CN108226967B - Gnss信号跟踪方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种GNSS信号跟踪方法及装置。所述方法包括：分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积，得到同相分量累积结果和正交分量累积结果；对所述同相分量累积结果和正交分量累积结果利用鉴别器进行处理，得到鉴别误差；对所述鉴别误差利用环路滤波器进行环路滤波，得到误差信号；利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新。本发明能够通过累加多颗不同卫星的信号能量，来进一步提高信号增益，从而提高GNSS信号跟踪的灵敏度。

Description

GNSS信号跟踪方法及装置
技术领域
本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种GNSS信号跟踪方法及装置。
背景技术
最常见的GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星***)接收机验证指标包括TTFF(Time To First Fix，首次定位时间)、接收机灵敏度和定位准确度，灵敏度指标是各个GNSS接收机最为重要的性能指标之一。对于GNSS***而言，灵敏度指标又包括多个场景下的指标，分别为：跟踪灵敏度、冷/热/温启动捕获灵敏度。GNSS接收机首先完成对卫星信号的捕获，完成GNSS接收机在冷/热/温启动模式下所需要的最低信号强度为冷/热/温启动捕获灵敏度；在捕获之后能够维持对卫星信号跟踪所需要的最低信号强度为跟踪灵敏度。
随着GNSS应用范围的不断扩展，对GNSS接收机的灵敏度要求也越来越高，高灵敏度的接收机性能可以使接收机在卫星信号很弱的情况下仍然能够实现定位和跟踪。
GNSS接收机的灵敏度主要受两个部分的限制：接收机射频前端电路包括天线部分的设计以及接收机基带算法的设计。其中，接收机射频前端电路决定了接收信号到达基带部分的信噪比，而基带算法则决定了信号解调、捕获、跟踪过程中所能容忍的最小信噪比。
在以硬件电路形式实现的接收机射频前端固定的情况下，基带算法性能基于更加灵活的软件设计且直接影响GNSS信号捕获、跟踪以及解调过程对载噪比的最低要求。以GNSS***中的GPS(Global Position System，全球定位***)为例，GPS信号是一个扩频***，对于GPS***而言，其扩频码为码长1023的Gold码，码速率为1.023Mbps，即每1ms为一个C/A码周期。因此，现有的接收机设计一般都可以通过加长本地码和接收信号之间的积分时间来提高接收信号的信噪比。
其中，积分方式分为相干累积和非相干累积。相干累积是指直接将本地码和接收信号按位相乘后再累加，而非相干累积则是对相干累积的结果再进行直接相加。相干累积结果可根据下述公式进行计算：
Figure BDA0001181335850000021
Figure BDA0001181335850000022
其中，Δf为本地载波与输入信号载波之间的频率差，单位为Hz(赫兹)；T为相干累积时间；CN0为信号到达基带时的载噪比，单位为dB˙Hz；R(τ)为C/A码的自相关函数；
Figure BDA0001181335850000023
为初始相位差；D为信号调制的导航电文符号，其值为±1；ηI和ηQ分别为I路和Q路的噪声。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：
由上述公式可知，相干累积结果和相干累积时长非常相关，相干累积时间越长，对输进信噪比的要求越低，其灵敏度也就越高，但累积时间过长，由于受频偏Δf的影响，上式中第一项值也就越小，又会降低灵敏度。非相干累积结果为Σ(Ii 2+Qi 2)，通过上述公式还可以看出，当非相干累积时，由于ηI和ηQ的存在，其信噪比会比相干累积有所降低。
发明内容
本发明提供的GNSS信号跟踪方法及装置，能够通过累加多颗不同卫星的信号能量，来进一步提高信号增益，从而提高GNSS信号跟踪的灵敏度。
第一方面，本发明提供一种GNSS信号跟踪方法，包括：
分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积，得到同相分量累积结果和正交分量累积结果；
对所述同相分量累积结果和正交分量累积结果利用鉴别器进行处理，得到鉴别误差；
对所述鉴别误差利用环路滤波器进行环路滤波，得到误差信号；
利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新。
可选地，在所述分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，所述方法还包括：
对于每个跟踪通道，将输入的中频数字信号分别与各跟踪通道的本地载波的cos()和sin()分量相乘，相乘结果分别与本地码进行相关运算，相关运算结果分别用积分器进行相干累积和非相干累积，分别得到各跟踪通道的同相分量和正交分量。
可选地，在所述分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，所述方法还包括：
检测各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量是否达到预设的载噪比门限，当各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量达到预设的载噪比门限时，分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积。
可选地，在所述分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，所述方法还包括：
对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行初始化。
可选地，所述利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新包括：利用所述误差信号对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行统一更新。
第二方面，本发明提供一种GNSS信号跟踪装置，包括：
能量累积单元，用于分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积，得到同相分量累积结果和正交分量累积结果；
鉴别器，用于对所述同相分量累积结果和正交分量累积结果利用鉴别器进行处理，得到鉴别误差；
环路滤波器，用于对所述鉴别误差利用环路滤波器进行环路滤波，得到误差信号；
更新单元，用于利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新。
可选地，所述装置还包括：
乘法器，用于对于每个跟踪通道，将输入的中频数字信号分别与各跟踪通道的本地载波的cos()和sin()分量相乘；
相关器，用于将所述乘法器的相乘结果分别与本地码进行相关运算；
相干累积单元，用于对所述相关器的相关运算结果用积分器进行相干累积；
非相干累积单元，用于对所述相干累积单元的累积结果进行非相干累积，分别得到各跟踪通道的同相分量和正交分量。
可选地，所述装置还包括：
检测单元，用于在所述能量累积单元分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，检测各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量是否达到预设的载噪比门限；
当所述检测单元检测到各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量达到预设的载噪比门限时，所述能量累积单元分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积。
可选地，所述装置还包括：
初始化单元，用于在所述能量累积单元分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行初始化。
可选地，所述更新单元，用于利用所述误差信号对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行统一更新。
本发明实施例提供的GNSS信号跟踪方法及装置，分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积，得到同相分量累积结果和正交分量累积结果，对所述同相分量累积结果和正交分量累积结果利用鉴别器进行处理，得到鉴别误差，对所述鉴别误差利用环路滤波器进行环路滤波，得到误差信号，利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新。与现有技术相比，各颗卫星不再是独立跟踪，而是将所有卫星的跟踪通道整合为一个跟踪通道进行统一更新，通过累加多颗不同卫星的信号能量，来进一步提高信号增益，从而提高GNSS信号跟踪的灵敏度。
附图说明
图1为现有技术中GNSS信号跟踪方法的跟踪环路结构框图；
图2为本发明一实施例GNSS信号跟踪方法的流程图；
图3为本发明一实施例GNSS信号跟踪方法的跟踪环路结构框图；
图4为本发明一实施例GNSS信号跟踪装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为现有的一种通用的GNSS信号跟踪方法的跟踪环路结构框图。各颗卫星各自占用一个跟踪通道进行各自的跟踪环路更新。其中，对于某一个跟踪通道来说，其基本处理流程是：首先，输入中频数字信号分别与本地载波的cos()和sin()分量相乘，接着信号再与本地码进行相关运算，相关结果用积分器进行相干累积和非相干累积得到同相分量I和正交分量Q，然后利用鉴别器处理同相分量和正交分量，从而得到鉴别误差，鉴别器误差作为输入送给环路滤波器，得到的误差信号分别反馈给载波NCO(NumericallyControlled Oscillator，数字控制振荡器)和伪码发生器，完成对信号载波和码的跟踪调整。
本发明提供一种GNSS信号跟踪方法，如图2所示，所述方法包括：
S11、分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积，得到同相分量累积结果和正交分量累积结果。
其中，在步骤S11之前，对于每个跟踪通道，将输入的中频数字信号分别与各跟踪通道的本地载波的cos()和sin()分量相乘，相乘结果分别与本地码进行相关运算，相关运算结果分别用积分器进行相干累积和非相干累积，分别得到各跟踪通道的同相分量和正交分量。
进一步地，在步骤S11之前，检测各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量是否达到预设的载噪比门限，当各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量达到预设的载噪比门限时，分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积。
进一步地，在步骤S11之前，对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行初始化。
S12、对所述同相分量累积结果和正交分量累积结果利用鉴别器进行处理，得到鉴别误差。
S13、对所述鉴别误差利用环路滤波器进行环路滤波，得到误差信号。
S14、利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新。
具体地，利用所述误差信号对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行统一更新。
本发明实施例提供的GNSS信号跟踪方法，分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积，得到同相分量累积结果和正交分量累积结果，对所述同相分量累积结果和正交分量累积结果利用鉴别器进行处理，得到鉴别误差，对所述鉴别误差利用环路滤波器进行环路滤波，得到误差信号，利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新。与现有技术相比，各颗卫星不再是独立跟踪，而是将所有卫星的跟踪通道整合为一个跟踪通道进行统一更新，通过累加多颗不同卫星的信号能量，来进一步提高信号增益，从而提高GNSS信号跟踪的灵敏度。
如图3所示，为本发明实施例提出的GNSS信号跟踪方法的跟踪环路结构框图。与图2所示的常规跟踪环路的主要区别是：此时各颗卫星不再是各自独立跟踪，而是使用一个跟踪环路进行统一更新。在鉴别器的输入上，本发明实施例提出的新的跟踪环路对各个通道不同卫星的非相干累积结果进行进一步的能量累积，累积结果作为鉴别器的输入，之后鉴别器的输出结果对所有跟踪通道进行统一更新，不再是常规环路中各个通道分别进行跟踪和更新环路参数。
具体地，采用图3所示的跟踪环路进行GNSS信号跟踪的具体流程如下：
(1)检测到接收机处于静态模式，且定位位置可信度高，记录定位的位置；
(2)设置一个CNR(Carrier Noise Ratio，载噪比)门限，当检测到信号能量达到该CNR门限时，进入高灵敏度跟踪模式；
(3)预测当前时间点各颗卫星信号的状态包括载波多普勒、多普勒变化率、码相位；
(4)初始化跟踪载波频率的FLL(Frequency Lock Loop，锁频环)，包括跟踪本地晶振动态的钟漂信息和各颗卫星的由卫星运动引起的载波多普勒信息；初始化各个通道DLL(Delay Lock Loop，延迟锁相环)的本地码相位信息；
(5)将所有跟踪通道的非相干累积结果进行再次累积；
(6)上一步累积结果进入FLL和DLL环路滤波器，进行所有通道的统一环路更新；
(7)根据实时预测信息更新各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量；
重复步骤(5)至(7)，进行GNSS信号跟踪。
本发明实施例还提供一种GNSS信号跟踪装置，如图4所示，所述装置包括：
能量累积单元11，用于分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积，得到同相分量累积结果和正交分量累积结果；
鉴别器12，用于对所述同相分量累积结果和正交分量累积结果利用鉴别器进行处理，得到鉴别误差；
环路滤波器13，用于对所述鉴别误差利用环路滤波器进行环路滤波，得到误差信号；
更新单元14，用于利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新。
本发明实施例提供的GNSS信号跟踪装置，分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积，得到同相分量累积结果和正交分量累积结果，对所述同相分量累积结果和正交分量累积结果利用鉴别器进行处理，得到鉴别误差，对所述鉴别误差利用环路滤波器进行环路滤波，得到误差信号，利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新。与现有技术相比，各颗卫星不再是独立跟踪，而是将所有卫星的跟踪通道整合为一个跟踪通道进行统一更新，通过累加多颗不同卫星的信号能量，来进一步提高信号增益，从而提高GNSS信号跟踪的灵敏度。
可选地，所述装置还包括：
乘法器，用于对于每个跟踪通道，将输入的中频数字信号分别与各跟踪通道的本地载波的cos()和sin()分量相乘；
相关器，用于将所述乘法器的相乘结果分别与本地码进行相关运算；
相干累积单元，用于对所述相关器的相关运算结果用积分器进行相干累积；
非相干累积单元，用于对所述相干累积单元的累积结果进行非相干累积，分别得到各跟踪通道的同相分量和正交分量。
可选地，所述装置还包括：
检测单元，用于在所述能量累积单元分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，检测各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量是否达到预设的载噪比门限；
当所述检测单元检测到各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量达到预设的载噪比门限时，所述能量累积单元分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积。
可选地，所述装置还包括：
初始化单元，用于在所述能量累积单元分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行初始化。
可选地，所述更新单元，用于利用所述误差信号对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行统一更新。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述的存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random AccessMemory，RAM)等。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种GNSS信号跟踪方法，其特征在于，包括：
分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积，得到同相分量累积结果和正交分量累积结果；
对所述同相分量累积结果和正交分量累积结果利用鉴别器进行处理，得到鉴别误差；
对所述鉴别误差利用环路滤波器进行环路滤波，得到误差信号；
利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新；
所述利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新包括：利用所述误差信号对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行统一更新。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，所述方法还包括：
对于每个跟踪通道，将输入的中频数字信号分别与各跟踪通道的本地载波的cos()和sin()分量相乘，相乘结果分别与本地码进行相关运算，相关运算结果分别用积分器进行相干累积和非相干累积，分别得到各跟踪通道的同相分量和正交分量。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，所述方法还包括：
检测各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量是否达到预设的载噪比门限，当各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量达到预设的载噪比门限时，分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在所述分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，所述方法还包括：
对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行初始化。
5.一种GNSS信号跟踪装置，其特征在于，包括：
能量累积单元，用于分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积，得到同相分量累积结果和正交分量累积结果；
鉴别器，用于对所述同相分量累积结果和正交分量累积结果利用鉴别器进行处理，得到鉴别误差；
环路滤波器，用于对所述鉴别误差利用环路滤波器进行环路滤波，得到误差信号；
更新单元，用于利用所述误差信号对所述各个跟踪通道进行统一更新；
所述更新单元，还用于利用所述误差信号对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行统一更新。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
乘法器，用于对于每个跟踪通道，将输入的中频数字信号分别与各跟踪通道的本地载波的cos()和sin()分量相乘；
相关器，用于将所述乘法器的相乘结果分别与本地码进行相关运算；
相干累积单元，用于对所述相关器的相关运算结果用积分器进行相干累积；
非相干累积单元，用于对所述相干累积单元的累积结果进行非相干累积，分别得到各跟踪通道的同相分量和正交分量。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
检测单元，用于在所述能量累积单元分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，检测各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量是否达到预设的载噪比门限；
当所述检测单元检测到各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号能量达到预设的载噪比门限时，所述能量累积单元分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：
初始化单元，用于在所述能量累积单元分别对各个跟踪通道的不同卫星所产生的中频数字信号经过非相干累积后得到的同相分量和正交分量进行进一步的能量累积之前，对所述各个跟踪通道的载波多普勒分量和码相位分量进行初始化。
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