一種gps接收機(jī)的矢量跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種GPS接收機(jī)的矢量跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 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)同時(shí)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。
[0003] 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，通道之間 相互獨(dú)立，但是在高動(dòng)態(tài)和弱信號(hào)環(huán)境下效果不佳。標(biāo)量跟蹤環(huán)路在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下環(huán)路容 易失鎖，同時(shí)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，同時(shí)具有更好 的魯棒性，具有瞬時(shí)橋接信號(hào)的能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種GPS接收機(jī)的矢量跟蹤方法，以提高GPS信號(hào)跟蹤的性 能，同時(shí)具有瞬時(shí)橋接信號(hào)的能力。
[0005] 實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種GPS接收機(jī)的矢量跟蹤方法，包括下列步 驟：
[0006] 步驟1，利用標(biāo)量跟蹤結(jié)果初始化矢量跟蹤環(huán)路，包括位置、速度、鐘差、鐘漂和衛(wèi) 星星歷；
[0007] 步驟2,利用GPS接收機(jī)的位置、速度、鐘差、鐘漂和衛(wèi)星星歷計(jì)算載波和碼NC0參 數(shù)；
[0008] 步驟3,載波鑒頻器和碼鑒別器的輸出作為導(dǎo)航濾波器的量測(cè)信息，用以估計(jì)GPS 接收機(jī)的位置、速度、鐘差和鐘漂誤差信息，用估計(jì)的信息修正GPS接收機(jī)的位置和速度，然 后用修正過的GPS接收機(jī)位置和速度結(jié)合衛(wèi)星星歷計(jì)算載波和碼NC0參數(shù)，以保持對(duì)輸入信 號(hào)的跟蹤。
[0009] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果是：（1)采用矢量跟蹤方法，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，可以同時(shí)跟蹤所有可視衛(wèi) 星；（2)搭建軟件接收機(jī)，具有低成本和高度靈活的優(yōu)勢(shì)；（3)具有良好的導(dǎo)航精度和跟蹤性 能，同時(shí)具有出色的瞬時(shí)橋接被遮擋信號(hào)的能力，而且在載噪比較低的環(huán)境中能夠維持較 好的偽碼相位和載波頻率跟蹤性能，應(yīng)用前景廣闊。
【附圖說明】
[0010] 圖1是本發(fā)明GPS接收機(jī)的矢量跟蹤方法的原理框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0011] 本發(fā)明基于矢量跟蹤的GPS接收機(jī)方法，具體實(shí)現(xiàn)如下：
[0012] 在不考慮噪聲的情況下，GPS接收機(jī)射頻前端輸出的中頻信號(hào)模型為：
[0013
[0014] 式中，A為信號(hào)強(qiáng)度，D(t-T)為導(dǎo)航電文，C(t-T)為C/A碼，τ為傳輸過程中的時(shí)間延 遲，ωΙΡ為信號(hào)中頻，φ (t)為初始載波相位。
[0015] 本地振蕩器發(fā)生的兩路信號(hào)分別為：
[0016]
[0017]
[0018] 式中，（ω IF+ Δ ω )為本地振蕩器產(chǎn)生的載波頻率，Δ ω為本地載波頻率和輸入的 中頻信號(hào)頻率的差，Φ〇為本地信號(hào)產(chǎn)生初始載波相位。
[0019] 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：
[0020]
[0021]
[0022] 式中，D(t-T)為導(dǎo)航電文，C(t-T)為C/A碼，τ為傳輸過程中的時(shí)間延遲，Δ ω為本 地載波頻率和輸入的中頻信號(hào)頻率的差，Φ (t)為載波相位，Φο為本地信號(hào)產(chǎn)生初始載波 相位。
[0023] 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(Ρ)、超前碼(Ε)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：
[0024]
[0025]
[0026]
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] 式中，D為導(dǎo)航電文，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，Sf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(t)為C/A碼的相關(guān)函數(shù)。
[0031] 結(jié)合圖1，本發(fā)明一種GPS接收機(jī)的矢量跟蹤方法，包括下列步驟：
[0032] 步驟1，利用標(biāo)量跟蹤結(jié)果初始化矢量跟蹤環(huán)路，包括位置、速度、鐘差、鐘漂和衛(wèi) 星星歷；
[0033]步驟2,利用GPS接收機(jī)的位置、速度、鐘差、鐘漂和衛(wèi)星星歷計(jì)算載波和碼NC0參 數(shù)；
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]
[0038] 式中，⑩為衛(wèi)星η與接收機(jī)之間的視線矢量，#、#分別為衛(wèi)星η與接收 機(jī)之間的視線矢量在x、y、z軸的分量，；和Pf/分別為k-Ι時(shí)刻通過星歷解算出來的衛(wèi)星η 的位置和速度；Sk時(shí)刻的衛(wèi)星η位置；是指k時(shí)刻的衛(wèi)星η位置和k-1時(shí)刻衛(wèi)星η 的位置的差值；i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-Ι時(shí)刻的碼相位解算值;c為真空中光速;td^iSk-l時(shí)刻的鐘漂;f·。。^為C/A碼的基準(zhǔn)頻 率，為1 · 023MHz; f carrier 為載波 L1 的頻率，為 1575 · 42MHz 〇
[0039] 步驟3,載波鑒頻器和碼鑒別器的輸出作為導(dǎo)航濾波器的量測(cè)信息，用以估計(jì)GPS 接收機(jī)的位置、速度、鐘差和鐘漂誤差信息，用估計(jì)的信息修正GPS接收機(jī)的位置和速度，然 后用修正過的GPS接收機(jī)位置和速度結(jié)合衛(wèi)星星歷計(jì)算載波和碼NC0參數(shù)，以保持對(duì)輸入信 號(hào)的跟蹤。
[0040] 所述載波鑒頻器和碼鑒別器的輸出作為導(dǎo)航濾波器的量測(cè)信息，用以估計(jì)GPS接 收機(jī)的位置、速度、鐘差和鐘漂誤差信息，具體如下：
[0041] a)鑒頻器計(jì)算公式：
[0042] -n -\ j y r2 - f
[0043] 式中，?7?λ、'Λ'=(私廠/，私丨，i/W =+ .和給 時(shí)支路ti時(shí)刻的采樣值，4和備分別為I通道和Q通道即時(shí)支路緊接著時(shí)刻之后的t2時(shí)刻 的采樣值，tiSk-l時(shí)刻的時(shí)間，t2*k時(shí)刻的時(shí)間，sign (X)為符號(hào)函數(shù)，取值如下：
[0044]
[0045] b)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
[0046]
(17)
[0047] 式中，Ie和Qe分別為I通道和Q通道超前支路采樣值，II和Ql分別為I通道和Q通道滯 后支路采樣值。
[0048] c)導(dǎo)航濾波器模型的狀態(tài)方程：
[0049]
[0050] 式中，tb,k和tb,k-i分別為k時(shí)刻和k-Ι時(shí)刻的接收機(jī)鐘差，td,k和td,k-i分別為k時(shí)刻 和k-Ι時(shí)刻的接收機(jī)鐘漂;5x k、5xk-：L分別為k時(shí)刻和k-Ι時(shí)刻X軸方向位置誤差;5vx,k、5v x,k-：L 分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻X軸方向速度誤差;分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻y軸方向位置誤 差;δνγ,^δνγ,^分別為k時(shí)刻和k-Ι時(shí)亥Ijy軸方向速度誤差;δζ^δζΗ分別為k時(shí)刻和k-Ι時(shí)刻 z軸方向位置誤差;δνζ,^δνζ,!^分別為k時(shí)刻和k-Ι時(shí)刻z軸方向速度誤差;T。為k時(shí)刻和k-1 時(shí)刻之間間隔時(shí)間；ω χ、ωγ、(〇2分別為位置隨機(jī)噪聲在x、y、z軸的分量，ωνχ、ω νγ、ω vz分別 為速度隨機(jī)噪聲在x、y、z軸的分量，cob為接收機(jī)鐘差的隨機(jī)噪聲、co d為接收機(jī)鐘漂的隨機(jī) 噪聲。
[0051] d)導(dǎo)航濾波器模型的觀測(cè)方程為：
[0052] 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：
[0053] Zc〇de = hx5x+hy5y+hz5z+c · tb+wc〇de (19)
[0054] Zcar