[发明专利]一种四路信号处理的载波锁相环

说明书

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，尤其涉及一种基于四路信号处理和卡尔曼滤波的载波跟踪环。 

背景技术

载波锁相环是卫星导航接收机中最脆弱的一环，热噪声、信号遮挡、动态应力和电离层闪烁等都是影响载波跟踪的因素。由于监测型接收机位置固定且相对开阔，因此环路受到动态应力和信号遮挡的影响较小，这时电离层闪烁就成为影响载波锁相环跟踪的主要因素。电离层闪烁会严重影响卫星导航接收机的性能，闪烁带来的信号振幅与相位的随机快速起伏会使接收机测量精度下降、周跳频繁、误码率上升，当闪烁趋于严重时，还会使接收机信号失锁，甚至无法工作。这给需要长时间连续稳定跟踪信号的监测型接收机载波环路带来了巨大挑战。 

一系列专门针对电离层闪烁情况下的信号处理方法也被开发出来。人们研究了各种类型的环路鉴相器在闪烁情况下的性能，一种快速自适应带宽锁相环的方法被提出，它可以通过对电离层闪烁的迅速识别，来切换锁相环的工作带宽。另外，人们还研究出了一种在航空用GPS接收机中使用外部惯性设备的多普勒信息辅助跟踪方法，这种方法可以较好的消除一部分动态从而提高闪烁情况下的跟踪门限。此外，还出现了一种基于先验信息的后处理、固定增益矩阵等基于卡尔曼滤波的载波跟踪的方法，它对闪烁信号的处理有一定的效果。Wei-Lung M教授在2004年提出了一种使用模糊理论来控制环路滤波器带宽的方法，它可以增强载波环在各种复杂环境下跟踪的鲁棒性，这种方法理论上也可用于电离层闪烁下的信号跟踪。 

总体来说，上述算法可以归为两类，一类是利用优化环路滤波器设计期望在电离层闪烁发生时利用滤波器滤除部分影响，保持环路跟踪；另一类是利用适当算法快速恢复失锁后的锁相环，即容忍跟踪环路的短时失锁。这些方法都使用了常规鉴相方法，即两路信号求相差的方法，对于通过改变鉴相器结构以获取更优鉴相结果的方法还很少有提及，因此需要继续深入研究。 

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种四路信号处理的载波锁相环设计方法，该方法可以在电离层闪烁严重到现有常规两路信号处理的载波锁相环失锁时，仍保证信号的跟踪，在闪烁结束后可以迅速恢复正常跟踪。 

为达到上述目的，本发明采取如下技术方案： 

基于卡尔曼滤波的四路信号锁相环其环路结构框图如图1所示，在传统的锁相环基础上，使用一个卡尔曼滤波器取代了环路滤波器，同时将参与环路跟踪的信号增加为四路，其中I、Q为常规锁相环的同向、正交支路，I2和Q2为与其相位间隔θ的支路。卡尔曼滤波器根据对I、Q、I2和Q2四路信号的处理，估计信号的相位、多普勒频率以及多普勒频率的变化量三个状态变量，并以此三个估计量综合控制本地NCO产生复现载波。【结合图1对本发明的环路结构进行详细说明，构成单元或部件、各单元和部件之间的连接关系。凡是图中的部件都要提及（名称、功能）基于卡尔曼滤波的四路信号锁相环其环路结构框图如图1所示。接收信号进入环路之前先要进行码剥离，通过使用本地复现的即时码与接收信号进行相关运算来实现。码剥离之后是载波剥离，常规的锁相环只有两路，即接收信号与载波NCO产生的两路载波进行相关运算得到I和Q支路，本发明增加了调相器，将载波NCO产生的两路载波调相θ后与接收信号相关得到I2和Q2支路，载波NCO和调相器是由卡尔曼滤波器反馈控制的。载波剥离之后是积分清零，通过一段时间的相干积分来实现。积分清零之后是鉴相器，本发明中使用的是二象限反正切鉴相器。最后的过程是卡尔曼滤波，状态方程得到当前时刻状态变量（信号的相位、多普勒频率以及多普勒频率的变化量）的先验估计，结合鉴相器对当前时刻一些变量的观测及其与估计量的误差，利用更新方程可以得到状态变量的后验估计，同时可以计算得到反馈量，用于控制载波NCO和调相器】

其中，卡尔曼滤波算法主要分为预测、测量、反馈和更新四部分，如图2所示。预测算法根据上一时刻测量和反馈结果获取环路状态和测量结果的先验估计；测量算法根据四路信号的鉴相结果对先验估计进行纠正；反馈算法根据估计和纠正结果生成控制量对载波NCO和数字调相器进行调整；更新算法是根据以上结果在环路状态方程中进行体现。

四路信号处理载波锁相环的卡尔曼滤波器在k+1时刻信号的滤波过程如下： 

预测：

                                                

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