一種多頻衛星導航接收機快速引導跟蹤方法及裝置與流程

2023-05-28 07:46:36 2

本發明涉及多頻高精度衛星導航接收機，特別是一種多頻衛星導航接收機快速引導跟蹤方法及裝置。

背景技術：

目前，衛星導航多頻接收機普遍對同一顆衛星的多個頻點信號單獨進行捕獲、跟蹤以及電文解碼。由於捕獲模塊是串行工作的，同一顆衛星的多個頻點信號需要輪流佔用捕獲模塊進行信號捕獲，導致處理時間較長，且捕獲模塊需要兼容多個頻點，實現複雜度較高。

針對並行快速多頻接收機，存在一種快速引導跟蹤裝置，通過捕獲一顆衛星上的某一個頻點，將捕獲頻點的都卜勒頻移換算到其他頻點的都卜勒頻移，同時將捕獲頻點的初始碼相位直接設置為其他衛星的初始碼相位，對該衛星其他頻點進行引導跟蹤。

然而，由於同一顆衛星不同頻點的擴頻碼速率不同，導致捕獲轉引導跟蹤時，碼相位偏移量不同。以捕獲L1頻點引導L5頻點跟蹤為例，L1頻點的碼速率為1.023MHz，L5頻點的碼速率為10.23MHz。由於L1頻點的捕獲模塊會產生1-2個碼片的偏移，此偏移會通過L1頻點的引導跟蹤模塊進行修正。然而此1-2個碼片的碼相位偏移會導致L5頻點10-20個碼片的碼相位偏移，使得無法正確跟蹤L5頻點，進而導致此快速引導跟蹤裝置失效。特別地，即使將L5頻點的初始碼相位在L1初始相位的基礎上預設一個固定偏移，也無法保證L5頻點順利跟蹤。這是因為，不同時間、不同衛星、不同環境下的捕獲模塊產生的碼相位偏移也不同，因此通過對L5碼相位進行提前偏移有著一定的局限性。其次，另一種方案提出可以將L1頻點跟蹤鎖定後的準確相位信息作為L5頻點的初始相位信息進行引導跟蹤。然而，由於要保證L1和L5跟蹤模塊的同步性，需要在電路時序圖上精確設計，可適用範圍也存在一定的局限性。並且通過利用L1頻點的跟蹤鎖定信息再去引導跟蹤L5模塊，會導致L1和L5頻點存在一定的時延，此時延對於後續的多衛星多頻點定位造成很大的不確定性。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是，針對現有技術不足，提供一種多頻衛星導航接收機快速引導跟蹤方法及裝置。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：一種多頻衛星導航接收機快速引導跟蹤方法，包括以下步驟：

1)通過射頻通道分別將不同頻點的射頻信號下變頻到中頻信號，L1頻點和L5頻點的中頻信號接收通道同步打開，進行同步數據接收；

2)對L1頻點信號進行捕獲，得到L1頻點的碼相位和都卜勒；

3)生成L1和L5頻點信號的本地偽碼，等待L1頻點和L5頻點信號啟動跟蹤；

4)在L1頻點信號被捕獲成功後，利用L1頻點信號的都卜勒值乘以L5頻點頻率值，再除以L1頻點頻率值作為L5頻點信號的都卜勒值fd5，即：fd5＝fd1*f5/1；其中f5為L5頻點的射頻中心頻率，f1為L1頻點的射頻中心頻率，fd1為L1頻點的都卜勒值；

5)將L1頻點信號的初始碼相位作為L5頻點信號的初始碼相位，設為CUR；

6)將L1頻點的初始都卜勒值fd1和初始碼相位值CUR，作為L1跟蹤模塊的輸入參數進行引導跟蹤；與此同時，將L5頻點信號的初始都卜勒值fd5和初始碼相位值CUR作為L5跟蹤模塊的輸入參數進行引導跟蹤。

L1頻點信號的引導跟蹤過程包括：進行二級相關器累加積分運算，每一級相關器有8個相關器；利用第一級相關器作為引導過程，以L1頻點的碼相位作為準時通道，以準時通道為基準，二分之一個碼片為相關器間隔，組成8個寬相關器，選取累加包絡值最大的相關器，若此最大值超過其他7個累加包絡值的平均值的兩倍，則開始進入跟蹤過程，並將該累加包絡值最大的相關器通道位置作為第二級相關器準時通道，八分之一個碼片為相關器間隔，包括該準時通道本身，組成8個窄相關器；最後，採用載波環和碼環鑑相方法對此8個窄相關器積分累加值進行運算，不斷調整載波相位的位置和8個窄相關器的位置，實現L1的頻率信號跟蹤和鎖定。

L5頻點信號的引導跟蹤過程包括以下步驟：

1)進行三級相關器累加積分運算，每一級相關器有8個相關器，其中第一級相關器自適應可變位置，利用第一級相關器作為引導過程，以L1頻點的碼相位作為準時通道，以準時通道為基準，2個碼片為相關器間隔，組成8個寬相關器，即第二級寬相關器；寬相關器的最大級數MAX_COR和計數器COUNT清零；

2)選取8個相關器中累加包絡值最大的相關器，若此最大值超過其他7個累加包絡值的平均值的兩倍，將該累加包絡值最大的相關器通道位置作為下一級相關器準時通道，並開始進入下一級跟蹤過程，跳入步驟4)；若8個寬相關器沒有一個相關器的累加包絡值超過預設的門限值，則計數器COUNT的值加1，進入步驟4)；

3)若COUNT>MAX_COR，則判定L5無法引導跟蹤，結束；若COUNT≤MAX_COR，則將準時通道調整為CUR*＝CUR-16，返回執行步驟3)；

4)調整第二級寬相關器的間隔為二分之一個碼片，以準時通道為基準，組成8個寬相關器，選取8個相關器中累加包絡值最大的相關器作為下一級相關器準時通道，下一級相關器組為八分之一個碼片為相關器間隔，包括準時通道本身，組成第三級8個窄相關器；最後，通過採用載波環和碼環鑑相方法對此8個窄相關器積分累加值進行運算，不斷調整載波相位的位置和8個窄相關器的位置，實現L5的頻率信號跟蹤和鎖定。

相應的，本發明還提供了一種多頻衛星導航接收機快速引導跟蹤裝置，包括：

天線：用於接收不同頻點的射頻信號；

L1頻點射頻通道：用於將L1頻點的射頻信號下變頻到中頻信號；

L1頻點捕獲模塊：用於將L5頻點的射頻信號下變頻到中頻信號；

L1頻點捕獲模塊：用於對L1頻點信號進行捕獲，得到L1頻點的碼相位和都卜勒；

L1跟蹤模塊：用於進行L1頻點信號的引導跟蹤；

L5跟蹤模塊：用於進行L5頻點信號的引導跟蹤。

所述L1跟蹤模塊包括：

第一級相關器：包括8個寬相關器；所述8個寬相關器的組成過程包括：以捕獲模塊送入的初始碼相位作為準時通道，以準時通道為基準，二分之一個碼片為相關器間隔，組成8個寬相關器；

第二級相關器：包括8個窄相關器；所述8個窄相關器的組成過程包括：當所述第一級相關器的8個寬相關器中有一個相關器的累加包絡值超過預設的門限值，則選取累加包絡值最大的相關器作為準時通道，八分之一個碼片為相關器間隔，包括準時通道本身，組成8個窄相關器。

所述L5跟蹤模塊包括：

第一級相關器：包括8個相關器，且該8個相關器自適應可變位置；

第二級相關器：包括8個寬相關器；所述8個寬相關器的組成過程包括：以捕獲模塊送入的初始碼相位作為準時通道，以準時通道為基準，2個碼片為相關器間隔，組成8個寬相關器；

第三級相關器：包括8個窄相關器；所述8個窄相關器的組成過程包括：調整第二級寬相關器的間隔為二分之一個碼片，以準時通道為基準，組成8個寬相關器，選取8個相關器中累加包絡值最大的相關器作為下一級相關器準時通道，下一級相關器組為八分之一個碼片為相關器間隔，包括準時通道本身，組成第三級8個窄相關器。

與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為：本發明通過自適應增大相關器的間隔實時地找到相關峰的位置，進而實現精確快速引導跟蹤。本發明可以適用於硬體接收機，軟體接收機多種環境下的在線或離線設置，不需要考慮多頻點間的時鐘嚴格同步性，具有很強的通用性。

附圖說明

圖1為本發明裝置結構圖；

圖2為本發明L1引導模塊原理圖；

圖3為本發明L5引導模塊原理圖。

具體實施方式

本發明的裝置結構如圖1所示：

整個裝置包括：天線、各個頻點射頻通道(以GPS衛星上的L1和L5兩個頻點為例，但是本方法可拓展到N個頻點其他任意衛星導航系統接收機，其中N>1)、L1頻點捕獲模塊、L1和L5頻點引導跟蹤模塊以及定位解算模塊。天線與所有射頻通道連接，L1頻點射頻通道與L1頻點捕獲模塊連接，L1頻點捕獲模塊與L1和L5引導跟蹤模塊連接，L5頻點射頻通道與L5跟蹤模塊連接，L1和L5引導跟蹤模塊與定位解算模塊連接。

本發明裝置的工作原理為：

步驟1：通過射頻通道分別將不同頻點的射頻信號下變頻到中頻信號，L1和L5頻點的中頻信號接收通道同步打開，進行嚴格地同步數據接收；

步驟2：利用捕獲模塊對L1頻點信號進行捕獲，得到L1頻點的碼相位和都卜勒；

步驟3：對L1頻點信號進行捕獲；

步驟4：生成L1和L5頻點信號的本地偽碼，等待L1和L5頻點信號啟動跟蹤；

步驟5：在L1頻點信號被捕獲成功後，利用L1頻點信號的都卜勒值乘以L5頻點頻率值再除以L1頻點頻率值作為L5頻點信號的都卜勒值，即

fd5＝fd1*f5/1

其中fd5為算得的L5頻點的都卜勒值，f5為L5頻點的射頻中心頻率，f1為L1頻點的射頻中心頻率，fd1為L1頻點的都卜勒值。

步驟6：L5頻點信號的初始碼相位為L1頻點信號的初始碼相位，設為CUR；

步驟7：開啟L1和L5頻點信號的跟蹤模塊，將L1頻點的初始都卜勒值fd1和初始碼相位值CUR，作為L1跟蹤模塊的輸入參數進行引導跟蹤。與此同時，將L5頻點信號的初始都卜勒值fd5和初始碼相位值CUR作為L5跟蹤模塊的輸入參數進行引導跟蹤。開始跟蹤信號。L1和L5頻點的跟蹤模塊如圖2和圖3所示。

本發明提出的自適應寬相關器選擇的快速引導跟蹤裝置及方法的原理為：

1、L1和L5頻點信號接收和跟蹤通道開啟的嚴格同步；

通過利用FPGA中的TIC信號發生模塊，使得L1和L5頻點的中頻信號接收通道同步打開，進行嚴格地同步數據接收；並且同步啟動L1和L5頻點信號的跟蹤。

2、生成L1和L5頻點信號的本地偽碼，等待L1和L5頻點信號啟動跟蹤；

3、L1頻點信號的引導跟蹤：

L1頻點的引導跟蹤模塊進行二級相關器累加積分運算，每一級相關器有8個相關器。利用第一級相關器作為引導過程，以捕獲模塊送入的初始碼相位作為準時通道，以準時通道為基準，二分之一個碼片為相關器間隔，組成8個寬相關器，組成8個寬相關器，選取累加包絡值最大的相關器，若此最大值超過其他7個值的平均值的兩倍，則開始進入跟蹤過程，並將該累加包絡值最大的相關器通道位置作為第二級相關器準時通道，八分之一個碼片為相關器間隔，包括準時通道本身，組成8個窄相關器。最後，通過採用載波環和碼環鑑相算法對此8個窄相關器積分累加值進行運算，不斷調整載波相位的位置和8個窄相關器的位置，實現L1的頻率信號跟蹤和鎖定。

4、L5頻點信號的引導跟蹤：

(1)L5點的引導跟蹤模塊進行三級相關器累加積分運算，每一級相關器有8個相關器，其中第一級相關器自適應可變位置。利用第一級相關器作為引導過程，以捕獲模塊送入的初始碼相位作為準時通道，以準時通道為基準，2個碼片為相關器間隔，組成8個寬相關器。設置自適應寬相關器的最大級數MAX_COR和計數器COUNT清零。

(2)組成的8個寬相關器，選取累加包絡值最大的相關器，若此最大值超過其他7個值的平均值的兩倍，則開始進入跟蹤過程，並將該累加包絡值最大的相關器通道位置作為下一級寬相關器的準時通道，並開始進入下一級跟蹤過程，跳入(4)。若8個寬相關器沒有一個相關器的累加值超過預設的門限值，計數器COUNT＝COUNT+1，進入(3)；

(3)若COUNT>MAX_COR，則判定L5無法引導跟蹤，跳出引導跟蹤模塊；若COUNT≤MAX_COR，將準時通道調整為CUR＝CUR-16，執行(3)；

(4)調整第二級寬相關器的間隔為二分之一個碼片，以準時通道為基準，組成8個寬相關器。選取8個相關器中累加包絡值最大的相關器作為下一級相關器準時通道。下一級相關器組為八分之一個碼片為相關器間隔，包括準時通道本身，組成第三級8個窄相關器。最後，通過採用載波環和碼環鑑相算法對此8個窄相關器積分累加值進行運算，不斷調整載波相位的位置和8個窄相關器的位置，實現L5的頻率信號跟蹤和鎖定。