一種基于空間域的聯(lián)合非相干積分矢量跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明適用于城市交通、航海等中低精度要求的導(dǎo)航定位技術(shù)領(lǐng)域，是為了達(dá)到 高精度、高可靠性以及大定位覆蓋范圍的導(dǎo)航定位要求，在傳統(tǒng)GPS軟件接收機(jī)技術(shù)的基 礎(chǔ)上研究新的衛(wèi)星信號(hào)跟蹤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了在衛(wèi)星信號(hào)微弱及高動(dòng)態(tài)等環(huán)境中的無縫定位。
【背景技術(shù)】
[0002] 在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中（航天領(lǐng)域、運(yùn)載火箭、衛(wèi)星和導(dǎo)彈），GPS接收機(jī)處于高速運(yùn)動(dòng)狀 態(tài)，且可能具有很大的加速度或加加速度，一般商用GPS接收機(jī)無法正常工作。在高動(dòng)態(tài)環(huán) 境中，較高的接收機(jī)運(yùn)動(dòng)速度使得載波上存在較大的多普勒頻移，此外，當(dāng)接收機(jī)以很高的 加速度或加加速度改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，將導(dǎo)致載波多普勒頻移的劇烈變化。由高動(dòng)態(tài)引起的 劇烈變化的多普勒頻移會(huì)給GPS接收機(jī)的跟蹤環(huán)路帶來一些問題：
[0003] (1)需要盡快的完成捕獲過程并進(jìn)入跟蹤過程，太大的多普勒頻移會(huì)給初期的跟 蹤帶來很大的困難，此時(shí)跟蹤環(huán)路只能采用帶寬較寬的鎖頻環(huán)或鎖相環(huán)。
[0004] (2)由于多普勒頻移變化劇烈，因此積分時(shí)間必須很短，否則很容易超過鎖相環(huán)或 鎖頻換的跟蹤帶寬，導(dǎo)致信號(hào)失鎖。
[0005] (3)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境對(duì)信號(hào)跟蹤進(jìn)行跟蹤時(shí)，因?yàn)檩d波多普勒頻率變化劇烈，所以才 用了較短的積分時(shí)間和較大的濾波器噪聲帶寬，因此環(huán)路信噪比通常較低，跟蹤精度較差。
[0006] 眾所周知，在GPS接收機(jī)中，與傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤環(huán)路（ScalarTrackingLoop,STL) 相比，矢量跟蹤環(huán)路（VectorTrackingLoop，VTL)有著很多優(yōu)點(diǎn)，尤其是在弱信號(hào)和高動(dòng) 態(tài)環(huán)境的中，VTL具有更好的跟蹤靈敏度及重捕獲速度。傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)在GPS信號(hào)信 噪比較高且載體動(dòng)態(tài)性較低時(shí)可以很好的工作。然而，當(dāng)傳統(tǒng)GPS接收機(jī)處于高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng) 狀態(tài)或GPS信號(hào)信噪比較低時(shí)將會(huì)失去對(duì)GPS信號(hào)的鎖定。與之相反，基于矢量跟蹤環(huán)路 的GPS接收機(jī)對(duì)低信噪比和高動(dòng)態(tài)環(huán)境具有比傳統(tǒng)GPS接收機(jī)高的多的耐受能力，矢量跟 蹤GPS接收機(jī)擁有比傳統(tǒng)接收機(jī)更好的性能。
[0007] 然而，傳統(tǒng)的矢量跟蹤技術(shù)并沒有充分的利用各通道信號(hào)的內(nèi)在關(guān)系，還不能被 稱為真正意義上的矢量跟蹤。事實(shí)上，除了各通道信號(hào)的偽距、位居率具有內(nèi)在耦合性以 外，各通道的鑒相器輸出（偽距、位居率殘差）也不是相互獨(dú)立的。當(dāng)我們處理微弱信號(hào)的 時(shí)候，也可以將這個(gè)內(nèi)在的聯(lián)系加以利用，以提高GPS接收機(jī)的性能。
[0008] 本發(fā)明以矢量跟蹤思想為基礎(chǔ)提出了一種新的矢量跟蹤策略，用以進(jìn)一步提高矢 量跟蹤GPS接收機(jī)的性能。在新的矢量跟蹤策略設(shè)計(jì)中舍棄了傳統(tǒng)矢量跟蹤環(huán)路中的鑒相 器/鑒頻器，而是將各通道可見衛(wèi)星的基帶信號(hào)進(jìn)行非相干積分后作為觀測(cè)量，并使用EKF 估計(jì)其直接求解GPS接收機(jī)的位置、速度及鐘差等。因?yàn)榉窍喔煞e分運(yùn)算的存在，當(dāng)GPS衛(wèi) 星信號(hào)較弱時(shí)，可以有效提高觀測(cè)量的載噪比，提高跟蹤靈敏度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的技術(shù)解決問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新的GPS軟件接收機(jī) 中的信號(hào)跟蹤方法，該方法克服了傳統(tǒng)軟件接收機(jī)由于信號(hào)遮擋或載體高動(dòng)態(tài)環(huán)境下定位 精度的欠缺，可以得到大量的預(yù)估計(jì)處理增益，有效提高觀測(cè)量的載噪比，提高跟蹤靈敏 度，提供覆蓋范圍更大、可靠性更高也更精確的弱信號(hào)和高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的定位服務(wù)。
[0010] 本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案：
[0011] -種基于空間域的聯(lián)合非相干積分矢量跟蹤方法，其特征在于包括以下步驟：
[0012] (1)通過GPS天線接收衛(wèi)星信號(hào)，將各通道基帶信號(hào)進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)不同通道間信 號(hào)非相干積分，以提高低信噪比條件下的跟蹤靈敏度；
[0013] (2)使用非相干積分后的結(jié)果作為觀測(cè)值，使用擴(kuò)展卡爾曼濾波器對(duì)導(dǎo)航狀態(tài)參 數(shù)進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)；
[0014] (3)根據(jù)估計(jì)結(jié)果預(yù)測(cè)各跟蹤通道的碼相位差和載波頻率差，直接形成閉環(huán)跟蹤 環(huán)路。
[0015] 所述的基于空間域的聯(lián)合非相干積分矢量跟蹤環(huán)路的跟蹤周期為1秒。
[0016] 步驟1所述的聯(lián)合相干積分為
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] ：~-；=1
[0021] 其中，L為可見的GPS衛(wèi)星數(shù)量，N為[k，k+l]時(shí)段內(nèi)的積分點(diǎn)個(gè)數(shù)；nk+1為零均 值高斯白噪聲。IP^k+1為[k，k+Ι]時(shí)段第1顆衛(wèi)星即時(shí)信號(hào)相關(guān)積分結(jié)果；I P，k，k+1、Ie，k，k+1、 1^!^+1是GPS基帶信號(hào)與本地復(fù)現(xiàn)信號(hào)的相干積分結(jié)果，我們選擇他們作為跟蹤環(huán)路的觀 測(cè)量；4;|| =$(々十1)^/(^十1)，ajk+l)為k+Ι時(shí)刻的信號(hào)振幅，Ak+1是各通道信號(hào)振幅的平 均值，為一未知量，可作為跟蹤環(huán)路的狀態(tài)向量。
[0022] 步驟2中所述矢量跟蹤環(huán)路系統(tǒng)卡爾曼濾波器的系統(tǒng)方程為
[0023]
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：
[0025] (1)基于矢量跟蹤環(huán)路的GPS接收機(jī)對(duì)低信噪比和高動(dòng)態(tài)環(huán)境具有比傳統(tǒng)GPS接 收機(jī)高得多的耐受能力，矢量跟蹤GPS接收機(jī)擁有比傳統(tǒng)接收機(jī)更好的性能。
[0026] (2)在傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)中，跟蹤模塊包含數(shù)個(gè)功能一致且獨(dú)立的跟蹤環(huán)路，每個(gè) 跟蹤環(huán)路對(duì)單獨(dú)一路GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立的跟蹤和處理。與傳統(tǒng)接收機(jī)不同，本發(fā)明中 矢量跟蹤接收機(jī)只有一個(gè)被稱為導(dǎo)航濾波器的跟蹤模塊，導(dǎo)航濾波器能夠同時(shí)對(duì)所有通道 的GSP衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤處理，同時(shí)還完成接收機(jī)位置、速度解算的任務(wù)。由于矢量GPS接 收機(jī)將所有通道的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行統(tǒng)一處理，對(duì)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)跟蹤是由各通道信號(hào)聯(lián)合完成 的，因此其具有很多優(yōu)點(diǎn)。
[0027] (3)當(dāng)使用傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤環(huán)路時(shí)，每個(gè)跟蹤通道必須依靠其自身對(duì)一顆GPS衛(wèi) 星信號(hào)的視向多普勒頻率和碼相位變化進(jìn)行跟蹤，因此當(dāng)多普勒頻率變化劇烈或者接收到 的信號(hào)能量過低時(shí)，該跟蹤環(huán)路會(huì)失鎖。但是在矢量跟蹤過程中，由于集合了所有通道的能 量且導(dǎo)航濾波器可以根據(jù)載體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)直接對(duì)各通道多普勒頻率變化率進(jìn)行直接反饋， 所以可以擁有更低的跟蹤門限和更高的動(dòng)態(tài)應(yīng)力承受能力。
[0028] 本發(fā)明以矢量跟蹤思想為基礎(chǔ)提出了一種新的矢量跟蹤策略，用以進(jìn)一步提高矢 量跟蹤GPS接收機(jī)的性能。在新的矢量跟蹤策略設(shè)計(jì)中舍棄了傳統(tǒng)矢量跟蹤環(huán)路中的鑒相 器/鑒頻器，而是將各通道可見衛(wèi)星的基帶信號(hào)進(jìn)行非相干積分后作為觀測(cè)量，并使用EKF 估計(jì)其直接求解GPS接收機(jī)的位置、速度及鐘差等。因?yàn)榉窍喔煞e分運(yùn)算的存在，當(dāng)GPS衛(wèi) 星信號(hào)較弱時(shí)，可以有效提高觀測(cè)量的載噪比，提高跟蹤靈敏度。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)圖；
[0030]圖2為本發(fā)明的GPS接收機(jī)工作流程圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明的GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)原理；
[0032]圖4為本發(fā)明的GPS接收機(jī)算法流程圖；
【具體實(shí)施方式】
[0033] 在GPS接收機(jī)工作的過程中，為了得到各跟蹤通道的偽距（距離）和偽距率（視向 速度），需要用接收到的GPS中頻信號(hào)與各個(gè)跟蹤通道的本地復(fù)現(xiàn)載波和復(fù)現(xiàn)偽隨機(jī)序列 進(jìn)行相關(guān)和積分運(yùn)算。我們假設(shè)當(dāng)前時(shí)刻為k時(shí)刻，下一時(shí)刻為k+Ι時(shí)刻，在跟蹤過程中， 我們需要利用k時(shí)刻的數(shù)據(jù)估計(jì)下k+Ι時(shí)刻的信號(hào)參數(shù)。
[0034] 以第1顆衛(wèi)星的跟蹤通道為例，設(shè)當(dāng)前時(shí)刻的偽隨機(jī)碼相位為τlk (單位：米）、偽 隨機(jī)碼頻率fradeilk (單位：碼片/秒）、GPS接收機(jī)的鐘差為tbik (單位：米）、GPS接收機(jī)的 時(shí)鐘漂移為t4k(單位：米/秒）、GPS接收機(jī)的位置為Pk、GPS接收機(jī)的速度為Vk、衛(wèi)星的位 Psatel 1 i te，1，k、衛(wèi)星的速度為 ^satellite, 1, k °
[0035]其中，
[0036] Pk= [XkYkZJT (1)
[0037] Vk= [Vx,kVy,kVz,k]T (2)
[0038] ^satellite, 1, k satellite, 1, k ^satellite, 1, k ^satellite, 1, k-1 (3)
[0039] ^satellite, 1, k [V x, satellite, 1，k Vy, satellite, 1，k Vz, satellite, 1，k] (4)
[0040]貝IJk時(shí)刻GPS接收機(jī)位置/速度與k+1時(shí)刻GPS接收機(jī)位置速度的關(guān)系為[0041] Pk+1=Pk+Vktkik+1+ δ Pk+1(5)
[0042]Vk+1=Vk+5Vk+1 (6)
[0043]
(7) (B)
[0045]其中，也i為k+1時(shí)刻GPS接收機(jī)位置預(yù)測(cè)值；4為k+1時(shí)刻GPS接收機(jī)速度的 預(yù)測(cè)值；δPk+1為k+Ι時(shí)刻GPS接收機(jī)位置預(yù)測(cè)值的誤差；δVk+1為k+Ι時(shí)刻GPS接收機(jī)速 度預(yù)測(cè)值的誤差。
[0046] 我們知道，GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的跟蹤過程，實(shí)質(zhì)上就是對(duì)接收到的GPS衛(wèi)星信號(hào) 的碼相位和載波多普勒頻率的變化的跟蹤過程。GPS接收機(jī)與GPS衛(wèi)星相對(duì)位置的變化導(dǎo) 致了碼相位的變化，GPS接收機(jī)與GPS衛(wèi)星間相對(duì)速度的變化導(dǎo)致了多普勒頻率的變化，且 他們之間滿足如下關(guān)系：
[0049]其中，Δτi(k,k+Ι)為k到k+Ι時(shí)刻以米為單位的碼相位的變化量；Psatelllte,lik為 [k，k+Ι]時(shí)段內(nèi)衛(wèi)星1的位