[0027] 步驟一：高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體捕獲衛(wèi)星信號(hào)，采用多次非相關(guān)累加以及Tong檢測(cè)，獲 取接收信號(hào)粗略的載波頻率和偽碼相位；
[0028] 載波頻率誤差A(yù)f在幾十赫茲范圍內(nèi)，碼相位模糊度降低至±0. 5個(gè)碼片內(nèi)，此時(shí) 偏置載波NC0得到較為準(zhǔn)確的載波頻率；
[0029] 步驟二：捕獲完成后轉(zhuǎn)入跟蹤，如圖3所示過程，初始跟蹤時(shí)采用二階FLL進(jìn)行跟 蹤，由叉積鑒頻器和二階FLL濾波器構(gòu)成，可以得到頻率跟蹤誤差A(yù)f。此時(shí)，輸出選擇器 選擇頻率跟蹤誤差A(yù)f?反饋校正FLL環(huán)數(shù)控振蕩器NC0的輸出載波頻率，實(shí)現(xiàn)跟蹤。二階 FLL的主要參數(shù)是濾波器帶寬，確定帶寬按以下方法預(yù)估：
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體的北斗信號(hào)捕獲跟蹤接收方法，其特征在于，包括以下步驟： 步驟一：高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體捕獲衛(wèi)星信號(hào)，采用多次非相關(guān)累加以及Tong檢測(cè)，獲取接 收信號(hào)粗略的載波頻率和偽碼相位； 步驟二：捕獲完成后轉(zhuǎn)入跟蹤過程，初始跟蹤時(shí)采用二階FLL進(jìn)行跟蹤，得到頻率跟蹤 誤差，當(dāng)頻率跟蹤誤差不小于預(yù)定閾值時(shí)，輸出選擇器選擇頻率跟蹤誤差反饋校正FLL環(huán) 數(shù)控振蕩器NCO的輸出載波頻率，實(shí)現(xiàn)跟蹤，轉(zhuǎn)入進(jìn)行步驟五； 步驟三：當(dāng)頻率跟蹤誤差小于預(yù)定閾值，則轉(zhuǎn)為采用三階PLL進(jìn)行跟蹤，得到相位跟蹤 誤差，同時(shí)輸出選擇器選擇相位跟蹤誤差反饋校正FLL環(huán)數(shù)控振蕩器NCO的輸出相位，實(shí)現(xiàn) 精確跟蹤，得到頻率跟蹤誤差和相位跟蹤誤差，用于校正得到準(zhǔn)確的載波頻率，然后轉(zhuǎn)入進(jìn) 行步驟五； 步驟四：若三階PLL相位跟蹤誤差大于預(yù)定閾值時(shí)，則跟蹤頻率誤差變大，轉(zhuǎn)回到步驟 二進(jìn)行二階FLL跟蹤，完成載波跟蹤； 步驟五：步驟二、三、四得到準(zhǔn)確的頻率跟蹤誤差和相位跟蹤誤差，用于校正得到準(zhǔn)確 的載波頻率，載波頻率乘以固定的比例因子即為碼頻率，控制數(shù)控振蕩器NCO輸出精確的 碼頻率；同時(shí)，采用碼環(huán)鑒別器和碼環(huán)濾波器得到碼頻率跟蹤誤差，然后與碼頻率相加即為 準(zhǔn)確碼頻率，控制數(shù)控振蕩器NCO和碼發(fā)生器產(chǎn)生即時(shí)擴(kuò)頻碼，至此完成碼跟蹤。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體的北斗信號(hào)捕獲跟蹤接收方法，其特征在 于，其中步驟一所述獲取接收信號(hào)的載波頻率誤差在幾十赫茲范圍內(nèi)，碼相位模糊度降低 至±0. 5個(gè)碼片內(nèi)，此時(shí)偏置載波NCO得到較為準(zhǔn)確的載波頻率。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體的北斗信號(hào)捕獲跟蹤接收方法，能夠快速捕獲跟蹤衛(wèi)星信號(hào)，縮短捕獲時(shí)間，保證跟蹤可靠度，防止信號(hào)丟失。步驟一：高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體捕獲衛(wèi)星信號(hào)，采用多次非相關(guān)累加以及Tong檢測(cè)，獲取接收信號(hào)粗略的載波頻率和偽碼相位；步驟二：初始跟蹤時(shí)采用二階FLL進(jìn)行跟蹤，得到頻率跟蹤誤差，同時(shí)輸出選擇器選擇頻率跟蹤誤差反饋校正FLL環(huán)數(shù)控振蕩器NCO的輸出載波頻率；步驟三：當(dāng)頻率跟蹤誤差小于預(yù)定閾值時(shí)，則轉(zhuǎn)為采用三階PLL進(jìn)行跟蹤，得到相位跟蹤誤差，同時(shí)輸出選擇器選擇相位跟蹤誤差反饋校正FLL環(huán)數(shù)控振蕩器NCO的輸出相位，實(shí)現(xiàn)精確跟蹤；步驟四：當(dāng)三階PLL相位跟蹤誤差大于預(yù)定閾值時(shí)，轉(zhuǎn)回到步驟二進(jìn)行二階FLL跟蹤，完成載波跟蹤。
【IPC分類】G01S19-24, G01S19-30, G01S19-29
【公開號(hào)】CN104570016
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410844105
【發(fā)明人】關(guān)曉磊, 單立超, 呂倩, 呂學(xué)治
【申請(qǐng)人】北京航天科工世紀(jì)衛(wèi)星科技有限公司
【公開日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月30日