本發明涉及衛星電子導航領域，具體為一種基于平方差鑒相器的低軌衛星信號寬帶跟蹤方法。

背景技術：

1、隨著低軌衛星技術的迅猛發展，星網低軌衛星系統正處于蓬勃發展的階段。由于低軌衛星與現代信號處理技術的進步，對低軌衛星信號的接收和處理提出了更高的要求。

2、相較于傳統的gnss信號跟蹤，星網低軌衛星信號的跟蹤展現出了一些新的特點和挑戰。首先，由于低軌衛星距離地面較近（500-1200公里），且運動速度極高（7.5-7.8km/s），其多普勒頻移變化率顯著高于傳統gnss信號，這導致鎖頻環（fll）和鎖相環（pll）容易發生失鎖現象。高動態特性使得頻率和相位的快速變化成為常態，這對鎖頻鎖相環的穩定性和響應速度提出了更高的要求。其次，星網低軌衛星信號采用了bpsk（二進制相移鍵控）與qpsk（正交相移鍵控）組合的調制方式，這種復雜的調制方案不僅增加了信號傳輸的靈活性和抗干擾能力，同時也對鎖頻鎖相環的設計提出了新的挑戰。傳統的針對單一調制方式優化的鎖頻鎖相環難以滿足這種復雜調制信號的需求，需要開發適應性強、精度高的新型鎖頻鎖相環技術來確保可靠的信號跟蹤。

技術實現思路

1、針對星網低軌衛星多普勒頻率變化率高、信號復雜，難以鑒頻鑒相，傳統單一調制方式優化的鎖頻鎖相環難以適應復雜組合調制方案的問題，本發明提出了一種基于平方差鑒相器的低軌衛星信號寬帶跟蹤方法，實現對星網低軌衛星導航信號的精準跟蹤。

2、本發明的技術方案為：

3、一種基于平方差鑒相器的低軌衛星信號寬帶跟蹤方法，包括以下步驟：

4、步驟1：衛星接收機接收星網低軌衛星的下行信號，通過設計的星網低軌衛星信號跟蹤環路進行鑒頻和鑒相，得到載波環路的載波相位誤差和頻率誤差，以及碼環路的相位誤差；

5、所述星網低軌衛星的信號跟蹤環路包括載波環路和碼環路；載波環路中的鑒別器包括鑒頻器和平方差鑒相器；碼環路中的鑒別器為鑒相器；

6、載波環路中的平方差鑒相器為：

7、

8、其中為載波相位誤差，為載波環路中最終得到的路信號，為載波環路中最終得到的路信號；

9、載波環路中的鑒頻器為：

10、

11、其中為信號的角速度誤差，根據得到載波頻率誤差；

12、根據

13、

14、計算得到，為向量點積，為向量叉積，向量和為設定向量：

15、

16、

17、為的共軛向量；為向量的幅值，為向量的幅值，為相鄰兩個歷元之間的時間差；為時刻的鎖頻環路信號，為時刻的鎖頻環路信號，為時刻的鎖頻環路信號，為時刻的鎖頻環路信號；

18、碼環路中的鑒相器為：

19、

20、其中為碼環路中的相位誤差，依次分別為碼環路中超前支路的自相關幅值和滯后支路的自相關幅值；

21、步驟2：將步驟1得到的載波環路的載波相位誤差和頻率誤差輸入載波環路的環路濾波器，得到載波環路的載波nco調整量，實現載波環路中的載波跟蹤；將步驟1得到的碼環路相位誤差輸入碼環路的環路濾波器，得到碼環路的c/a發生器的調整量，實現碼環路中的碼跟蹤。

22、進一步的，根據衛星接收機接收到的中頻信號得到和的過程為：

23、設衛星接收機接收到的中頻信號為：

24、<msub><mi>s</mi><mi>if</mi></msub><mi>(t)=</mi><msub><mi>a[c(t)s</mi><mi>i</mi></msub><mi>(t)</mi><mrow><mi>cos</mi><mrow><mi>2π</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>t+</mi><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>-</mi><msub><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi></mfenced><mi>s</mi></mrow><mi>q</mi></msub><mi>t</mi></mfenced><mrow><mi>sin</mi><mrow><mi>2π</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>t+</mi><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>]</mi>

25、式中，為中頻信號幅值，為擴頻偽碼，和依次分別為同相正交的i路分量和q路分量，為中頻信號的多普勒頻偏；載波環路中混頻后的路信號為：

26、<mi>i(t)</mi><mi>=</mi><msub><mrow><mi>a</mi><mi>[</mi><mi>c</mi><mi>(</mi><mi>t</mi><mi>)</mi><mi>s</mi></mrow><mi>i</mi></msub><mi>(</mi><mi>t</mi><mi>)</mi><mrow><mi>cos</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>-</mi><msub><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi></mfenced><mi>s</mi></mrow><mi>q</mi></msub><mi>t</mi></mfenced><mrow><mi>sin</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>]cos(2</mi><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>t</mi><mi>)=</mi><msub><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>ac</mi><mi>t</mi></mfenced><mi>s</mi></mrow><mi>i</mi></msub><mi>t</mi></mfenced><mi>[</mi><mrow><mi>cos</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mo>+</mo><mrow><mi>cos</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>]-</mi><msub><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>ac</mi><mi>t</mi></mfenced><mi>s</mi></mrow><mi>q</mi></msub><mi>t</mi></mfenced><mi>[</mi><mrow><mi>sin</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mo>+</mo><mrow><mi>sin</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>]</mi>

27、載波環路中混頻后的路信號為：

28、<mi>q(t)</mi><mi>=</mi><msub><mrow><mi>a</mi><mi>[</mi><mi>c</mi><mi>(</mi><mi>t</mi><mi>)</mi><mi>s</mi></mrow><mi>i</mi></msub><mi>(</mi><mi>t</mi><mi>)</mi><mrow><mi>cos</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>-</mi><msub><mrow><mi>c</mi><mi>t</mi></mfenced><mi>s</mi></mrow><mi>q</mi></msub><mi>t</mi></mfenced><mrow><mi>sin</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>]sin(2</mi><mi>π</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>t</mi><mi>)=</mi><msub><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>ac</mi><mi>t</mi></mfenced><mi>s</mi></mrow><mi>i</mi></msub><mi>t</mi></mfenced><mrow><mrow><mi>sin</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>-</mi><mrow><mi>sin</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow></mrow></mfenced><mo>+</mo><msub><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>ac</mi><mi>t</mi></mfenced><mi>s</mi></mrow><mi>q</mi></msub><mi>t</mi></mfenced><mi>[</mi><mrow><mi>cos</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>-</mi><mrow><mi>cos</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>]</mi>

29、設偽隨機碼已對齊，則混頻后的路信號和混頻后的路信號分別通過各自對應的相關器后，得到的路相關結果和路相關結果為：

30、

31、<msub><mi>q</mi><mi>p</mi></msub><mi>t</mi></mfenced><mi>=</mi><msub><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>as</mi></mrow><mi>i</mi></msub><mi>t</mi></mfenced><mrow><mrow><mi>sin</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>-</mi><mrow><mi>sin</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow></mrow></mfenced><mo>+</mo><msub><mrow><mfrac><mn>1</mn><mn>2</mn></mfrac><mi>as</mi></mrow><mi>q</mi></msub><mi>t</mi></mfenced><mi>[</mi><mrow><mi>cos</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mo>+</mo><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>-</mi><mrow><mi>cos</mi><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mrow><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub><mi>-</mi><msub><mi>f</mi><mi>d</mi></msub></mrow></mfenced><mi>t</mi><mo>+</mo><msub><mi>φ</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfenced></mrow><mi>]</mi>

32、再對路相關結果和路相關結果分別進行積分，相當于低通濾波，得到最終的路信號為：

33、

34、得到最終的路信號為：

35、

36、進一步的，載波環路中的平方差鑒相器通過以下過程得到：

37、載波環路中最終得到的路信號以及路信號的平方分別為：

38、

39、

40、與為電文符號，取值為±1，故，因此上式變為：

41、

42、

43、路信號與路信號的平方相減為：

44、

45、路信號以及路信號兩路相乘為：

46、

47、又由于，所以

48、

49、因此：

50、

51、繼而可以得到載波環路中的平方差鑒相器為：

52、

53、進一步的，設偽隨機碼已經對齊，則時刻的鎖頻環中i路和q路的信號分別為

54、

55、

56、進一步的，載波環路中的鑒頻器通過以下過程得到：

57、對進行時長為的相干積分，其中取相鄰兩個歷元之間的時間差

58、

59、對進行時長為相干積分：

60、

61、設向量為

62、

63、其中

64、

65、

66、鑒頻器是通過在相鄰兩個歷元之間計算向量轉過的角度得到的，即：

67、

68、角速度誤差公式中的分子通過以下推導進行求解：

69、設：

70、

71、其中為的共軛向量；而點積和叉積表示為：

72、

73、

74、當鎖相環鎖定信號時，的值接近于0，即近似地等于，從而得到載波環路中的鑒頻器表達為：

75、

76、進一步的，載波環路中鑒頻器和平方差鑒相器分時工作，碼環路的鑒相器始終處于工作狀態。

77、進一步的，載波環路的環路濾波器采用二階鎖頻環輔助三階鎖相環的濾波器方案，所述碼環路的環路濾波器采用二階的濾波器方案。

78、進一步的，載波環路的環路濾波器工作時，先采用具有最小噪聲的純鎖頻環形式環路閉合，將載波相位誤差置為0，將載波頻率誤差輸入到鎖頻環輔助的鎖相環中，一直到獲得頻率鎖定為止；之后將載波頻率誤差置為0，將載波相位誤差輸入到鎖頻環輔助的鎖相環中，一直到相位鎖定為止。

79、有益效果：

80、本發明針對星網低軌衛星高動態頻偏與復雜調制信號導致的跟蹤難題，提出了創新的載波環路鑒頻器和平方差鑒相器設計，能夠對星網低軌衛星信號進行精準的頻率鑒別與相位鑒別，即使在復雜且快速變化的信號環境中也能保持高度的準確性，在寬頻偏范圍內實現高精度相位同步，顯著提升了對極端動態環境的適應性，大幅增強了信號解析的靈敏度和抗干擾能力，有效抑制多相關峰引發的誤跟蹤問題；采用了自適應的二階鎖頻輔助三階鎖相設計，顯著提升了弱信號條件下的穩定性和多徑干擾下的跟蹤精度。所設計的鑒頻器和平方差鑒相器易于工程實現，在保證實時處理性能的前提下大幅降低系統資源消耗，全面實現了高動態、復雜信號場景下跟蹤性能與工程實用性的協同突破。

81、本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。