專利名稱：一種基于自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路及其濾波方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于GPS基帶信號處理技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路及其濾波方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著航空、航天技術(shù)的迅猛發(fā)展以及其在軍事上的廣泛應(yīng)用，高動態(tài)環(huán)境下GPS系統(tǒng)的應(yīng)用日益受到人們的關(guān)注。迄今為止，國外不斷將高動態(tài)GPS的相關(guān)產(chǎn)品投入到實際的戰(zhàn)爭應(yīng)用中。如戰(zhàn)斧巡航導彈和斯拉姆導彈等都采用了高動態(tài)GPS接收機進行制導，其優(yōu)越的可靠性和高精度性使美國在海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中獲得了巨大的軍事效應(yīng)。目前，GPS系統(tǒng)的高動態(tài)應(yīng)用領(lǐng)域仍然在不斷拓展，美國的大部分軍用飛機都將裝備高動態(tài)GPS接收機，一些主要的精確制導彈藥都將通過GPS制導來瞄準。因此，高動態(tài)環(huán)境下衛(wèi)星定位導航系統(tǒng)的合理有效利用對于現(xiàn)代戰(zhàn)爭的成敗將會起到關(guān)鍵性的作用。而在高動態(tài)環(huán)境下，由于載體的高速運動使接收信號載波多普勒頻移隨時間變化的非?？?。此時，若采用普通的GPS接收機，載波跟蹤環(huán)路帶寬要能大到足夠容忍這種動態(tài)引起的載波頻率和相位的正常波動，以保證環(huán)路對信號的持續(xù)跟蹤。然而，環(huán)路帶寬越寬， 越多頻率成分的噪聲被允許進入環(huán)路，則環(huán)路的噪聲性能越差，信號跟蹤就越不準確，因此傳統(tǒng)的鎖相環(huán)是不能直接運用到高動態(tài)接收機上的。為了解決上述問題，近年來，一些研究者提出了使用卡爾曼濾波器或者擴展卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路，在系統(tǒng)模型建立準確和噪聲統(tǒng)計特性已知的前提下，經(jīng)過濾波器的遞推可以獲得較為精確的載波相位估計值， 從而提高跟蹤精度。然而在載體運動條件比較復(fù)雜的環(huán)境下，有可能不能準確的獲得必要的先驗信息而致使濾波器發(fā)散，從而導致跟蹤環(huán)路失鎖。二階卡爾曼濾波器最先是由Friedland提出解決線性系統(tǒng)的狀態(tài)模型存在常量偏差時的估計方法，是一種并行算法，可以有效降低濾波器的計算量和增加濾波器的數(shù)值穩(wěn)定性。最近有研究者將其推廣到系統(tǒng)狀態(tài)方程偏差項為隨機量時的狀態(tài)估計問題。但是當系統(tǒng)模型和偏差模型的噪聲統(tǒng)計特性不準確時，往往會導致二階卡爾曼濾波器發(fā)散。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的高動態(tài)環(huán)境下GPS載波跟蹤環(huán)存在的問題，提出一種基于自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路及其濾波方法。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)卡爾曼濾波器在先驗信息不準確時使濾波器發(fā)散，從而導致跟蹤環(huán)路失鎖的缺點。本發(fā)明提出一種基于自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路，包括本地載波發(fā)生器、積分清除器、載波環(huán)鑒相器、環(huán)路濾波器和自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器。數(shù)字中頻信號分別與本地載波發(fā)生器復(fù)現(xiàn)的載波及90°相移后的載波相乘后，再分別通過積分清除器提高載噪比，然后分別將每個積分清除器的相干積分結(jié)果均輸出至載波環(huán)鑒相器，利用積分清除器輸出的相干積分結(jié)果估算當前跟蹤環(huán)路的載波相位差異，再將載波環(huán)鑒相器的輸出載波相位差異作為自適二階卡爾曼濾波器的觀測值，經(jīng)附帶偏差的載波相位動態(tài)系統(tǒng)模型的自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器遞推出相位差異的估計值，相位差異的估計值輸出至環(huán)路濾波器，經(jīng)環(huán)路濾波器輸出的控制信號使本地載波發(fā)生器實時調(diào)整。本發(fā)明提出一種基于自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路的濾波方法，包括自適應(yīng)無偏差濾波和自適應(yīng)偏差濾波兩部分，具體包括以下幾個步驟步驟一定義自適應(yīng)二階卡爾曼濾波的初始狀態(tài)以及計算過程中的中間變量定義初始狀態(tài)為
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權(quán)利要求
1.一種基于自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路，其特征在于包括本地載波發(fā)生器、積分清除器、載波環(huán)鑒相器、環(huán)路濾波器和自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器；數(shù)字中頻信號分別與本地載波發(fā)生器復(fù)現(xiàn)的載波及90°相移后的載波相乘后，再分別通過積分清除器提高載噪比，然后分別將每個積分清除器的相干積分結(jié)果均輸出至載波環(huán)鑒相器，利用積分清除器輸出的相干積分結(jié)果估算當前跟蹤環(huán)路的載波相位差異，再將載波環(huán)鑒相器的輸出載波相位差異作為自適二階卡爾曼濾波器的觀測值，經(jīng)附帶偏差的載波相位動態(tài)系統(tǒng)模型的自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器遞推出相位差異的估計值，相位差異的估計值輸出至環(huán)路濾波器，經(jīng)環(huán)路濾波器輸出的控制信號使本地載波發(fā)生器實時調(diào)整。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路，其特征在于所述的環(huán)路濾波器采用二階環(huán)路濾波器，環(huán)路帶寬為7Hz 10Hz。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路，其特征在于所述的附帶偏差的載波相位動態(tài)系統(tǒng)模型的狀態(tài)方程具體為
4.一種基于自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路的濾波方法，其特征在于具體包括以下幾個步驟步驟一定義自適應(yīng)二階卡爾曼濾波的初始狀態(tài)以及計算過程中的中間變量定義初始狀態(tài)為
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路及其濾波方法，該自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器的載波跟蹤環(huán)路包括本地載波發(fā)生器、積分清除器、載波環(huán)鑒相器、環(huán)路濾波器和自適應(yīng)二階卡爾曼濾波器。本發(fā)明克服了傳統(tǒng)卡爾曼濾波器在先驗信息不準確時使濾波器發(fā)散，從而導致跟蹤環(huán)路失鎖的缺點。本發(fā)明在系統(tǒng)模型不完整或其先驗信息不準確時，通過漸消因子自適應(yīng)的調(diào)節(jié)預(yù)測誤差協(xié)方差矩陣，從而達到實時調(diào)整增益矩陣的目的，使濾波器接近最優(yōu)，可以有效的抑制濾波器的發(fā)散，且本發(fā)明中漸消因子的估算方法計算簡單，計算量小，適應(yīng)性強，提高了濾波算法的可靠性。
文檔編號G01S19/29GK102323602SQ201110141550
公開日2012年1月18日 申請日期2011年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月30日
發(fā)明者黨超, 單志明, 呂東澤, 周宇, 徐定杰, 沈鋒, 王兆龍, 蓋猛, 賀瑞, 陳陽 申請人:哈爾濱工程大學