[發明專利]一種電離層閃爍下基于矢量跟蹤的自適應卡爾曼濾波方法

有效

• 申請號: 201710819932.2
• 申請日: 2017-09-13
• 公開（公告）號: CN107515414B
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 祝雪芬;徐斌鋮;陳熙源;湯新華
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01S19/37
• 分類號: G01S19/37
• 代理公司: 南京眾聯專利代理有限公司 32206
• 代理人: 周蔚然

本發明公開了一種在電離層閃爍情況下基于矢量跟蹤的自適應卡爾曼濾波方法，對導航系統的狀態方程及測量方程進行模型化估計，并用自適應卡爾曼濾波對所有信道的跟蹤結果和導航解算結果進行聯合相關處理，在此過程中，對系統噪聲協方差和測量噪聲協方差做最優濾波估計，并遞推更新了誤差協方差矩陣。基于當前狀態估計計算時間更新方程得到下一步驟的PVT預估，降低了因電離層閃爍引起的系統模型誤差，抑制濾波發散且提高濾波精度，系統的抗干擾能力和動態特性得以增強，且降低了捕獲時所需的信號功率。

技術領域

本發明屬于無線通信技術領域，尤其涉及一種電離層閃爍情況下基于矢量跟蹤的自適應卡爾曼濾波方法。

背景技術

GPS信號從衛星傳播到地球時會受到電離層閃爍的干擾，信號的幅值和相位會發生強烈抖動,這會導致GPS接收機的載波鎖相環對信號失去鎖定，鎖相環滑移會使導航定位誤差增大甚至導航中斷。傳統的STL(標量跟蹤環)獨自處理各自衛星的信號，最后結合所有信道的跟蹤結果對導航結果進行解算。標量跟蹤環的性能受環路參數如階數和噪聲帶寬的影響，且STL忽略了不同信道數據之間的相關關系。

與STL不同，VTL(矢量跟蹤環)有效結合了所有信道跟蹤結果和導航解算之間的關系，提高了系統的抗干擾能力和動態穩定性。但由于所有信道信號相關，單一信道的失鎖會影響整個系統的輸出。且該方法要求動態變化的系統參數和測量模型是已知的，但在電離層閃爍的情況下這些變量難以精確求取。若系統的初始化參數不能正確的反應系統模型，則濾波的結果可能發散，此時對協方差矩陣的自適應估計顯的必要且有效。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服現有技術的不足，提出一種在電離層閃爍情況下基于矢量跟蹤的自適應卡爾曼濾波方法，該方法在基于矢量跟蹤環路的基礎上對系統輸出做自適應卡爾曼濾波，實時修正系統噪聲和測量噪聲的統計特性，達到降低因電離層閃爍引起的系統模型誤差，抑制濾波發散且提高濾波精度的目的。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案如下：

一種電離層閃爍情況下基于矢量跟蹤的自適應卡爾曼濾波算法：包括以下步驟：

步驟A，對導航系統做線性化處理，得到環路的狀態方程和觀測方程及其相關噪聲的定義式；具體過程如下：

步驟A-1，在接收機相對運行速度較慢的情況下定義導航系統為二階的線性方程，它的狀態向量可用位置，速度，鐘差及其鐘漂表示：

其中，位置和速度都在ECEF坐標系內，系統的初始化狀態用接收機初始狀態值代入；

步驟A-2，根據卡爾曼濾波的定義求取狀態轉移矩陣：

其中，T為兩相鄰導航解算的時間間隔；

步驟A-3，計算環路輸出的多普勒頻移和碼相位差得到所有衛星的偽距和偽距率，作為卡爾曼濾波器的觀測量：

其中，N為視野范圍內的衛星數量，且偽距可用如下方程式表達：

其中，δ_u(t)為用戶的時鐘，δ^k(t)為衛星的鐘差，I^k(t)為電離層誤差，T^k(t)為對流層誤差，ε^k(t)為所有其它因素引起的誤差；

對偽距方程求微分得偽距率：

其中，V^k為衛星k的速度，V_u為用戶的速度，G為衛星到接收機距離的倒數；

步驟A-4，由上兩式及其幾何關系可知，系統的量測矩陣H為：