[發(fā)明專利]一種穩(wěn)健無偏的導(dǎo)航信號(hào)矢量跟蹤方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610320934.2
• 申請(qǐng)日: 2016-05-16
• 公開（公告）號(hào): CN105954772B
• 公開（公告）日: 2018-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 林紅磊;黃仰博;唐小妹;孫廣福;王勇;李蓬蓬;李垣陵;蘇印雪
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國人民解放軍國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01S19/24
• 分類號(hào): G01S19/24
• 代理公司: 北京中濟(jì)緯天專利代理有限公司11429
• 代理人: 陳立新

1.一種穩(wěn)健無偏的導(dǎo)航信號(hào)矢量跟蹤方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟101，獲取導(dǎo)航信號(hào)的數(shù)字中頻信號(hào)S_r(t)；

步驟102，接收機(jī)中包括N條信號(hào)跟蹤通道，N等于進(jìn)入穩(wěn)健矢量跟蹤環(huán)路中的衛(wèi)星數(shù)，一個(gè)信號(hào)跟蹤通道跟蹤一顆衛(wèi)星的一個(gè)頻點(diǎn)；每條信號(hào)跟蹤通道包括一個(gè)數(shù)字控制振蕩器、一個(gè)相關(guān)器和一個(gè)鑒別器，數(shù)字中頻信號(hào)S_r(t)和數(shù)字控制振蕩器生成的本地復(fù)制信號(hào)為信號(hào)跟蹤通道中相關(guān)器的輸入信號(hào)，相關(guān)器對(duì)各輸入信號(hào)進(jìn)行相干積分處理，得到各輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)的相關(guān)值，相關(guān)值輸入鑒別器，鑒別器將各通道的鑒別誤差結(jié)果輸出給穩(wěn)健矢量跟蹤環(huán)路；步驟102采用如下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟201：信號(hào)跟蹤通道中的數(shù)字控制振蕩器，用來生成本地復(fù)制信號(hào)，本體復(fù)制信號(hào)的載波頻率和偽碼頻率通過數(shù)字控制振蕩器中的頻率控制字控制，以保證本地復(fù)制信號(hào)和接收的導(dǎo)航信號(hào)間的同步；

步驟202：本地復(fù)制信號(hào)包括由同相支路(I)和正交支路(Q)的載波信號(hào)和超前支路(E),準(zhǔn)時(shí)支路(P)，滯后支路(L)三路不同碼相位的偽碼信號(hào)合成的六路信號(hào)，分別為同相超前支路S_IE(t),正交超前支路S_QE(t),同相準(zhǔn)時(shí)支路S_IP(t),正交準(zhǔn)時(shí)支路S_QP(t),同相滯后支路S_IL(t),正交滯后支路S_QL(t)信號(hào)；

步驟203：相關(guān)器完成上述六路本地復(fù)制信號(hào)和接收的數(shù)字中頻信號(hào)S_r(t)的相干積分處理，得到一組相干積分結(jié)果，分別為同相超前相干積分結(jié)果C_IE,正交超前相干積分結(jié)果C_QE,同相準(zhǔn)時(shí)相干積分結(jié)果C_IP1、C_IP2,正交準(zhǔn)時(shí)相干積分結(jié)果C_QP1、C_QP2,同相滯后相干積分結(jié)果C_IL,正交滯后相干積分結(jié)果C_QL；它們的計(jì)算方法如下所示：

CIE=∫0TcohSIE(t)·Sr(t)dt]]>

CQE=∫0TcohSQE(t)·Sr(t)dt]]>

CIL=∫0TcohSIL(t)·Sr(t)dt]]>

CQL=∫0TcohSQL(t)·Sr(t)dt]]>

CIP1=∫0Tcoh/2SIP(t)·Sr(t)dt]]>

CIP2=∫Tcoh/2TcohSIP(t)·Sr(t)dt]]>

CQP1=∫0Tcoh/2SQP(t)·Sr(t)dt]]>

CQP2=∫Tcoh/2TcohSQP(t)·Sr(t)dt]]>

其中T_coh為信號(hào)相干積分時(shí)間；

步驟204：鑒別器包括鑒頻器和碼鑒相器，其中鑒頻器用來估計(jì)本地復(fù)制信號(hào)和接收的數(shù)字中頻信號(hào)S_r(t)間的載波頻率誤差ε_f，其輸入為C_IP1、C_IP2、C_QP1和C_QP2，碼鑒相器用來估計(jì)本地復(fù)制信號(hào)和接收的數(shù)字中頻信號(hào)S_r(t)間的偽碼相位誤差ε_ρ，其輸入為C_IE,C_QE,C_IL和C_QL；ε_f和ε_ρ估計(jì)方法如下：

ϵρ=12·CIE2+CQE2-CIL2+CQL2CIE2+CQE2+CIL2+CQL2]]>

ϵf=atan2(CIP1·CIP2+CQP1·CQP2,CIP1·CQP2-CIP2·CQP1)Tcoh/2.]]>

步驟103，將步驟102得到的鑒別誤差結(jié)果輸入到穩(wěn)健矢量跟蹤環(huán)路，穩(wěn)健矢量跟蹤環(huán)路由步驟102給出的鑒別誤差結(jié)果以及當(dāng)前時(shí)刻接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)參數(shù)，生成各條信號(hào)跟蹤通道中數(shù)字控制振蕩器中的頻率控制字，各條信號(hào)跟蹤通道中的本地復(fù)制信號(hào)的載波頻率和偽碼頻率通過各條信號(hào)跟蹤通道中數(shù)字控制振蕩器中的頻率控制字控制，其中當(dāng)前接收機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)由接收機(jī)實(shí)時(shí)解算得到，衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)參數(shù)從衛(wèi)星星歷中提取獲得；步驟103采用如下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟301，根據(jù)接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)和衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)求解當(dāng)前時(shí)刻各個(gè)信號(hào)跟蹤通道數(shù)字控制振蕩器中的頻率控制字調(diào)整增量的預(yù)測結(jié)果，方法如下：

設(shè)接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)為其中為k時(shí)刻接收機(jī)在地心地固坐標(biāo)系下的三維位置和鐘差(相對(duì)于衛(wèi)星鐘),下標(biāo)k代表時(shí)刻k，上標(biāo)r代表接收機(jī)；為接收機(jī)的三維速度和鐘漂(相對(duì)于衛(wèi)星鐘)；類似的，第i顆衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)表示為其中上標(biāo)i表示第i顆衛(wèi)星，i＝1,2,…N；

對(duì)于第i顆衛(wèi)星，根據(jù)接收機(jī)中的偽距方程和多普勒方程可以得到前后歷元間的差分方程，如下所示

ΔYki=Hki·ΔXkr-Hki·ΔXki]]>

算子Δ()_k表示某變量在k+1和k時(shí)刻的差值；表示接收機(jī)前后兩時(shí)刻的狀態(tài)參數(shù)的差；表示k+1時(shí)刻和k時(shí)刻衛(wèi)星i的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)的差，該參數(shù)可以星歷中獲得；為k時(shí)刻和k+1衛(wèi)星i到接收機(jī)的偽距差，為k時(shí)刻和k+1衛(wèi)星i到接收機(jī)的多普勒差值；N為進(jìn)入矢量跟蹤環(huán)路中的衛(wèi)星數(shù)，為已知參數(shù)；為k時(shí)刻第i可衛(wèi)星的觀測矩陣或幾何轉(zhuǎn)換矩陣，為

Hki=-αki0-βki0-γki0100-αki0-βki0-γki012×8]]>

其中分別定義如下

αki=(xki-xkr)/Rkiβki=(yki-ykr)/Rkiγki=(zki-zkr)/Rki]]>

為接收機(jī)和第i衛(wèi)星的幾何距離，具體為：

Rki=(xki-xkr)2+(yki-ykr)2+(zki-zkr)2]]>

將上述第i顆衛(wèi)星擴(kuò)展到所有衛(wèi)星，并聯(lián)立可以得到如下表達(dá)式

ΔYk=Hk·ΔXkr-Zks]]>

其中為k時(shí)刻所有衛(wèi)星的觀測量增量的矢量形式，為所有衛(wèi)星的觀測矩陣，為所有衛(wèi)星的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)的增量按觀測矩陣投影的大小，N為衛(wèi)星數(shù)，上標(biāo)1,2,…N分別表示衛(wèi)星的序號(hào)；

在差分方程中，H_k和均是已知量，而需要知道k+1時(shí)刻的接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)，在k時(shí)刻獲得k+1時(shí)刻的接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)只能借助運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行預(yù)測，相應(yīng)的，將預(yù)測的k+1時(shí)刻的接收機(jī)位置帶入上述差分方程中，便可得到預(yù)測的預(yù)測增量和多普勒增量，方法如下：

接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)方程為：

Xk+1r-=Φ·Xkr+ωk]]>

其中Φ為相鄰時(shí)刻的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，ω_k為過程噪聲，其協(xié)方差陣為Q；Φ和Q通過下面方式獲得；

Φ=Φx0000Φy0000Φz0000Φt]]>

Q=Qx0000Qy0000Qz0000Qt]]>

其中Φ_x，Φ_y，Φ_z分別為接收機(jī)在地心地固坐標(biāo)系坐標(biāo)下xyz三維方向上的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Φ_c為接收機(jī)鐘差維度的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，Q_x，Q_y，Q_z，分別為xyz三維方向上的過程噪聲協(xié)方差矩陣，Q_c為接收機(jī)鐘差維度的過程噪聲協(xié)方差矩陣，各自的表達(dá)式如下：

Φx=Φy=Φz=Φt=1T01]]>

Qx=Qy=Qz=SqT3/3T2/2T2/2T]]>

Qt=St·T+Sf·T3/3Sf·T2/2Sf·T2/2Sf·T]]>

其中S_q為接收機(jī)運(yùn)動(dòng)加速度噪聲功率譜密度；S_t為鐘差噪聲功率譜密度，S_f為鐘漂噪聲功率譜密度，取S_t＝2×10^-19，S_f＝2×10^-21；

據(jù)此可以得到所有衛(wèi)星的偽距和多普勒的增量預(yù)測結(jié)果具體如下

ΔYk-=Hk·(Xk+1r--Xkr)-Zks]]>

在衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)狀態(tài)參數(shù)已知的情況下，的預(yù)測精度取決于接收機(jī)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的預(yù)測精度，即有

PkY-=Hk·Pk+1r-·HkT=Hk·(Φ·Pkr·ΦT+Q)·HkT]]>

其中為接收機(jī)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)參數(shù)協(xié)方差矩陣，為根據(jù)當(dāng)前接收機(jī)的狀態(tài)參數(shù)預(yù)測的下一時(shí)刻狀態(tài)參數(shù)預(yù)測協(xié)方差矩陣；

步驟302，穩(wěn)健矢量跟蹤環(huán)路以步驟102中鑒頻器和碼鑒相器輸出的估計(jì)誤差為觀測量，對(duì)步驟301中輸出的增量預(yù)測結(jié)果進(jìn)行加權(quán)修正，其中加權(quán)矩陣為對(duì)角矩陣Λ，其計(jì)算方法為：

Λ=diag(PkY-)·(diag(PkY-)+R)-1]]>

其中R為各個(gè)衛(wèi)星跟蹤通道中鑒別器輸出結(jié)果的噪聲協(xié)方差矩陣，為對(duì)角矩陣，表達(dá)式為

R=σρ1000...000σf100...0000σρ20...00000σf2...00.....................0000...σρN00000...0σfN]]>

其中和分別為第i顆衛(wèi)星跟蹤通道中的碼鑒相器輸出結(jié)果的方差和鑒頻器輸出結(jié)果的方差，表達(dá)式為

σρi=14·1SNRd(1+2SNRd)]]>

σfi=(12·12π·T)2·1SNRd(1+1SNRd)]]>

其中SNR_d為輸入碼鑒相器和鑒頻器的信號(hào)的信噪比；

步驟303，根據(jù)步驟302求得的加權(quán)矩陣對(duì)步驟301中的預(yù)測結(jié)果進(jìn)行加權(quán)，得到最終各顆衛(wèi)星的偽距和多普勒的增量估計(jì)結(jié)果，具體如下所示：

ΔYk=ΔYk-+Λ·ΔEk]]>

其中該矢量中每一項(xiàng)的上標(biāo)1,2,…N,分別表示衛(wèi)星的序號(hào)，下標(biāo)表示第k時(shí)刻，該矢量中每一項(xiàng)是從步驟102得到的；

根據(jù)各顆衛(wèi)星的偽距和多普勒增量，可以獲得當(dāng)前數(shù)字控制振蕩器中多普勒頻率控制字的調(diào)整值，方法如下：

Dpl_codeki=ΔρkiT·Ratecodec]]>

Dpl_carrki=Dpl_carrk-1i+Δfki·RFcarrc]]>

其中和為k時(shí)刻第i顆衛(wèi)星的偽碼多普勒頻率控制字和載波多普勒頻率控制字的調(diào)整值，和分別為偽碼相位和載波多普勒頻率的增量估計(jì)結(jié)果，Rate_code為信號(hào)的偽碼速率，RF_carr為信號(hào)的載波射頻頻率，c為光在真空中傳播的速度。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)健無偏的導(dǎo)航信號(hào)矢量跟蹤方法，其特征在于步驟101中，導(dǎo)航信號(hào)經(jīng)過接收機(jī)中的天線，射頻前端，AD轉(zhuǎn)換器后變?yōu)閿?shù)字中頻信號(hào)S_r(t)。