Gnss接收機(jī)極弱信號的跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明提出的一種GNSS接收機(jī)極弱信號的跟蹤方法，旨在提供一種信號極弱情況下的GNSS接收機(jī)快速精確跟蹤方法。本發(fā)明通過下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：首先，GNSS數(shù)字中頻信號與載波環(huán)所復(fù)制的載波信號進(jìn)行混頻相乘；I支路與Q支路的混頻結(jié)果分別與碼環(huán)所復(fù)制的超前、即時和滯后C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，并將輸出的六路相關(guān)結(jié)果分別送入六路積分-清除器；再將六路積分-清除器輸出的六路相干積分值送入容積卡爾曼濾波器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的估計(jì)；最后，將相應(yīng)的估計(jì)值分別送入碼環(huán)濾波器和載波環(huán)濾波器進(jìn)行濾波，經(jīng)濾波后，分別反饋至載波數(shù)控振蕩器和C/A碼數(shù)控振蕩器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)載波相位和載波頻率、碼相位和碼頻率的實(shí)時調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)GNSS信號的快速精確跟蹤。
【專利說明】GNSS接收機(jī)極弱信號的跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種GNSS接收機(jī)極弱信號的跟蹤方法，該方法主要用于室內(nèi)、隧道以及靜止軌道和HEO衛(wèi)星等所接收的導(dǎo)航信號較弱的環(huán)境下，GNSS接收機(jī)的實(shí)時、精確快速跟蹤。
【背景技術(shù)】
[0002]全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS已經(jīng)在全世界范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，但是當(dāng)GNSS接收機(jī)工作在室內(nèi)，密集城區(qū)等各種信號條件惡劣的復(fù)雜信道環(huán)境中時，GNSS信號功率會受到嚴(yán)重衰減，信號幅度和相位也會受到多徑衰落的影響變化劇烈，接收信噪比將會嚴(yán)重惡化，普通的GNSS接收機(jī)將難以正確的捕獲和跟蹤導(dǎo)航衛(wèi)星信號。由于直接序列擴(kuò)頻信號具有高隱蔽性和抗截獲、干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，載噪比C/N0低于35dB/Hz微弱信號十分常見。GNSS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)是通過對接收到的衛(wèi)星信號進(jìn)行一系列的信號處理，進(jìn)而提取出相應(yīng)的導(dǎo)航參數(shù)。其信號處理過程一般包括以下幾個階段，即捕獲、跟蹤、位同步以及幀同步。在信號跟蹤階段，信號通道從捕獲階段獲得的對當(dāng)前衛(wèi)星信號載波頻率和碼相位的粗略估計(jì)值出發(fā)，通過跟蹤環(huán)路逐步精細(xì)對兩個信號參量的估計(jì)，同時輸出對信號各種GNSS測量值。
[0003]GNSS跟蹤環(huán)路包括兩個基本環(huán)路，即碼環(huán)與載波環(huán)。傳統(tǒng)的載波環(huán)路采用標(biāo)準(zhǔn)延遲鎖定環(huán)路(DLL)和鎖相環(huán)(PLL)來實(shí)現(xiàn)，雖然其魯棒性較好，但是其中的鑒別器存在非線性因素，以及信號相位的動態(tài)變化，使得鎖定環(huán)路在信號極弱的情況下(即載噪比較低)，極容易出現(xiàn)接收機(jī)的信號失鎖。標(biāo)準(zhǔn)DDL與PLL跟蹤環(huán)路在載噪比較低的情況下容易出現(xiàn)失鎖甚至無法有效鎖定的問題。為此一些學(xué)者提出了采用擴(kuò)展卡爾曼濾波來實(shí)現(xiàn)弱信號的跟蹤，但是該方法存在兩方面的不足，其一，擴(kuò)展卡爾曼濾波算法的線性化模型不準(zhǔn)確，算法模型中系數(shù)計(jì)算復(fù)雜，參數(shù)估計(jì)累積誤差大，且需計(jì)算較為復(fù)雜的雅克比矩陣；其二，通過對非線性系統(tǒng)的線性化來實(shí)現(xiàn)狀態(tài)估計(jì)，因此其估計(jì)精度較低，甚至?xí)霈F(xiàn)發(fā)散。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足之處，提供一種跟蹤能力強(qiáng)，跟蹤精度高，無需計(jì)算雅克比矩陣，在信號極弱的情況下，能夠?qū)崟r跟蹤極弱信號小的快速精度跟蹤方法，以解決傳統(tǒng)(標(biāo)準(zhǔn)DDL與PLL)跟蹤環(huán)路在載噪比較低的情況下容易出現(xiàn)失鎖甚至無法有效鎖定的問題。
[0005]本發(fā)明解決現(xiàn)有技術(shù)問題所采用的方案是:一種GNSS接收機(jī)極弱信號跟蹤方法，其特征在于包括如下步驟:在GNSS接收機(jī)跟蹤電路中，首先，將通過混頻器的GNSS數(shù)字中頻信號sIF (η)，在I支路上與正弦復(fù)制載波相乘，在Q支路上與余弦復(fù)制載波相乘；然后將I支路與Q支路的混頻相乘結(jié)果分別與碼環(huán)所復(fù)制的超前、即時和滯后C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，將相關(guān)運(yùn)算輸出的多路相關(guān)結(jié)果分別送入多路積分-清除器進(jìn)行相干積分；再將多路積分-清除器輸出的多路相干積分值送入容積卡爾曼濾波器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的估計(jì)；最后，將相應(yīng)的估計(jì)值分別送入碼環(huán)濾波器和載波環(huán)濾波器進(jìn)行濾波，經(jīng)濾波后，分別反饋至載波數(shù)控振蕩器和C/A碼數(shù)控振蕩器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)載波相位和載波頻率、碼相位和碼頻率的實(shí)時調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)GNSS信號的跟蹤。
[0006]本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果:
[0007](I)跟蹤能力強(qiáng)。本發(fā)明將六路相干積分值送入容積卡爾曼濾波器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的估計(jì)，估計(jì)結(jié)果分別經(jīng)過碼環(huán)濾波器和載波環(huán)濾波器進(jìn)行濾波，濾波后，分別作為C/A碼數(shù)控振蕩器與載波數(shù)控振蕩器的輸入，實(shí)現(xiàn)載波頻率與相位、碼頻率與相位的快速精確跟蹤。相比于傳統(tǒng)的跟蹤環(huán)路，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)極弱信號小的實(shí)時跟蹤。
[0008](2)跟蹤精度高。本發(fā)明碼環(huán)通過其內(nèi)部的碼發(fā)生器復(fù)制一個與接收信號中的C/A碼相一致的C/A碼序列，然后兩者做相關(guān)運(yùn)算，已實(shí)現(xiàn)剝離GNSS接收信號中的C/A碼，同時也提高了原本淹沒在噪聲中的GNSS信號的信噪比。而載波環(huán)則是通過載波環(huán)路盡力地使其復(fù)制的載波信號與與接收到的衛(wèi)星載波信號保持一致，從而通過混批機(jī)制徹底地剝離衛(wèi)星信號中的載波。載波環(huán)與碼環(huán)之間通過有機(jī)結(jié)合，相互支持，共同完成對信號的跟蹤和測量。相比于基于擴(kuò)展卡爾曼濾波的跟蹤環(huán)路，其跟蹤精度較高，且無需計(jì)算雅克比矩陣。提出的基于容積卡爾曼濾波的GNSS弱信號跟蹤方法，相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明容積卡爾曼濾波不僅不需要計(jì)算雅克比矩陣，而且其濾波精度較高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0010]圖1為本發(fā)明基于容積卡爾曼濾波器的GNSS接收機(jī)跟蹤原理框圖。
[0011]圖2為圖1中容積卡爾曼濾波器工作原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]參閱圖1。本發(fā)明的跟蹤環(huán)路如圖1所示，其中的容積卡爾曼濾波器通過圖2所示的工作流程來實(shí)現(xiàn)。首先，將通過混頻器的GNSS數(shù)字中頻信號與載波環(huán)所復(fù)制的載波信號進(jìn)行混頻相乘，其中sIF (η)在I支路上與正弦復(fù)制載波相乘，在Q支路上與余弦復(fù)制載波相乘；然后將I支路與Q支路的混頻相乘結(jié)果分別與碼環(huán)所復(fù)制的超前、即時和滯后C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，將相關(guān)運(yùn)算輸出的多路相關(guān)結(jié)果分別送入多路積分-清除器進(jìn)行相干積分值；再將多路相干積分值送入容積卡爾曼濾波器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的估計(jì)；最后，將相應(yīng)的估計(jì)值分別送入碼環(huán)濾波器和載波環(huán)濾波器進(jìn)行濾波，經(jīng)濾波后，分別反饋至載波數(shù)控振蕩器和C/A碼數(shù)控振蕩器，實(shí)現(xiàn)載波相位和載波頻率、碼相位和碼頻率的實(shí)時調(diào)節(jié)，跟蹤GNSS信號。本實(shí)施例所述的多路可以是六路，六路積分-清除器是本發(fā)明的最佳實(shí)施例。
[0013](I) GNSS數(shù)字中頻信號sIF (η)分別與兩路相位差異90°的載波環(huán)復(fù)制載波信號進(jìn)行混頻處理，其中GNSS數(shù)字中頻信號SlF(η)表示為如下所示:
[0014]y (tn) = A (tn) C (tn- τ (tn)) D (tn_ τ (tn)) sin (wIFtn_ Φ (tn)) +Vn
[0015]式中:tn表示離散采樣時刻；y(tn)表示數(shù)字中頻信號sIF(n) ；A(tn)表示載波的幅值；C(tn)表示衛(wèi)星所播發(fā)的C/A碼，D (tn)表示衛(wèi)星所發(fā)送的數(shù)據(jù)碼，且兩者的電平值只可能是±1 ; τ (tn)表示信號的傳播時延；wIF表示數(shù)字中頻角頻率；Φ (tn)表示信號的載波相位；Vn表不均值為零的聞斯白噪聲序列。[0016](2)1支路與Q支路的混頻結(jié)果分別與碼環(huán)所復(fù)制的超前、即時和滯后C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，即:
[0017]
【權(quán)利要求】
1.一種GNSS接收機(jī)極弱信號跟蹤方法，其特征在于包括如下步驟:在GNSS接收機(jī)跟蹤電路中，首先，將通過混頻器的GNSS數(shù)字中頻信號sIF (η)，在I支路上與正弦復(fù)制載波相乘，在Q支路上與余弦復(fù)制載波相乘；然后將I支路與Q支路的混頻相乘結(jié)果分別與碼環(huán)所復(fù)制的超前、即時和滯后C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算，將相關(guān)運(yùn)算輸出的多路相關(guān)結(jié)果分別送入多路積分-清除器進(jìn)行相干積分；再將多路積分-清除器輸出的多路相干積分值送入容積卡爾曼濾波器進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的估計(jì)；最后，將相應(yīng)的估計(jì)值分別送入碼環(huán)濾波器和載波環(huán)濾波器進(jìn)行濾波，經(jīng)濾波后，分別反饋至載波數(shù)控振蕩器和C/A碼數(shù)控振蕩器，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)載波相位和載波頻率、碼相位和碼頻率的實(shí)時調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)GNSS信號的跟蹤。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GNSS接收機(jī)極弱信號跟蹤方法，其特征在于:GNSS數(shù)字中頻信號sIF(η)分別與兩路相位差異90°的載波環(huán)復(fù)制載波信號進(jìn)行混頻處理，其中GNSS數(shù)字中頻信號sIF(η)表示為:
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的GNSS接收機(jī)極弱信號跟蹤方法，其特征在于，輸出多路相關(guān)結(jié)果，按下述步驟完成: ①將I支路與Q支路的混頻相乘結(jié)果分別與碼環(huán)所復(fù)制的超前、即時和滯后C/A碼進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算:
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的GNSS接收機(jī)極弱信號跟蹤方法，其特征在于，多路相干積分值送入容積卡爾曼濾波器，完成相關(guān)參數(shù)的估計(jì)，其中包括:容積卡爾曼濾波器系統(tǒng)狀態(tài)方程xm+1 = fm(xm，wm)與量測方程的建立；式中xm=[xφm xwm xam Am tsm]T，為系統(tǒng)的狀態(tài)向量，m表示積分間隔開始時刻，這里選擇積分時間為20ms， ^表示m時刻真實(shí)載波相位與接收機(jī)載波NCO復(fù)制的載波相位之差；表示m時刻真實(shí)載波多普勒漂移；\表示m時刻載波多普勒漂移變化率;Am表示m時刻載波幅值；r表示m時刻碼相位；xm+1表示m+Ι時刻的系統(tǒng)狀態(tài)向量；fm表示非線性狀態(tài)轉(zhuǎn)移函數(shù)；wm表示系統(tǒng)噪聲向量。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GNSS接收機(jī)極弱信號跟蹤方法，其特征在于，狀態(tài)方程的具體表達(dá)式為:
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的GNSS接收機(jī)極弱信號跟蹤方法，其特征在于，取20ms即時相干積分值、20ms超前減滯后相干積分值作為量測量，建立量測方程:
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的GNSS接收機(jī)極弱信號跟蹤方法，其特征在于，量測方程中各項(xiàng)的具體表達(dá)式為:
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的弱信號GNSS接收機(jī)跟蹤方法，其特征在于，根據(jù)上述系統(tǒng)方程和量測方程建立的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)相應(yīng)的容積卡爾曼濾波器，其中包括時間更新與量測更新兩個基本迭代過程。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的弱信號GNSS接收機(jī)跟蹤方法，其特征在于，多路相關(guān)結(jié)果的估計(jì)結(jié)果經(jīng)分別經(jīng)過碼環(huán)濾波器和載波環(huán)濾波器進(jìn)行濾波，濾波后，分別作為C/A碼數(shù)控振蕩器與載波環(huán)數(shù)控振蕩器的輸入，實(shí)現(xiàn)載波頻率與相位、碼相位與頻率的快速精確跟蹤。
【文檔編號】G01S19/30GK103926603SQ201410104010
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】楊峻巍 申請人:中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所