CN113093231A - 一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***及跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***及跟踪方法，包括卫星信号频率测量模块、FPGA可编程模块、精密频率源模块、自适应频标产生模块、显示模块和电源模块；卫星信号频率测量模块的信号输出端连接FPGA可编程模块的信号输入端，FPGA可编程模块的信号输出端和精密频率源模块的信号输出端分别连接自适应频标产生模块的信号输入端，自适应频标产生模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端；本发明能够大幅度提高北斗卫星信号的位置服务能力和定位精度，加强北斗卫星时频***的稳定性和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及一种频标跟踪***及跟踪方法，尤其涉及一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***及跟踪方法。
背景技术
在北斗时频信号跟踪***中，传统的相位比对方法（如传统的锁相环PLL等）是建立在固定频标基础之上，而针对异频信号之间的相位比对、测量和控制，主要依靠信号之间稳定的频率关系（如异频锁相环DFPLL等）。由于复杂的空地背景对卫星信号的干扰或北斗时频领域各自的应用特点，接收机实时接收到的信号频率（即被测频率信号的频率）往往是不同的，并经常伴有噪声，由此导致了频标信号和被测频率信号之间频率关系的复杂性，无法保证频率跟踪***的稳定性和准确度，大大降低了北斗导航定位的精度和位置服务能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***及跟踪方法，采用群周期相位比对方法，能够大幅度提高北斗卫星信号的位置服务能力和定位精度，加强北斗卫星时频***的稳定性和可靠性。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***，包括卫星信号频率测量模块、FPGA可编程模块、精密频率源模块、自适应频标产生模块、显示模块和电源模块；卫星信号频率测量模块的信号输出端连接FPGA可编程模块的信号输入端，FPGA可编程模块的信号输出端和精密频率源模块的信号输出端均与自适应频标产生模块的信号输入端连接，自适应频标产生模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端；
所述的卫星信号频率测量模块采用可编程计数器，用以获取北斗卫星信号频率的频率粗测值即北斗卫星信号频率整数部分的值；
所述的FPGA可编程模块采用FPGA，用以生成所述的可编程计数器以及控制自适应频标产生模块生成自适应频标信号；
所述的自适应频标产生模块，采用DDS，用以产生自适应频标信号；
所述的精密频率源模块，采用OCXO，用以产生自适应频标产生模块的外部时钟频率标准信号；
所述的显示模块，用于接收自适应频标产生模块输出的频率跟踪结果并进行显示。
所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75。
所述的可编程计数器由FPGA硬件描述语言通过编程实现。
所述的DDS采用DDS芯片AD9858。
所述的OCXO采用OSA 高性能5MHz OCXO8607B。
所述的自适应频标产生模块的输入端和精密频率源模块的输出端分别设置有SMA输入接口和BNC输出接口，SMA输入接口用于连接输入信号电缆，BNC输出接口用于连接输出信号电缆。
一种基于北斗时频的自适应频标跟踪方法，包括以下步骤：
步骤1：利用卫星信号频率测量模块，对北斗卫星信号频率进行测量，获取被测频率信号的频率粗测值即北斗卫星信号频率整数部分的值；
步骤2：建立FPGA与DDS之间的通信协议，使自适应频标产生模块能够识别来自FPGA可编程模块的信息；
步骤3：将被测频率信号的频率粗测值送到FPGA可编程模块，通过DDS频率字转换算法，将被测频率信号的频率粗测值转换为相应的频率字，频率字产生后被保存在FPGA可编程模块的存储器中；
步骤4：根据FPGA与DDS之间的通信协议，被保存在FPGA可编程模块的存储器中的频率字控制自适应频标产生模块合成出与被测频率信号的频率粗测值大小相同的自适应频标信号。
步骤1中所述的获取被测频率信号的频率粗测值的方法为：
步骤1.1：利用FPGA内部的锁相环产生高频时钟信号，所述的高频时钟信号通过由FPGA硬件描述语言编程实现的分频器产生闸门信号，闸门信号通过脉冲变换电路将矩形脉冲转换为线脉冲产生闸门时间；
步骤1.2：将被测频率信号送入卫星信号频率测量模块，即可编程计数器，在闸门时间内对被测频率信号进行无间隙计数并获得计数值；
步骤1.3：通过计数值获取被测频率信号的频率粗测值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明利用被测频率信号的频率粗测值获取自适应频标产生模块的控制信号，即通过被测频率信号的频率粗测值产生具有自适应频率值的自适应频标信号，被测频率信号与自适应频标信号之间具有微小的相对频率偏差，保证了群周相位比对方法的可行性和有效性，有利于被测频率信号与自适应频标信号之间的相位同步以及群周期的产生，更有利于发现群相位差和群量子化相位的科学变化规律；进一步的，通过自适应频标信号的自适应性，实现了射频范围内任意频率信号相位的直接测量、比对和处理，避免了北斗时频测量中异频相位处理方法的原理性缺陷，即具有复杂频率关系或大频率差异下相位测量、比对和处理的困难，有效解决了具有复杂频率关系或大频率差异下的相位比对问题，大大扩宽了频率测量的范围，实现了射频范围内任意可变卫星信号的实时频率跟踪。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1为本发明的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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，本发明所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***，包括卫星信号频率测量模块、FPGA可编程模块、精密频率源模块、自适应频标产生模块、显示模块和电源模块；卫星信号频率测量模块的信号输出端连接FPGA可编程模块的信号输入端，FPGA可编程模块的信号输出端和精密频率源模块的信号输出端均与自适应频标产生模块的信号输入端连接，自适应频标产生模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端。
所述的卫星信号频率测量模块由可编程计数器组成，用以产生北斗卫星信号频率的频率粗测值，即北斗卫星信号频率整数部分的值；所述的可编程计数器由FPGA（现场可编程门阵列）硬件描述语言通过编程产生，该可编程计数器区别于传统的实物计数器，相位噪声低，灵敏度高，闸门响应时间快；
所述的FPGA可编程模块采用FPGA，优选的，可采用Cyclone IV芯片EP4CE75，用以生成所述的可编程计数器以及控制自适应频标产生模块生成自适应频标信号；
所述的精密频率源模块，采用OCXO（高稳定度晶体振荡器），优选的，可采用采用OSA 高性能5MHz OCXO8607B，时钟频率的秒级频率稳定度为10-13量级，用以产生自适应频标产生模块的外部时钟频率标准信号；精密频率源模块的5MHz时钟频率作为DDS的外接时钟频率，通过FPGA产生的频率字对DDS外接时钟频率的控制，使所述的自适应频标产生模块合成产生出频率值与被测频率信号的频率粗测值完全相同的自适应频标信号；
所述的自适应频标产生模块，采用DDS（直接频率合成器），优选的可采用AD9858芯片，时钟频率的秒级频率稳定度为10-7量级，用以产生自适应频标信号；自适应频标信号的频率值与被测频率信号的频率粗测值相同，被测频率信号的频率粗测值仅仅是一个数值而不是一个具有能量的频率信号，通过FPGA对DDS外接时钟频率的控制产生与被测频率信号的频率粗测值相同的频标信号（能量信号），由于在频率合成和变换过程中时频传递的高稳定度和准确度的不变性，该自适应频标信号与精密频率源模块的5MHz时钟频率具有相同的秒级频率稳定度（秒级频率稳定度为10-13量级），这也是本发明中精密频率源模块没有采用DDS内部时钟频率（秒级频率稳定度为10-7量级）的主要原因；
所述的显示模块可采用LCD液晶显示器，用于接收自适应频标产生模块输出的频率跟踪结果并进行显示；
电源模块对整个***进行供电，可采用开关电源，相比于模拟电源具有输出稳定的优点。
优选的：为了保证信号传输稳定，本发明中还在自适应频标产生模块的输入端和精密频率源模块的输出端分别设置有SMA输入接口和BNC输出接口，SMA输入接口用于连接输入信号电缆，BNC输出接口用于连接输出信号电缆。
本发明所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪方法，包括以下步骤：
步骤1：利用卫星信号频率测量模块，对北斗卫星信号频率进行测量，获取被测频率信号的频率粗测值即北斗卫星信号频率整数部分的值；
具体的，获取被测频率信号的频率粗测值的方法为：
步骤1.1：利用FPGA内部的锁相环产生高频时钟信号，所述的高频时钟信号通过由FPGA硬件描述语言编程实现的分频器产生闸门信号，闸门信号通过脉冲变换电路将矩形脉冲转换为线脉冲产生闸门时间；
步骤1.2：将被测频率信号送入卫星信号频率测量模块，即由FPGA硬件描述语言通过编程产生的可编程计数器，在闸门时间内对被测频率信号进行无间隙计数并获得计数值；
步骤1.3：通过对计数值进行处理，获取被测频率信号的频率粗测值；被测频率信号的频率粗测值作为自适应频标产生模块中DDS的控制信号，具有与自适应频标信号同样大小的频率，即被测频率信号的频率粗测值就是自适应频标信号的频率值，当被测频率信号的频率粗测值发生变化时，自适应频标信号的频率值将发生相同变化，保证自适应频标信号始终跟踪被测频率信号的频率粗测值保持严格的频率同步；
步骤2：建立FPGA与DDS之间的通信协议，使自适应频标产生模块能够识别来自FPGA可编程模块的信息；
步骤3：将被测频率信号的频率粗测值送到FPGA可编程模块，通过DDS频率字转换算法，将被测频率信号的频率粗测值转换为相应的频率字，频率字产生后被保存在FPGA可编程模块的存储器中；
步骤4：根据FPGA与DDS之间的通信协议，被保存在FPGA可编程模块的存储器中的频率字控制自适应频标产生模块合成出与被测频率信号的频率粗测值大小相同的自适应频标信号。
与现有技术相比，本发明所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***及跟踪方法，其有益效果在于：
传统的高精度频率跟踪方法是基于对跟踪频率的测量，在频率测量过程中，采用传统的相位比对技术，必须将跟踪频率经过混频、倍频以及频率合成等使其频率值与频标信号的频率值相同即跟踪频率的归一化处理，才能获得跟踪频率的测量结果，但如果被跟踪的频率是未知的，将无法实现跟踪频率的归一化处理，即传统的高精度频率跟踪方法无法实现被测频率信号的频率跟踪；
自适应频率跟踪方法也是基于对跟踪频率的测量，但是在频率测量过程中，无需跟踪频率的各种频率变换，也无需已知跟踪频率的大小，仅需测量出跟踪频率的频率标称值以确定要合成产生出自适应频标信号的频率值，在整个频率跟踪过程中，跟踪频率没有改变，改变的是自适应频标信号的频率值，而自适应频标信号的频率稳定度和准确度在时频传递过程中并没有发生变化，即自适应频标信号的科学含义并不在于一个固定不变的频率值，而是它永恒不变的稳定度和准确度；
综上所述，相对于传统的频标跟踪技术，本发明所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪方法无需混频、分频、倍频等复杂的频率变换线路，即无需被测频率的归一化处理，只需利用FPGA的频率控制技术即能够大幅度提高频标跟踪和同步的精度，被测北斗卫星信号频率和自适应频标信号之间的实时频率关系更加稳定。
进一步的，本发明所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***的电路结构简单，成本低廉，相位噪声低，频标跟踪和同步精度均得到了大幅度提高，***更加稳定，安全性、可靠性更高，任意时刻被测北斗卫星信号频率的跟踪精度优于±0.5Hz。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (8)
1.一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***，其特征在于：包括卫星信号频率测量模块、FPGA可编程模块、精密频率源模块、自适应频标产生模块、显示模块和电源模块；卫星信号频率测量模块的信号输出端连接FPGA可编程模块的信号输入端，FPGA可编程模块的信号输出端和精密频率源模块的信号输出端均与自适应频标产生模块的信号输入端连接，自适应频标产生模块的信号输出端连接显示模块的信号输入端；
所述的卫星信号频率测量模块采用可编程计数器，用以获取北斗卫星信号频率的频率粗测值即北斗卫星信号频率整数部分的值；
所述的FPGA可编程模块采用FPGA，用以生成所述的可编程计数器以及控制自适应频标产生模块生成自适应频标信号；
所述的自适应频标产生模块，采用DDS，用以产生自适应频标信号；
所述的精密频率源模块，采用OCXO，用以产生自适应频标产生模块的外部时钟频率标准信号；
所述的显示模块，用于接收自适应频标产生模块输出的频率跟踪结果并进行显示。
2.根据权利要求1所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***，其特征在于：所述的FPGA采用Cyclone IV芯片EP4CE75。
3.根据权利要求1所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***，其特征在于：所述的可编程计数器由FPGA硬件描述语言通过编程实现。
4.根据权利要求1所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***，其特征在于：所述的DDS采用DDS芯片AD9858。
5.根据权利要求1所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***，其特征在于：所述的OCXO采用OSA 高性能5MHz OCXO8607B。
6.根据权利要求1所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***，其特征在于：所述的自适应频标产生模块的输入端和精密频率源模块的输出端分别设置有SMA输入接口和BNC输出接口，SMA输入接口用于连接输入信号电缆，BNC输出接口用于连接输出信号电缆。
7.一种利用权利要求1至6任意一项所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪***进行的跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：利用卫星信号频率测量模块，对北斗卫星信号频率进行测量，获取被测频率信号的频率粗测值即北斗卫星信号频率整数部分的值；
步骤2：建立FPGA与DDS之间的通信协议，使自适应频标产生模块能够识别来自FPGA可编程模块的信息；
步骤3：将被测频率信号的频率粗测值送到FPGA可编程模块，通过DDS频率字转换算法，将被测频率信号的频率粗测值转换为相应的频率字，频率字产生后被保存在FPGA可编程模块的存储器中；
步骤4：根据FPGA与DDS之间的通信协议，被保存在FPGA可编程模块的存储器中的频率字控制自适应频标产生模块合成出与被测频率信号的频率粗测值大小相同的自适应频标信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于北斗时频的自适应频标跟踪方法，其特征在于：步骤1中所述的获取被测频率信号的频率粗测值的方法为：
步骤1.1：利用FPGA内部的锁相环产生高频时钟信号，所述的高频时钟信号通过由FPGA硬件描述语言编程实现的分频器产生闸门信号，闸门信号通过脉冲变换电路将矩形脉冲转换为线脉冲产生闸门时间；
步骤1.2：将被测频率信号送入卫星信号频率测量模块，即可编程计数器，在闸门时间内对被测频率信号进行无间隙计数并获得计数值；
步骤1.3：通过计数值获取被测频率信号的频率粗测值。
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| GR01 | Patent grant |