CN109471137A - 一种自适应矢量跟踪环路的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，步骤如下：一：矢量跟踪参数初始化；二：中频信号送入噪声估计通道，估计噪声功率；三：中频信号送入跟踪通道，进行相关计算；四：估计载噪比，以调整通道滤波器的量测噪声矩阵；五：相关结果作为通道滤波器的量测信息，估计载波频率误差Δf_i和码相位误差Δτ_i等参数；六：Δf_i、Δτ_i经比例转换后，得到伪距误差Δρ_i和伪距率误差送入导航滤波器，估计位置修正量速度修正量七：计算码相位修正值载波频率修正值将其反馈至载波数控振荡器(NCO)和码数控振荡器(NCO)；本发明实现了高动态、强干扰条件下对导航信号的稳定跟踪，此外，将各个通道的信息组织为一个量测矢量，实现了对不同卫星信号的联合跟踪。

Description

一种自适应矢量跟踪环路的实现方法

技术领域

本发明提供一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，该方法应用于接收机的跟踪环路，可以有效提高接收机在高动态、强干扰等复杂环境下的跟踪性能，属于导航技术领域。

背景技术

卫星导航***可以提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务，具有十分广阔的用途和发展前景。卫星导航可用于机动车辆、无人机、导弹、载人航天等领域的精确导航。在上述应用领域中，高动态、强干扰等复杂环境对接收机的跟踪环路带来了巨大挑战，主要有以下两方面影响：

(1)高动态条件下，接收机的位置、速度剧烈变化将导致载波频率、相位出现大幅度变化。对于传统跟踪环路，鉴相器的鉴别范围和精度有限，变化幅度将会超过鉴相器的线性区间，引入未建模的误差，而较大的载波频率变化会超过跟踪环路的带宽，造成跟踪环路失锁。

(2)强干扰条件下，传统跟踪环路中的鉴相器与环路滤波器难以区分干扰噪声与信号，造成参数估计误差随噪声增大而增大，当估计误差超过跟踪门限时，接收机将无法提供准确的导航信息。

针对以上问题，本发明提供了一种自适应矢量跟踪环路的实现方法。通过对载噪比的实时估计，自适应调整通道滤波器的量测噪声协方差矩阵，同时利用无迹卡尔曼滤波器(UKF)作为通道滤波器，以提高接收机在高动态、强干扰等复杂环境下的跟踪性能。

发明内容

1.发明目的

本发明的目的是为了克服传统跟踪环路在高动态、强干扰条件下难以准确跟踪信号的缺点，提供了一种自适应矢量跟踪环路的实现方法。

通过建立载噪比与各支路相关结果、载波频率误差、码相位误差的关系，对各通道的载噪比进行实时估计，进而对通道滤波器的量测噪声协方差矩阵进行自适应调整，在构造量测噪声协方差矩阵过程中，充分考虑相关器间距对各支路噪声间相关性的影响，以抑制噪声对跟踪环路参数估计的影响。

利用具有较强非线性跟踪能力的无迹卡尔曼滤波器(UKF)作为通道滤波器，取代鉴相器、环路滤波器，从同相支路、正交支路中直接提取跟踪参数，避免引入鉴相器自身未建模误差以及环路带宽的限制，从而较好地适应了量测方程非线性强以及部分点不可导的特点。

2.技术方案

本发明是一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：矢量跟踪参数初始化；

步骤二：中频信号送入噪声估计通道，相关结果用于估计噪声功率；

步骤三：中频信号送入跟踪通道，分别与本地载波、超前码(E)、即时码(P)、滞后码(L)进行相关计算，即时码所对应的同相支路、正交支路相关结果I_P、Q_P用于估计信号和噪声的总功率；

步骤四：估计输入信号的载噪比(C/N₀)，并以此计算同相支路(I)、正交支路(Q)的噪声方差

步骤五：六路相关结果作为量测信息，送入通道滤波器，用以估计载波频率误差Δf_i、码相位误差Δτ_i等跟踪参数；

步骤六：各跟踪通道的载波频率误差Δf_i、码相位误差Δτ_i经比例转换后，得到伪距误差Δρ_i、伪距率误差将其组织为一个量测矢量，送入导航滤波器，以估计载体的位置修正量速度修正量

步骤七：经修正后的载***置、速度信息结合卫星星历，计算各跟踪通道码相位修正值载波频率修正值将其反馈至载波数控振荡器(NCO)、码数控振荡器(NCO)，对跟踪参数进行修正。

其中，在步骤一中所述的“矢量跟踪参数初始化”，其作法如下：

经捕获、标量跟踪，得到各项跟踪参数的估计值，将其作为矢量跟踪参数的初值；

其中，在步骤二中所述的“中频信号送入噪声估计通道，相关结果用于估计噪声功率”，其作法如下：将中频信号与本地载波、一组未被使用的伪码进行相关计算，相关结果作为噪声功率的样本值；

其中，在步骤三中所述的“即时码所对应的同相支路、正交支路相关结果I_P、Q_P用于估计信号和噪声的总功率”，是指将I_P、Q_P作为信号和噪声总功率的样本值；

其中，在步骤四中所述的“估计输入信号的载噪比(C/N₀)，并以此计算同相支路(I)、正交支路(Q)的噪声方差”，其作法如下：

依据步骤二、步骤三得到的相关结果计算得到载噪比(C/N₀)，利用载噪比(C/N₀)与各支路噪声方差的关系，计算得到

其中，在步骤五中所述的“六路相关结果”，是指步骤三中的中频信号与本地载波、超前码(E)、即时码(P)、滞后码(L)的同相支路(I)、正交支路(Q)相关结果I_E、Q_E、I_P、Q_P、I_L、Q_L；

其中，在步骤五中所述的“载波频率误差Δf_i、码相位误差Δτ_i”中的下角标i，是指第i个跟踪通道；

其中，在步骤五中所述的“六路相关结果作为量测信息，送入通道滤波器，用以估计载波频率误差Δf_i、码相位误差Δτ_i等跟踪参数”，其作法如下：

根据六路相关结果与各项跟踪参数的关系建立通道滤波器的量测方程，利用各项跟踪参数间的关系建立状态方程，从而通过量测信息对载波频率误差Δf_i、码相位误差Δτ_i等跟踪参数进行估计；

其中，在步骤六、七中所述的符号下角标i与步骤五中所述的下角标i一致，含义相同。

通过以上步骤和操作，本发明对载噪比进行实时估计，计算得到各支路的噪声方差，同时考虑到相关器间距对各支路噪声间相关性的影响，调整通道滤波器的量测噪声协方差矩阵，抑制噪声对跟踪环路参数估计的影响，以实现强干扰条件下对信号的稳定跟踪；利用无迹卡尔曼滤波器(UKF)，取代鉴相器、环路滤波器，在量测方程具有较强非线性以及部分点不可导的条件下，直接从同相支路、正交支路的相关结果中准确地提取跟踪参数，避免了引入鉴相器自身未建模误差以及环路带宽的限制，在建立UKF的状态方程、量测方程过程中，充分考虑载体的运动对各项跟踪参数的影响，从而实现在高动态条件下精确地跟踪信号；由于将各个通道的信息组织为一个量测矢量，间接提高了信号较弱通道的跟踪性能，从而实现对不同卫星信号的联合跟踪。

3.优点及功效

本发明提供了一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，该方法具有以下优点：

(1)本发明通过建立载噪比与各支路相关结果、载波频率误差、码相位误差的关系，实时估计载噪比，从而对通道滤波器的量测噪声协方差矩阵进行调整，同时在构造量测噪声协方差矩阵过程中，考虑到相关器间距对各支路噪声间相关性的影响，从而实现强干扰条件下对信号的稳定跟踪；

(2)利用具有较强非线性跟踪能力的无迹卡尔曼滤波器(UKF)，取代鉴相器、环路滤波器，在量测方程具有较强非线性以及部分点不可导的情况下，对各项跟踪参数进行准确估计，避免了引入鉴相器自身未建模误差、环路带宽的限制，在建立UKF的状态方程、量测方程过程中，充分考虑载体的运动对各项跟踪参数的影响，从而实现在高动态条件下精确跟踪信号；

(3)矢量跟踪将各跟踪通道作为一个整体，不同的跟踪通道之间可以相互辅助，间接提高了信号较弱通道的跟踪性能，实现对不同卫星信号的联合跟踪。

附图说明

图1为本发明所述的一种自适应矢量跟踪环路结构图。

图2为码自相关函数曲线图。

图3为本发明所述方法的操作流程图。

图2中符号说明如下：

ε：码相位误差

m：对于超前码(E)、即时码(P)、滞后码(L)，取值分别为-1、0、1

δ：相关器间距，取值为0.5码片

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明是一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，自适应矢量跟踪环路结构如图1所示，该实现方法流程如图3所示，其具体步骤如下：

步骤一：通过捕获、标量跟踪环节，获取各项跟踪参数的估计值，将其赋给矢量跟踪参数，完成初始化；

步骤二：中频信号送入噪声估计通道，中频信号与本地载波、一组未被使用的伪码进行相关计算，相关结果I_P0、Q_P0用于估计噪声功率；

步骤三：中频信号送入跟踪通道，分别与本地载波、超前码(E)、即时码(P)、滞后码(L)进行相关计算，对于第i个跟踪通道，即时码(P)的同相支路(I)、正交支路(Q)相关结果I_Pi、Q_Pi用于估计信号和噪声的总功率；

步骤四：估计输入信号的载噪比(C/N₀)，并以此计算同相支路(I)、正交支路(Q)的噪声方差σ_nI、σ_nQ

载噪比C/N₀计算公式为：

式中，T为相干积分时间，N为相干积分点数。

通过计算载噪比C/N₀实现对I、Q支路噪声方差σ_nI、σ_nQ的估计，σ_nI、σ_nQ计算公式为

步骤五：六路相关结果作为量测信息，送入通道滤波器，用以估计载波频率误差Δf_i、码相位误差Δτ_i等跟踪参数

第i个跟踪通道的通道滤波器状态量定义为(本步骤内以下符号均省略下角标i)：

式中，φ为载波相位误差，为载波相位变化率误差(对应载体速度变化)，为载波相位二阶导误差(对应载体加速度变化)，为载波相位三阶导误差(对应载体加加速度变化)，Δτ为码相位误差，A为归一化的信号强度。

经归一化的导航信号强度A定义为：

式中，A_S为信号强度，T_S为采样时间间隔，为I、Q支路的噪声方差，通过步骤四求取。

通道滤波器的状态方程为：

式中，[w₁ w₂ w₃ w₄ w₅ w₆]^T为各状态量对应的噪声，K₀为将弧度转换为码片的系数，其中

式中，f_carr、f_code分别为载波、伪码的频率。

通道滤波器的量测方程为：

Z＝h(X)+v (7)

其具体形式展开后为：

式中，T＝MT_S为相干积分时间，δ为相关器间隔，[v₁ v₂ v₃ v₄ v₅ v₆]^T为各支路的噪声，R(·)为自相关函数，函数曲线如图2所示。

在量测方程中，量测噪声的方差阵为：

载波频率误差Δf可由通道滤波器的状态估计结果获得，其计算公式为

根据已建立状态方程、量测方程，采用无迹卡尔曼滤波器(UKF)，利用UT变换的方法，通过Sigma采样点集来表现函数的非线性，Sigma采样策略为比例对称采样方法，采样参数设置为α＝10^-3、β＝2；

步骤六：各个跟踪通道的载波频率误差Δf_i、码相位误差Δτ_i经比例转换后，得到伪距误差Δρ_i、伪距率误差其比例关系为

Δρ_i＝λ_codeΔτ_i(11)

式中，λ_code、λ_carr分别为伪码、载波的波长。

将各通道的伪距误差Δρ_i、伪距率误差组织为一个量测矢量，送入导航滤波器，以估计载体的位置修正量速度修正量用以修正载***置、速度。

导航滤波器的状态量定义为

X＝[δx δy δz δv_x δv_y δv_z δa_x δa_y δa_z b_clk d_clk]^T (13)

式中，δx、δy、δz、δv_x、δv_y、δv_y、δa_x、δa_y、δa_y分别为载体在地心地固坐标系下三个方向的位置误差、速度误差、加速度误差，b_clk、d_clk分别为时钟误差等效距离误差、时钟频率误差等效距离率误差。

当建立n个跟踪通道时，则导航滤波器的状态方程为

式中，F为一步转移矩阵，W为***噪声，T_ru为相关时间

W＝[w_x w_y w_z w_vx w_vy w_vz w_ax w_ay w_az w_b w_d]^T (16)

导航滤波器的状态方程为

Z＝HX+V (17)

式中，Z为量测矢量，H为量测矩阵，V为量测噪声矩阵，[e_i1 e_i2 e_i3]^T为载体和导航卫星之间视线方向上的单位矢量，i＝1,…,n

步骤七：通过经校正后的载***置、速度信息和卫星星历，可以计算得到各通道的伪距ρ_i、伪距率利用式(12)、(13)，通过伪距、伪距率的变化量可以计算得到各跟踪通道码相位修正值载波频率修正值将其反馈至载波NCO、码NCO，对跟踪参数进行修正。

通过以上步骤，对各跟踪通道的载噪比进行实时估计，自适应调整通道滤波器的量测噪声协方差矩阵，利用无迹卡尔曼滤波器(UKF)作为通道滤波器，对各项跟踪参数进行估计，以实现在高动态、强干扰条件下对信号的准确跟踪。

Claims (7)

1.一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一：矢量跟踪参数初始化；

步骤二：中频信号送入噪声估计通道，相关结果用于估计噪声功率；

步骤三：中频信号送入跟踪通道，分别与本地载波、超前码(E)、即时码(P)、滞后码(L)进行相关计算，即时码所对应的同相支路、正交支路相关结果I_P、Q_P用于估计信号和噪声的总功率；

步骤四：估计输入信号的载噪比(C/N₀)，并以此计算同相支路(I)、正交支路(Q)的噪声方差

步骤五：六路相关结果作为量测信息，送入通道滤波器，用以估计载波频率误差Δf_i和码相位误差Δτ_i诸跟踪参数；

步骤六：各跟踪通道的载波频率误差Δf_i、码相位误差Δτ_i经比例转换后，得到伪距误差Δρ_i、伪距率误差将其组织为一个量测矢量，送入导航滤波器，以估计载体的位置修正量速度修正量

步骤七：经修正后的载***置、速度信息结合卫星星历，计算各跟踪通道码相位修正值和载波频率修正值将其反馈至载波数控振荡器NCO和码数控振荡器NCO，对跟踪参数进行修正；

通过以上步骤和操作，本发明通过对载噪比进行实时估计，计算得到各支路的噪声方差，同时考虑到相关器间距对各支路噪声间相关性的影响，调整通道滤波器的量测噪声协方差矩阵，抑制噪声对跟踪环路参数估计的影响，以实现强干扰条件下对信号的稳定跟踪；利用无迹卡尔曼滤波器即UKF，取代鉴相器和环路滤波器，在量测方程具有强非线性以及部分点不可导的条件下，直接从同相支路和正交支路的相关结果中准确地提取跟踪参数，避免了引入鉴相器自身未建模误差以及环路带宽的限制，在建立UKF的状态方程和量测方程过程中，充分考虑载体的运动对各项跟踪参数的影响，从而实现在高动态条件下精确地跟踪信号；由于将各个通道的信息组织为一个量测矢量，间接提高了信号较弱通道的跟踪性能，从而实现对不同卫星信号的联合跟踪。

2.根据权利要求1所述的一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，其特征在于：

在步骤一中所述的“矢量跟踪参数初始化”，其作法如下：经捕获、标量跟踪，得到各项跟踪参数的估计值，将其作为矢量跟踪参数的初值。

3.根据权利要求1所述的一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，其特征在于：

在步骤二中所述的“中频信号送入噪声估计通道，相关结果用于估计噪声功率”，其作法如下：将中频信号与本地载波、一组未被使用的伪码进行相关计算，其结果作为噪声功率的样本值。

4.根据权利要求1所述的一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，其特征在于：

在步骤三中所述的“即时码所对应的同相支路、正交支路相关结果I_P、Q_P用于估计信号和噪声的总功率”，是指将I_P、Q_P作为信号和噪声总功率的样本值。

5.根据权利要求1所述的一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，其特征在于：

在步骤四中所述的“估计输入信号的载噪比(C/N₀)，并以此计算同相支路(I)、正交支路(Q)的噪声方差”，其作法如下：

依据步骤二、步骤三得到的相关结果计算得到载噪比(C/N₀)，利用载噪比(C/N₀)与各支路噪声方差的关系，计算得到

6.根据权利要求1所述的一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，其特征在于：

在步骤五中所述的“六路相关结果”，是指步骤三中的中频信号与本地载波、超前码(E)、即时码(P)、滞后码(L)的同相支路(I)、正交支路(Q)相关结果I_E、Q_E、I_P、Q_P、I_L、Q_L；

在步骤五中所述的“载波频率误差Δf_i、码相位误差Δτ_i”中的下角标i，是指第i个跟踪通道。

7.根据权利要求1所述的一种自适应矢量跟踪环路的实现方法，其特征在于：

在步骤五中所述的“六路相关结果作为量测信息，送入通道滤波器，用以估计载波频率误差Δf_i、码相位误差Δτ_i诸跟踪参数”，其作法如下：

根据六路相关结果与各项跟踪参数的关系建立通道滤波器的量测方程，利用各项跟踪参数间的关系建立状态方程，从而通过量测信息对载波频率误差Δf_i和码相位误差Δτ_i诸跟踪参数进行估计。