CN109307873A - 一种INS辅助的双Kalman滤波器卫星信号跟踪环路 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种INS辅助的双Kalman滤波器卫星信号跟踪环路，包括卫星信号接收天线、射频前端模块、惯性测量单元、惯导解算模块、卫星星历储存模块、载波频率&码相位估计模块、载波跟踪模块和码跟踪模块；惯性测量单元测量载体加速度和角速度；惯导解算模块根据加速度和角速度完成定位解算和姿态更新；卫星星历储存模块存储卫星星历；载波频率&码相位估计模块根据卫星星历和定位解算推算下一时刻的载波频率偏移以及码相位；卫星信号接收天线接收卫星信号；射频前端模块对卫星信号处理得到数字中频信号；载波跟踪模块利用数字中频信号和载波频率偏移对本地保存的载波频率偏移进行校正；码跟踪模块利用数字中频信号和码相位对本地保存的码相位进行校正。

Description

一种INS辅助的双Kalman滤波器卫星信号跟踪环路

技术领域

本发明属于卫星定位导航的技术领域，具体涉及一种INS辅助的双Kalman滤波器卫星信号跟踪环路。

背景技术

全球卫星导航***能够全天候实时提供位置、速度及时间信息，已成为低成本制导武器上不可或缺的导航信息来源。但是，在针对火箭、导弹等高动态载体的应用方面，由于卫星信号中存在较大的多普勒频移和多普勒频移变化量，传统的信号跟踪方法难以保持连续、可靠的锁定，导致卫星导航接收机定位能力下降。为了解决这个问题，有学者提出了利用卡尔曼滤波器来估计信号参数的跟踪环路，在这种环路设计中，锁频环和码环被一个单独的卡尔曼滤波器所代替，现已有很多文献可以证明这种信号跟踪环路相比传统环路而言具有明显的优势。

仅仅使用一个滤波器来估计跟踪信号，便意味着载波跟踪误差和码跟踪误差被紧紧地耦合在一起。然而载波跟踪环路和码跟踪环所需要的跟踪精度是不同的，相比之下载波环更加脆弱。在实际应用中，这种误差耦合效应会使码环跟踪的误差传递到载波跟踪环路中，并最终导致载波环跟踪性能下降，乃至完全失锁。

另外，INS***可以敏感检测载体三轴上的动态应力以及三轴上的角速度，通过将INS预测的卫星和接收机视距(LOS)方向上的多普勒信息引入GNSS接收机的跟踪环路，可以很大程度上弥补载体动态对信号跟踪环路的影响，进而提高接收机在高动态信号衰减环境下的卫星信号跟踪能力。因此在实际应用中常常利用INS来加以辅助，通过将INS与GNSS相组合的方式来实现提高导航***的定位性能目的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种INS辅助的双Kalman滤波器卫星信号跟踪环路，能够有效提高卫星导航接收机在高动态环境下的定位导航能力，特别适用于卫星制导弹药在高动态环境下的导航需要。

实现本发明的技术方案如下：

一种INS辅助的双Kalman滤波器卫星信号跟踪环路，包括卫星信号接收天线、射频前端模块、惯性测量单元、惯导解算模块、卫星星历储存模块、载波频率&码相位估计模块、载波跟踪模块和码跟踪模块；

惯性测量单元测量载体三个方向上的加速度和角速度；

惯导解算模块根据载体的加速度和角速度完成定位解算和姿态更新；

卫星星历储存模块用于存储卫星星历；

载波频率&码相位估计模块根据卫星星历和所述定位解算的结果推算下一时刻的载波频率偏移以及码相位；

卫星信号接收天线接收卫星信号；

射频前端模块对所述卫星信号进行处理得到数字中频信号；

载波跟踪模块利用所述数字中频信号和所述载波频率偏移对载波跟踪模块本地保存的载波频率偏移进行校正；

码跟踪模块利用所述数字中频信号和所述码相位对码跟踪模块本地保存的码相位进行校正。

进一步地，载波跟踪模块包括载波环Kalman滤波器，载波环Kalman滤波器基于以下模型进行卡尔曼滤波：

其中，为k时刻的载波环Kalman滤波器的的状态向量， 是K时刻的载波相位误差，是K时刻的接收信号的载波频率，是K时刻的载波频率变化率，为k-1时刻的载波环状态转移矩阵；

为k-1时刻的INS辅助载波状态反馈矩阵， 为k-1时刻的INS辅助的载波频率状态反馈；为k时刻的测量矩阵， 为k时刻的INS辅助的载波状态测量矩阵， 为k时刻载波鉴相器输出的均值，分别代表k时刻的载波环滤波器的过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵。

进一步的，码跟踪模块包括码环Kalman滤波器，码环Kalman滤波器基于以下模型进行卡尔曼滤波：

其中，为k时刻的码环Kalman滤波器的状态向量， 为k时刻的码相位误差，为k时刻的C/A码频率，为k时刻的C/A码频率变化率，为k时刻的码鉴相器输出的均值；为k-1时刻的码环状态转移矩阵；

T是环路滤波器更新时间；为k-1时刻的INS辅助码状态反馈矩阵， 为k-1时刻的INS辅助的码相位误差状态反馈；为k时刻的码跟踪***测量矩阵， 为k时刻的INS辅助码状态测量矩阵， 分别为k-1时刻的码环Kalman滤波器的过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵。

有益效果：

本发明利用两个相互独立的卡尔曼滤波器来分别对载波和C/A码进行跟踪，不仅保留了传统卡尔曼滤波信号跟踪方法在高动态和复杂电磁环境下所具备的优势，并且将耦合的两种跟踪误差进行解耦，以此提高信号跟踪的精度。同时引入INS***的辅助，进一步提高整个***在高动态环境中的性能。

本发明围绕低成本高动态制导武器定位导航中的关键问题，所做出的每一项改进都是为了提高整个导航***的动态性能，因此特别适用于弹载卫星导航接收机在高动态环境中的导航需求。发明的突出优点总结如下：

1、该算法采用Kalman滤波器替代了传统的信号跟踪环路滤波器，提高了环路在高动态条件下的信号跟踪能力。

2、作为本算法的又一改进，所述的信号跟踪环路中采用双Kalman滤波的结构，规避了传统Kalman滤波信号跟踪环路中的误差耦合效应，具有更好的跟踪信号精度。

3、该方法保留了传统的惯性测量单元和传统卫星导航接收机的硬件架构，通过软件算法上的更新实现提高导航性能的目的，便于传统导航***的改造。

4、该方法引入INS反馈的状态量对跟踪环路直接加以辅助，实现惯导/卫导两个***之间最紧密的耦合，提高了高动态环境下对卫星信号的跟踪能力，特别适合应用于低成本高动态制导武器。

附图说明

图1是本发明的INS辅助双Kalman滤波信号跟踪环路结构图。

图2是载波跟踪模块结构示意图。

图3是码跟踪模块结构示意图。

图4(a)是高动态试验的卫星场景示意图；(b)是载体的飞行轨迹示意图；(c)为载体的飞行加速度参数示意图；(d)是参考多普勒频移与使用本方法估计的载波多普勒频移对比示意图；(e)为估计多普勒频移与参考值之间的误差示意图；(f)为使用传统信号跟踪方法输出的载波相位误差示意图；(g)为使用本发明方法跟踪信号输出的载波相位误差示意图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种使用双卡尔曼滤波进行信号跟踪，并引入INS辅助环路补偿动态影响的信号跟踪方法。该方法能够有效提高卫星导航接收机在高动态环境下的定位导航能力，特别适用于卫星制导弹药在高动态环境下的导航需要。

一种INS辅助的双Kalman滤波器卫星信号跟踪环路，如图1所示，包括卫星信号接收天线、射频前端模块、信号捕获模块、惯性测量单元、惯导解算模块、卫星星历储存模块、载波频率&码相位估计模块、载波跟踪模块和码跟踪模块；

惯性测量单元测量载体三个方向上的加速度和角速度；

惯导解算模块根据载体的加速度和角速度完成定位解算和姿态更新；

卫星星历储存模块用于存储卫星星历；

载波频率&码相位估计模块根据卫星星历和所述定位解算的结果推算下一时刻的载波频率偏移以及码相位；

卫星信号接收天线接收的卫星信号经过射频前端模块和信号捕获模块的处理得到数字中频信号；

载波跟踪模块利用所述数字中频信号和所述载波频率偏移对载波跟踪模块本地保存的载波频率偏移进行校正；

码跟踪模块利用所述数字中频信号和所述码相位对码跟踪模块本地保存的码相位进行校正。

图2为载波跟踪模块结构示意图，其中61为信号相乘器，62为载波I/Q支路映射，63为相干积分器，64为载波环鉴相器，65为载波环Kalman滤波器，66为INS反馈状态量，67为载波环NCO。载波环Kalman滤波器基于以下模型进行卡尔曼滤波：

其中，为k时刻的载波环Kalman滤波器的的状态向量， 是K时刻的载波相位误差，是K时刻的接收信号的载波频率，是K时刻的载波频率变化率，为k-1时刻的载波环状态转移矩阵；

为k-1时刻的INS辅助载波状态反馈矩阵， 为k-1时刻的INS辅助的载波频率状态反馈；为k时刻的测量矩阵， 为k时刻的INS辅助的载波状态测量矩阵， 为k时刻载波鉴相器输出的均值，分别代表k时刻的载波环滤波器的过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵。

载波环Kalman滤波器建模方法推导与证明如下：

1)载波***采用的状态向量为其中是载波相位误差，是接收信号的载波频率，是K时刻的载波频率变化率，它们之间的关系如下式所示：

其中是0到T时刻载波鉴相器输出的均值，T是环路滤波器更新时间，是INS辅助的载波频率状态反馈。

2)载波Kalman滤波器的状态向量中各个元素之间的关系如下所示：

3)将(7)代入(6)中，并将下标为K-1的变量全部用下标为K的变量替换后便可得到***的量测方程：

4)综合(7)与(8)便可得到(4)所示的载波Kalman滤波器的***建模。

图3为码跟踪模块结构示意图，其中71为信号相乘器，72为超前/即时/滞后码生成器，73为相干积分器，74为码环鉴相器，75为码环Kalman滤波器，76为INS反馈状态量，77为码环NCO。码环Kalman滤波器基于以下模型进行卡尔曼滤波：

其中，为k时刻的码环Kalman滤波器的状态向量， 为k时刻的码相位误差，为k时刻的C/A码频率，为k时刻的C/A码频率变化率，为k时刻的码鉴相器输出的均值；为k-1时刻的码环状态转移矩阵；

T是环路滤波器更新时间；为k-1时刻的INS辅助码状态反馈矩阵， 为k-1时刻的INS辅助的码相位误差状态反馈；为k时刻的码跟踪***测量矩阵， 为k时刻的INS辅助码状态测量矩阵， 分别为k-1时刻的码环Kalman滤波器的过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵。

码环Kalman滤波器建模的推导与证明如下：

1)码环Kalman滤波器的状态向量为其中为码相位误差，为C/A码频率，为C/A码频率变化率。和载波环路类似，码环中码相位鉴别器输出与状态量之间有如下的关系：

其中为0到T时刻码环鉴相器输出的平均值，是INS辅助的码相位误差状态反馈。

2)码***的状态向量中的元素之间彼此存在如下的关系

3)同样地，将(10)代入(9)中替换掉所有下标为K-1的量后便可以得到***的量测方程(11)如下所示：

4)综合(10)与(11)便可得到(5)所示的码环Kalman滤波器***模型。

本发明INS辅助的双Kalman滤波卫星信号跟踪的具体实现过程如下：

步骤一、利用INS测量的载体动态信息作为辅助信息，结合卫星星历生成信号跟踪环路的INS辅助状态反馈变量：

步骤1.1：惯性测量单元(IMU)测量载体三个方向上的加速度和角速度；

步骤1.2：惯导解算模块(INS***)根据惯性测量单元的测量数据完成定位解算和姿态更新；

步骤1.3：载波频率&码相位估计模块结合惯导定位结果以及卫星星历，推算下一时刻的载波频率偏移以及码相位；

步骤二、卫星信号接收天线接收的信号经过变频和采样后产生数字中频信号，并完成信号的快速捕获，为信号跟踪提供初值条件：

步骤2.1：卫星信号经过射频前端模块21的混频和采样后，形成中频数据。信号捕获模块22仅仅在接收机没有跟踪信号时起作用，其目的是实现卫星信号的快速捕获，并粗略设置码和载波NCO控制量。在信号捕获结束后，中频信号进入由载波跟踪模块23和码跟踪模块24组成的双Kalman滤波卫星信号跟踪环路；

步骤三、应用本发明的双Kalman滤波卫星信号跟踪环路对当前可视卫星信号进行持续跟踪：

步骤3.1：由载波I/Q支路映射62产生本地载波的I/Q支路映射，并通过信号相乘器61与输入的中频数字信号相乘。相干积分器63对输入信号进行积分，提高信号的能量；

步骤3.2：经过积分后的信号送入载波环鉴相器64中，使用传统的科斯塔环进行鉴相，鉴相结果作为观测量送入载波环Kalman滤波器65，同时作为一部分观测量送入最后的组合导航滤波中；

步骤3.3：Kalman滤波器结合INS反馈状态量66进行滤波，对载波频率的最优估计结果用以驱动载波环NCO67，并最终生成新的本地复制载波；

步骤3.4：经过步骤2.1至步骤3.3后数字中频信号中的载波已被充分剥离，只保留两路调制了伪随机码的I/Q信号。这两路信号分别与由信号相乘器71生成的超前/即时/滞后码相乘，相乘后的结果送入相干积分器73中进行积分以增加信号能量；

步骤3.5：积分后的信号送入码环鉴相器74，使用传统的非相干积分鉴相方法进行鉴相，鉴相结果作为观测量送入码环Kalman滤波器75中，并同时作为一部分观测量送入最后的组合导航滤波中；

步骤3.6：Kalman滤波器结合INS反馈状态量76进行滤波，对载波频率的最优估计结果用以驱动码环NCO77，并最终生成新的本地复制C/A码；

步骤四、经过载波剥离和码剥离后接收信号中只包含导航电文信息，将其与测距信息一同送入后端组合导航滤波器中进行定位解算：

步骤4.1：若信号跟踪足够精密，步骤3.5中积分后的信号便可解调出接收机所需要的导航电文；

步骤4.2：将导航电文与测距信息传递到组合导航滤波器中进行定位解算，信号跟踪环路返回步骤1，进行下一个历元的处理。需要注意的是，接收机进入信号跟踪状态后便可跳过步骤2.1中的信号快速捕获阶段，只需保持连续的跟踪便可。

图4是利用本发明方法进行信号跟踪的MATLAB仿真试验结果。其中(a)是高动态试验的卫星场景；(b)是载体的飞行轨迹，包括匀速、爬升、转弯等阶段；(c)为载体的飞行加速度参数，包括5g/s的加加速度，5g的加速度和-5g/s的加加速度；(d)是参考多普勒频移与使用本方法估计的载波多普勒频移；(e)为估计多普勒频移与参考值之间的误差；(f)为使用传统信号跟踪方法输出的载波相位误差，可见跟踪环路已经失锁；(g)为使用本发明的方法跟踪信号输出的载波相位误差，显然载波环仍保持锁定。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种INS辅助的双Kalman滤波器卫星信号跟踪环路，其特征在于，包括卫星信号接收天线、射频前端模块、惯性测量单元、惯导解算模块、卫星星历储存模块、载波频率&码相位估计模块、载波跟踪模块和码跟踪模块；

惯性测量单元测量载体三个方向上的加速度和角速度；

惯导解算模块根据载体的加速度和角速度完成定位解算和姿态更新；

卫星星历储存模块用于存储卫星星历；

载波频率&码相位估计模块根据卫星星历和所述定位解算的结果推算下一时刻的载波频率偏移以及码相位；

卫星信号接收天线接收卫星信号；

射频前端模块对所述卫星信号进行处理得到数字中频信号；

载波跟踪模块利用所述数字中频信号和所述载波频率偏移对载波跟踪模块本地保存的载波频率偏移进行校正；

码跟踪模块利用所述数字中频信号和所述码相位对码跟踪模块本地保存的码相位进行校正。

2.如权利要求1所述的一种INS辅助的双Kalman滤波器卫星信号跟踪环路，其特征在于，载波跟踪模块包括载波环Kalman滤波器，载波环Kalman滤波器基于以下模型进行卡尔曼滤波：

其中，为k时刻的载波环Kalman滤波器的的状态向量， 是K时刻的载波相位误差，是K时刻的接收信号的载波频率，是K时刻的载波频率变化率，为k-1时刻的载波环状态转移矩阵；

为k-1时刻的INS辅助载波状态反馈矩阵， 为k-1时刻的INS辅助的载波频率状态反馈；为k时刻的测量矩阵， 为k时刻的INS辅助的载波状态测量矩阵， 为k时刻载波鉴相器输出的均值，分别代表k时刻的载波环滤波器的过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵。

3.如权利要求1或2所述的一种INS辅助的双Kalman滤波器卫星信号跟踪环路，其特征在于，码跟踪模块包括码环Kalman滤波器，码环Kalman滤波器基于以下模型进行卡尔曼滤波：

其中，为k时刻的码环Kalman滤波器的状态向量， 为k时刻的码相位误差，为k时刻的C/A码频率，为k时刻的C/A码频率变化率，为k时刻的码鉴相器输出的均值；为k-1时刻的码环状态转移矩阵；

T是环路滤波器更新时间；为k-1时刻的INS辅助码状态反馈矩阵， 为k-1时刻的INS辅助的码相位误差状态反馈；为k时刻的码跟踪***测量矩阵， 为k时刻的INS辅助码状态测量矩阵， 分别为k-1时刻的码环Kalman滤波器的过程噪声协方差矩阵和测量噪声协方差矩阵。