一種高動態(tài)gnss載波信號的跟蹤方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星導航技術領域，特別涉及一種高動態(tài)GNSS載波信號的跟蹤方法 及系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002]GNSS即全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，GlobalNavigationSatelliteSystem。衛(wèi)星導航接 收機捕獲并跟蹤多個GNSS衛(wèi)星的信號，然后解調(diào)其中調(diào)制的導航數(shù)據(jù)。衛(wèi)星導航接收機利 用測距碼計算GNSS衛(wèi)星與用戶的相對距離，利用導航數(shù)據(jù)中的星歷數(shù)據(jù)解算衛(wèi)星位置和 時間模型，進而計算出用戶的位置。
[0003] 利用GNSS信號（如GPS、北斗、GLONASS等）進行導航已經(jīng)廣泛應用于空間低軌衛(wèi) 星、導彈、以及地面目標。當載體運行在高速、高加速度與高加加速度的環(huán)境中時，信號的多 普勒效應將極大的影響接收機對信號的接收，因此對接收機中的信號跟蹤方法和其跟蹤性 能均提出了極高的要求。
[0004] 美國噴氣動力實驗（JPL)較早地在高動態(tài)GPS信號跟蹤技術方面作了深入的研究 并于1987年提出采用最大似然估計（MLE)方法對偽碼延時和載波多普勒頻率進行了估計。 自此之后，高動態(tài)環(huán)境下的GNSS信號接收技術主要可以歸為兩類：一是研究適合高動態(tài)環(huán) 境下的GNSS信號跟蹤的頻率估計算法，將算法嵌入接收機的載波環(huán)路內(nèi)，以適應高動態(tài)環(huán) 境下GNSS信號的接收。顯然它具有體積小、成本低等特點。另一種是將接收機與慣導系統(tǒng) 結(jié)合，給GNSS接收機提供IMU(慣性測量單元）的速度輔助（即提供多普勒頻移的先驗知 識），組成捷聯(lián)慣導系統(tǒng)。在這種導航系統(tǒng)中，慣性導航系統(tǒng)為GNSS提供速率信息，以適應 高動態(tài)定位導航；GNSS為慣導系統(tǒng)提供時間標準等信息，以消去慣性導航器件因時間而累 積的誤差。
[0005] 高動態(tài)GNSS信號與普通GNSS信號的最大區(qū)別在于載波多普勒的變換率很大。具 體來說，跟蹤高動態(tài)GNSS信號有以下幾個難點：
[0006] (1)、環(huán)路帶寬限制：在傳統(tǒng)跟蹤方法中存在環(huán)路帶寬與跟蹤精度的矛盾：帶寬越 高，載波跟蹤的動態(tài)范圍越大，但同時高動態(tài)載波的能量也會分布到其帶寬范圍內(nèi)，使得跟 蹤精度顯著下降，因此為了確保跟蹤精度，環(huán)路能夠忍受的動態(tài)范圍只好受到限制；
[0007] (2)、動態(tài)水平精確檢測困難：無論是依靠環(huán)路中的頻率估計，還是捷聯(lián)慣導系統(tǒng) 中的IMU，都存在不能準確實時的對載體所具有的加速度、加加速度進行測量的問題，影響 了接收機對GNSS信號的跟蹤；
[0008] (3)、跟蹤環(huán)路設計復雜：現(xiàn)有的高動態(tài)跟蹤方法，或是跟蹤環(huán)路階數(shù)高，運算量 大，或是受IMU誤差影響大，需要隨時進行誤差補償，因此使得環(huán)路的設計十分復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術中存在的問題，提出一種高動態(tài)GNSS載波信號的跟蹤 方法及系統(tǒng)，其基于分數(shù)階傅里葉變換，使得接收機可以對極高動態(tài)的載波信號進行跟蹤， 解除了環(huán)路帶寬對動態(tài)跟蹤能力的限制，且減小了動態(tài)水平對檢測的影響，簡化了跟蹤環(huán) 路設計。
[0010] 為解決上述技術問題，本發(fā)明是通過如下技術方案實現(xiàn)的：
[0011] 本發(fā)明提供一種高動態(tài)GNSS載波信號的跟蹤方法，其包括以下步驟：
[0012] S11 :初始解調(diào)與預檢測積分：使用第一載波壓控震蕩器產(chǎn)生一個穩(wěn)定的本地載 波fu，用于對接擴后的載波信號X進行初始解調(diào)；然后，使用預檢測積分器對初始解調(diào)后的 載波信號分段進行相關積分，產(chǎn)生由N個離散點組成的信號0 (k)，k= 1，2, 3,. . .，N;
[0013]S12:對信號0(k)，消除導航電文翻轉(zhuǎn)并計算其分數(shù)階傅里葉變換，根據(jù)其變換結(jié) 果，進行二維的峰值搜索；然后，使用高動態(tài)鑒頻與加速度估計器估計當前載波信號的多普 勒頻率fd以及衛(wèi)星視線方向的加速度a;
[0014]S13:二次解調(diào)：根據(jù)當前載波信號的多普勒頻率與頻率變化率，使用第二載波 壓控震蕩器產(chǎn)生一個高更新頻率的本地載波L，用于對初始解調(diào)后的載波信號進行二次 解調(diào)，從而完全剝離載波多普勒；其中，所述頻率變化率為多普勒變化系數(shù)與加速度a的乘 積；
[0015]S14:載波相位檢測與導航電文提?。菏褂描b相器檢測二次解調(diào)后的載波信號的 相位殘差，根據(jù)所述相位殘差得到載波相位，并根據(jù)導航電文翻轉(zhuǎn)提取導航電文；
[0016]S15:環(huán)路更新與重解調(diào)：保持本地載波fu，得到新的離散信號0(k)，k= 2, 3, 4,...，N+1，使得環(huán)路更新并保持對信號的跟蹤；當多普勒頻率超過當前跟蹤范圍時， 對本地載波fu進行更新，使用更新后的本地載波fu對接擴后的載波信號X進行重解調(diào)并 繼續(xù)跟蹤信號。
[0017] 較佳地，所述步驟S12具體包括以下步驟：
[0018]S121:計算信號0(k)的平方得到02(k)，使得導航電文翻轉(zhuǎn)消除；
[0019]S122:對02 (k)進行分數(shù)階傅里葉變換；
[0020]S123:對分數(shù)階傅里葉變換結(jié)果進行鄰域搜索，找到峰值對應的二維坐標（u，p);
[0021] S124 :使用高動態(tài)鑒頻與加速度估計器估計當前載波信號的多普勒頻率^以及衛(wèi) 星視線方向的加速度a。
[0022] 較佳地，所述步驟S123中的鄰域搜索范圍在跟蹤過程中縮小并動態(tài)調(diào)整。
[0023] 較佳地，所述步驟S123中的鄰域搜索范圍的縮小并動態(tài)調(diào)整的方法為：
[0024]S1231:若所述第二載波壓控震蕩器更新的頻率為Ts，則假設在Tsft衛(wèi)星視線方向 加速度a不變，峰值的二維坐標（u，p)中的u不變；
[0025]S1232:將a和u代入加速度估算器與高動態(tài)鑒頻器的反函數(shù)公式中，計算得到Ts 內(nèi)峰值在上一時刻鄰域搜索范圍中的最大可移動角度；
[0026]S1233:根據(jù)峰值的最大可移動角度，以上一時刻峰值所在位置為中心，構(gòu)建當前 時刻峰值的鄰域搜索范圍。
[0027] 較佳地，所述步驟S14具體包括以下步驟；
[0028]S141:使用監(jiān)相器檢測二次解調(diào)后的信號的相位殘差；
[0029]S142:計算當前載波相位，其為：上一時刻的載波相位+相位變化量+相位殘差， 即
其中，h為與載波頻率相關的多普勒系 數(shù)；
[0030] S143:導航電文翻轉(zhuǎn)，使相位殘差發(fā)生0- 31的跳轉(zhuǎn)，根據(jù)此可以檢測到導航電文 的翻轉(zhuǎn)位置，從而提取導航電文。
[0031] 本發(fā)明還提供一種高動態(tài)GNSS載波信號的跟蹤系統(tǒng)，其包括：第一載波壓控震蕩 器、預檢測積分器、分數(shù)階傅里葉變換器、加速度估計器、高動態(tài)監(jiān)頻器、第二載波壓控震蕩 器、監(jiān)相器以及跟蹤濾波器，其中：
[0032] 所述第一載波壓控震蕩器用于產(chǎn)生一個穩(wěn)定的本地載波fu，對接擴后的載波信號 X進行初始解調(diào)；
[0033] 所述預檢測積分器用于對初始解調(diào)后的載波信號分段進行相關積分；
[0034] 所述分數(shù)階傅里葉變換器用于對積分后的載波信號進行分數(shù)階傅里葉變換；
[0035] 所述加速度估計器用于根據(jù)分數(shù)階傅里葉變換結(jié)果估算當前載波信號在衛(wèi)星視 線方向的加速度a，并傳輸給所述跟蹤濾波器；
[0036] 所述高動態(tài)監(jiān)頻器用于根據(jù)分數(shù)階傅里葉變換結(jié)果估算當前載波信號的多普勒 頻率fd，并傳輸給所述跟蹤濾波器；
[0037] 所述第二載波壓控震蕩器用于產(chǎn)生一個高更新頻率的本地載波f；2,對初始解調(diào)后 的載波信號進行二次解調(diào)，從而完全剝離載波多普勒；
[0038] 所述監(jiān)相器用于檢測二次解調(diào)后的載波信號的相位殘差，根據(jù)所述相位殘差得到 載波相位，并根據(jù)導航電文翻轉(zhuǎn)提取導航電文；
[0039] 所述跟蹤濾波器用于根據(jù)當前載波信號的多普勒頻率與頻率變化率，控制所述第 二載波壓控震蕩器產(chǎn)生一個高更新頻率的本地載波fu，且用于當多普勒頻率超過當前跟蹤 范圍時，控制第一載波壓控震蕩器對本地載波fu進行更新，使用更新后的本地載波fu對 接擴后的信號X進行重解調(diào)。
[0040] 較佳地，所述分數(shù)階傅里葉變換器包括：平方單元、分數(shù)階傅里葉變換單元以及鄰 域搜索單元，其中：
[0041] 所述平方單元用于對計算信號0(k)的平方02(k);
[0042] 所述分數(shù)階傅里葉變換單元用于對o2 (k)進行分數(shù)階傅里葉變換；
[0043] 所述鄰域搜索單元用于對分數(shù)階傅里葉變換結(jié)果進行鄰域搜索，找到峰值對應的 二維坐標（u，p)。
[0044] 較佳地，所述鄰域搜索單元包括：鄰域搜索范圍調(diào)整單元，其用于對鄰域搜索范圍 進行動態(tài)調(diào)整，且鄰域搜索范圍為動態(tài)縮小的。
[0045] 較佳地，所述鄰域搜索范圍調(diào)整單元包括：最大可移動角度計算單元以及鄰域搜 索范圍確定單元，其中：
[0046] 所述最大可移動角度計算單元用于根據(jù)衛(wèi)星視線方向的加速度a和上一次峰值 對應的二維坐標（u，P)中的u計算得到！^內(nèi)峰值在分數(shù)階傅里葉變換域中的最大可移動 角度；
[0047] 所述搜索范圍確定單元用于根據(jù)所述峰值的最大可移動角度，并以上一時刻峰值 所在位置為中心，確定當前