本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星接收機(jī)矢量跟蹤環(huán)路
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種基于聯(lián)邦濾波的矢量跟蹤方法。
背景技術(shù)：
：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GPS)是由美國(guó)國(guó)防部開發(fā)的天基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)，具有全天候、高精度、全天時(shí)的特點(diǎn)。全世界的用戶只需要使用接收機(jī)接收至少4顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)就可以實(shí)時(shí)的獲得自身的精確的位置、速度和時(shí)間信息。目前GPS已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于武器制導(dǎo)、車輛導(dǎo)航、大地測(cè)量等等，甚至還被應(yīng)用于地震預(yù)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)等等。目前國(guó)內(nèi)外主要使用的成熟技術(shù)都是基于鎖相環(huán)技術(shù)的標(biāo)量跟蹤環(huán)路，但是對(duì)于高動(dòng)態(tài)和弱信號(hào)環(huán)境效果不佳。標(biāo)量跟蹤環(huán)路在弱信號(hào)環(huán)境下不能穩(wěn)定的跟蹤信號(hào)；而采用基于卡爾曼濾波的矢量跟蹤算法直接計(jì)算跟蹤環(huán)路參數(shù)，具有更好的高動(dòng)態(tài)性能和弱信號(hào)下的導(dǎo)航能力。但是矢量跟蹤也有致命的缺點(diǎn)，就是通道之間相互影響，一個(gè)通道的誤差異常會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)誤差變大甚至無法工作。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種提高GPS信號(hào)跟蹤性能同時(shí)具有瞬時(shí)橋接信號(hào)能力的基于聯(lián)邦濾波的矢量跟蹤方法。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于聯(lián)邦濾波的矢量跟蹤方法，包括以下步驟：步驟1，利用接收機(jī)的位置、速度、鐘差、鐘漂和衛(wèi)星星歷計(jì)算載波NCO和碼NCO參數(shù)；步驟2，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的載波鑒頻器的輸出和碼環(huán)鑒別器輸出作為相應(yīng)通道的子濾波器的量測(cè)信息，用以估計(jì)接收機(jī)的對(duì)應(yīng)通道的偽距誤差和偽距率誤差，然后子濾波器的狀態(tài)量輸入導(dǎo)航主濾波器作為主濾波器的量測(cè)信息；步驟3，導(dǎo)航主濾波器接收機(jī)子濾波器的狀態(tài)量作為量測(cè)信息，用來對(duì)接收機(jī)的位置、速度、鐘差和鐘漂誤差進(jìn)行估計(jì)，然后用估計(jì)出的誤差信息更新接收機(jī)位置、速度、鐘差和鐘漂。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：(1)在導(dǎo)航主濾波器前設(shè)計(jì)了一層聯(lián)邦子濾波器，取消了傳統(tǒng)的獨(dú)立、并行的標(biāo)量跟蹤模式，充分利用了各衛(wèi)星通道間的共享信息；(2)可以同時(shí)跟蹤所有可視衛(wèi)星，同時(shí)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，通過子濾波器的運(yùn)行狀態(tài)判斷通道運(yùn)行情況同時(shí)利用子濾波器進(jìn)行故障隔離，提高系統(tǒng)的魯棒性；(3)具有良好的導(dǎo)航精度、出色的跟蹤性能和瞬時(shí)橋接被遮擋信號(hào)的能力。附圖說明圖1是本發(fā)明基于聯(lián)邦濾波的矢量跟蹤方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明基于聯(lián)邦濾波的矢量跟蹤方法，具體實(shí)現(xiàn)如下：在不考慮噪聲的情況下，GNSS接收機(jī)射頻前端輸出的中頻信號(hào)模型為：SIF(t)=2A·D(t-τ)·C(t-τ)·cos[ωIFt+φ(t)]---(1)]]>式中，A為信號(hào)強(qiáng)度，D(t)為導(dǎo)航電文，C(t)為C/A碼，τ為傳輸過程中的時(shí)間延遲，ωIF為信號(hào)中頻，φ(t)為初始載波相位。本地振蕩器發(fā)生的兩路信號(hào)分別為：I(t)=2cos[(ωIF+Δω)t+φ0]---(2)]]>Q(t)=2sin[(ωIF+Δω)t+φ0]---(3)]]>式中，(ωIF+Δω)為本地振蕩器產(chǎn)生的載波頻率，Δω為本地載波頻率和輸入的中頻信號(hào)頻率的差，φ0為本地信號(hào)產(chǎn)生初始載波相位。輸入的中頻信號(hào)與本地振蕩器發(fā)生的同相、正交信號(hào)相乘，濾除高頻成分后，兩支路的輸出為：SI(t)=A·D(t-τ)·C(t-τ)·cos[φ(t)-Δωt-φ0]---(4)]]>SQ(t)=A·D(t-τ)·C(t-τ)·sin[φ(t)-Δωt-φ0]---(5)]]>兩個(gè)支路的輸出信號(hào)分別與本地偽碼發(fā)生器生成的即時(shí)碼(P)、超前碼(E)和滯后碼(L)相關(guān)，并在預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間內(nèi)累加求和。假設(shè)積分間隔內(nèi)，載波頻率差和相位差都近似不變，則取均值后的相關(guān)器輸出為：IP=2A2·D·R(δτ)·sin(πTδf)πTδf·cos(πTδf+δφ)---(6)]]>QP=2A2·D·R(δτ)·sin(πTδf)πTδf·sin(πTδf+δφ)---(7)]]>IE=2A2·D·R(δτ-δ)·sin(πTδf)πTδf·cos(πTδf+δφ)---(8)]]>QE=2A2·D·R(δτ-δ)·sin(πTδf)πTδf·sin(πTδf+δφ)---(9)]]>IL=2A2·D·R(δτ+δ)·sin(πTδf)πTδf·cos(πTδf+δφ)---(10)]]>QL=2A2·D·R(δτ+δ)·sin(πTδf)πTδf·sin(πTδf+δφ)---(11)]]>式中，δ為本地C/A碼超前滯后的間隔，T為預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間，δτ為偽碼相位誤差，δf和分別為積分間隔起始時(shí)刻本地參考信號(hào)與輸入信號(hào)之間的載波頻率差和載波相位差，R(τ)為C/A碼的相關(guān)函數(shù)。步驟1，利用接收機(jī)的位置、速度、鐘差、鐘漂和衛(wèi)星星歷計(jì)算載波NCO和碼NCO參數(shù)；所述的載波NCO和碼NCO參數(shù)計(jì)算公式，具體如下：hk(n)=hx(n)hy(n)hz(n)T---(12)]]>hx(n)=x(n)-x^r^(n),hy(n)=y(n)-y^r^(n),hz(n)=z(n)-z^r^(n)---(13)]]>r^(n)=(x(n)-x^)2+(y(n)-y^)2+(z(n)-z^)2---(14)]]>τ^k(n)=τk-1(n)+(ΔXk,k-1(n)-TVk-1)Thk(n)+tb,k-1c---(15)]]>f^code,k(n)=[1+td,k-1+(Vk-1(n)-Vk-1)Thk(n)]fcode/c---(16)]]>f^carrier,k(n)=[1+td,k-1+(Vk-1(n)-Vk-1)Thk(n)]fcarrier/c---(17)]]>式中，Vk-1分別為k-1時(shí)刻解算得到的修正之后的接收機(jī)的速度，x(n)、y(n)、z(n)為衛(wèi)星號(hào)為n的GPS衛(wèi)星的位置，為修正后的接收機(jī)在地心地固坐標(biāo)系下的位置，為衛(wèi)星n與接收機(jī)之間的視線矢量，為k-1時(shí)刻通過星歷解算出來的衛(wèi)星n的速度；為k時(shí)刻的衛(wèi)星位置；是指k時(shí)刻的衛(wèi)星位置和k-1時(shí)刻衛(wèi)星n的位置的差值；分別為k時(shí)刻的碼相位、碼頻率和載波頻率預(yù)測(cè)值；為k-1時(shí)刻的碼相位解算值；c為真空中光速；tb,k-1為k-1時(shí)刻的鐘差，td,k-1為k-1時(shí)刻的鐘漂；fcode為C/A碼的基準(zhǔn)頻率，為1.023MHz；fcarrier為載波L1的頻率，為1575.42MHz，T為濾波周期1ms。步驟2，每個(gè)通道對(duì)應(yīng)的載波鑒頻器的輸出和碼環(huán)鑒別器輸出作為相應(yīng)通道的子濾波器的量測(cè)信息，用以估計(jì)接收機(jī)的對(duì)應(yīng)通道的偽距誤差和偽距率誤差，然后子濾波器的狀態(tài)量輸入導(dǎo)航主濾波器作為主濾波器的量測(cè)信息，具體如下：(2.1)載波鑒頻器輸出頻率誤差zcarrier，計(jì)算公式如下：zcarrier=cross×sign(dot)2π(t2-t1)(IP22+QP22)---(18)]]>式中，和分別為I通道和Q通道即時(shí)支路t1時(shí)刻的采樣值，和分別為I通道和Q通道即時(shí)支路緊接著t1時(shí)刻之后的t2時(shí)刻的采樣值，t1為k-1時(shí)刻的時(shí)間，t2為k時(shí)刻的時(shí)間，sign(x)為符號(hào)函數(shù)，取值如下：sign(x)=+1x≥0-1x<0]]>(2.2)碼環(huán)鑒別器：碼鑒別器選取歸一化的非相干超前減滯后模型，得到碼相位測(cè)量值z(mì)code：zcode=12·IE2+QE2-IL2+QL2IE2+QE2+IL2+QL2---(19)]]>式中，IE和QE分別為I通道和Q通道超前支路采樣值，IL和QL分別為I通道和Q通道滯后支路采樣值；(2.3)子濾波器模型的狀態(tài)方程如下：Δρk+1Δρ·k+1=0T01·ΔρkΔρ·k+vρvρ·---(20)]]>式中，Δρk+1、分別為k+1時(shí)刻偽距、偽距率誤差，T是濾波周期為1ms，Δρk、為k時(shí)刻偽距、偽距率誤差，vρ、分別為偽距、偽距率系統(tǒng)噪聲；(2.4)子濾波器模型的量測(cè)方程如下：zcodenzcarriern=1001·ΔρkΔρ·k+ωρωρ·---(21)]]>式中，分別為通道n的偽距、偽距率量測(cè)值，Δρk、分別為k時(shí)刻偽距、偽距率誤差，ωρ、分別為偽距、偽距率量測(cè)噪聲。步驟3，導(dǎo)航主濾波器接收機(jī)子濾波器的狀態(tài)量作為量測(cè)信息，用來對(duì)接收機(jī)的位置、速度、鐘差和鐘漂誤差進(jìn)行估計(jì)，然后用估計(jì)出的誤差信息更新接收機(jī)位置、速度、鐘差和鐘漂。(3.1)導(dǎo)航濾波器模型的狀態(tài)方程：δxkδvx,kδykδvy,kδzkδvz,kc·tb,kc·td,k=1To00000001000000001To00000001000000001To00000001000000001To00000000·δxk-1δvx,k-1δyk-1δvy,k-1δzk-1δvz,k-1c·tb,k-1c·td,k-1+ωxωvxωyωvyωzωvzωbωd---(22)]]>式中，tb,k和tb,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻的接收機(jī)鐘差，td,k和td,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻的接收機(jī)鐘漂；δxk、δxk-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻x軸方向位置誤差；δvx,k、δvx,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻x軸方向速度誤差；δyk、δyk-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻y軸方向位置誤差；δvy,k、δvy,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻y軸方向速度誤差；δzk、δzk-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻z軸方向位置誤差；δvz,k、δvz,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻z軸方向速度誤差；To為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻之間間隔時(shí)間；ωx、ωy、ωz分別為位置隨機(jī)噪聲在x、y、z軸的分量，ωvx、ωvy、ωvz分別為速度隨機(jī)噪聲在x、y、z軸的分量，ωb為接收機(jī)鐘差的隨機(jī)噪聲、ωd為接收機(jī)鐘漂的隨機(jī)噪聲。(3.2)導(dǎo)航濾波器模型的觀測(cè)方程為：觀測(cè)量選取各通道的碼相位測(cè)量值和載波頻率測(cè)量值，觀測(cè)量與狀態(tài)量之間的關(guān)系如下：Δρn＝hxδx+hyδy+hzδz+c·tb+wρ(23)Δρ·n=hxδvx+hyδvy+hzδvz+c·td+wρ·---(24)]]>式中，Δρn、分別為通道n的偽距誤差、偽距率誤差，hx、hy、hz分別為視線矢量在x、y、z軸的分量；tb為鐘差；δx為x方向位置誤差，δy為y方向位置誤差，δz為z方向位置誤差，δvx為x方向速度誤差，δvy為y方向速度誤差，δvz為z方向的速度誤差，td為鐘漂，wρ和分別為偽距誤差和偽距率誤差量測(cè)噪聲；(3.3)用估計(jì)出的誤差信息對(duì)接收機(jī)位置、速度、鐘差和鐘漂進(jìn)行修正，公式如下：Xk=X^k+δXk---(25)]]>Vk=V^k+δVk---(26)]]>式中，Xk為修正之后的GNSS接收機(jī)位置、為修正之前的帶誤差的GNSS位置、δXk為導(dǎo)航主濾波器估計(jì)的GNSS接收機(jī)位置誤差；Vk為修正之后的GNSS接收機(jī)速度、為修正之前的帶誤差的GNSS速度、δVk為導(dǎo)航主濾波器估計(jì)的GNSS接收機(jī)速度誤差。綜上所述，本發(fā)明方法具有良好的導(dǎo)航精度、出色的跟蹤性能和瞬時(shí)橋接被遮擋信號(hào)的能力。同時(shí)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)能力，可以通過子濾波器的運(yùn)行狀態(tài)判斷子濾波器是否存在問題，從而判斷對(duì)應(yīng)的通道是否存在問題，以此為依據(jù)來決定是否將這個(gè)子濾波器的狀態(tài)量輸入導(dǎo)航主濾波器作為主濾波器的量測(cè)信息。這一種架構(gòu)可以進(jìn)行有效的故障隔離，將故障限定在子濾波器，使個(gè)別的通道的故障和異常不會(huì)影響到導(dǎo)航主濾波器的工作，在沒有明顯增加計(jì)算量的基礎(chǔ)上提高了系統(tǒng)的魯棒性。當(dāng)前第1頁1 2 3