一种基于载波频率辅助相位矢量跟踪方法技术

本发明专利技术涉及高动态环境下GPS信号跟踪领域，具体涉及一种利用锁频环辅助锁相环的方式代替传统单一跟踪环路，通过集中式滤波器对接收机各通道中频信号进行综合处理的矢量跟踪方法。本发明专利技术包括：(1)混频；(2)相关器及鉴别器输出；(3)集中式滤波；(4)载波频率辅助相位矢量跟踪。接收机各跟踪通道内均采用FLL辅助PLL的方式，减小鉴别器的输出误差，利用集中式滤波器将各跟踪通道内的测量值信息综合处理，滤波器输出k+1时刻的速度误差经过变换，得到k+1时刻的载波频率修正值和码频率修正值，反馈至载波压控振荡器，用来调整本地复现载波信号。

【技术实现步骤摘要】
一种基于载波频率辅助相位矢量跟踪方法
本专利技术涉及高动态环境下GPS信号跟踪领域，具体涉及一种利用锁频环(FrequencyLockedLoop,FLL)辅助锁相环(PhaseLockedLoop,PLL)的方式代替传统单一跟踪环路，通过集中式滤波器对接收机各通道中频信号进行综合处理的矢量跟踪方法。
技术介绍
全球定位系统(GPS)接收机主要完成两个重要任务：卫星信号捕获跟踪和导航解算。传统GPS接收机采用各自独立的跟踪通道跟踪不同的可视卫星，单独的FLL和PLL不能同时满足高动态性和跟踪精度的要求。针对高动态环境下GPS信号跟踪问题，Roncagliolo等人给出了一种确定频率辅助的PLL鉴相器方法，并对其性能进行了分析；为了提高标量跟踪环路的工作性能，Spilker首先提出了矢量跟踪思想，各通道信号相互辅助，从而提高各通道输入信噪比；Kwang-HoonKim等人研究了矢量跟踪环路在弱信号下的工作性能，但是没有进行动态环境下的研究；罗雨等在原有矢量延迟/频率锁定环(VectorDelay/FrequencyLockedLoop,VDFLL)结构的基础上做了进一步改进，提出了新的控制反馈量；任晓岳，卢虎等利用设置双码时延间隔的方法来优化矢量跟踪性能，用矢量跟踪来弥补传统接收机在弱信号下的缺陷，跟踪精度得到提高。基于载波频率辅助相位矢量跟踪方法具有很多传统单一跟踪环路没有的优点：(1)采用载波频率辅助相位的方式，扩大了信号锁定范围。(2)更能鲁棒地容忍高动态应力及多路径、射频等干扰，提高了高动态环境下多普勒频率跟踪精度。(3)能跟踪信噪比更低的信号，减小了环路失锁的现象。(4)采用矢量跟踪的方法，将信号跟踪和导航参数估算两项任务结合在一起，取消了独立、并行的信号跟踪模式。(5)将各跟踪通道的观测数据送至卡尔曼滤波器(Kalman)进行集中处理，得到严格的最优状态估计。基于载波频率辅助相位矢量跟踪方法的核心技术是：各跟踪通道利用二阶锁频环辅助三阶锁相环的方式代替传统GPS接收机中的FLL或PLL，扩大信号锁定范围，首先利用FLL很好的跟踪高动态多普勒频率，将信号牵入到稳态跟踪状态，随后PLL利用FLL的跟踪结果进一步输出精确的载波相位测量值，通过集中式滤波器将各通道跟踪信息进行集中处理，将载波频率、码相位转换为伪距、伪距率作为量测信息，完成对状态量的最优估计，克服了单独的FLL和PLL不能同时满足高动态性和跟踪精度的要求。信息融合方法是基于载波频率辅助相位矢量跟踪方法的一个关键性技术问题，由于系统采用矢量跟踪的方法对各跟踪通道信息进行综合处理，实时计算数据量大，对处理器的要求较高，状态量维数的增加更会加大处理信息和系统建模的复杂度。所以状态量的选取对于系统建模显得尤为重要，为了简化系统结构和减小系统计算量，本文选择载体位置、载体速度、时钟偏差和时钟频差作为系统的状态量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于载波频率辅助相位矢量跟踪方法，利用FLL辅助PLL的方式，扩大信号的锁定频率，有效减小了载体高动态所引起的鉴频误差，克服了接收机环路失锁的现象，从而有效的跟踪高动态GPS信号。本专利技术的目的是这样实现的：（1）混频：接收机利用天线接收到的卫星信号送至射频前端处理，通过多级混频将射频信号转换成中频信号，与本地载波数控振荡器产生的本地正弦和余弦复现载波信号进行混频运算，接收机第i通道I支路与Q支路中频信号载波剥离后第k时刻的输出：式中，为输入信号与输出信号相位差异；（2）相关器及鉴别器输出：I/Q支路输出信号分别与本地伪码发生器生成的即时码P、超前码E和滞后码L相关运算，相关器输出六路相干积分值为：式中，δ为本地C/A码超前滞后的间隔，Tcoh为预检积分时间，δf和分别为本地产生信号与输入信号之间的载波频率误差和相位误差，R(εi)为C/A码相关函数；锁频环和锁相环分别采用叉积鉴频法和二象限反正切函数鉴相器，载波频率误差和载波相位误差分别为：式中，叉积Pcross与点积Pdot分别等于：Pcross＝IP(k-1)·IP(k)+QP(k-1)·QP(k)Pdot＝IP(k-1)·QP(k)-QP(k-1)·IP(k)延迟锁定环路采用非相干超前减滞后功率法,码相位误差为：式中，IE、QE、IL和QL为超前支路与滞后支路相干积分值；（3）集中式滤波：利用集中式滤波器对系统模型进行建模，选取位置和速度误差作为状态变量，分别记为δX和δV，速度差在该时间段内可以视为常数，由此得到位置和速度的误差模型：δXk+1＝δXk+TδVk+ηk+1δVk+1＝δVk+νk+1式中，T代表了k和k+1时刻之间的时间长度，ηk+1和νk+1是接收机位置和速度噪声，为零均值白噪声序列；时钟误差模型如下所示：Bk+1＝Bk+TΔtkDk+1＝Dk+Δtk式中，Bk为时钟偏差，Dk为时钟频差，Δtk是Dk+1和Dk之差，Δtk在相对短的时间内可以视为常数，也是一个高斯白噪声序列，记为：Δtk＝γk，得到系统状态方程如下：式中，状态转移矩阵Fk,k+1为：Wk为过程噪声，也称为系统噪声，记为：Wk＝[ηx,k,ηy,k,ηz,k,νx,k,νy,k,νz,k,γk]T，Wk为零均值白噪声序列；码鉴相器和载波鉴频器输出的码相位误差、载波频率误差转换伪距差、伪距率差为：δρ＝c·δcp/fcode式中，c为真空中光速，近似等于3×108m/s，fcarry和fcode是载波频率和码频率的标称值，其值分别为1575.42MHz和1.023MHz；系统量测方程为：量测矩阵H由下述方程决定：δρi,k＝aix,kδxk+aiy,kδyk+aiz,kδzk+Bk+ηi,k式中，aix,k,aiy,k,aiz,k分别为第i通道x,y,z方向上接收机相对卫星第k时刻的视线矢量；（4）载波频率辅助相位矢量跟踪：GPS信号数据码与伪码异或相加而实现扩频，二者的组合码通过双相移位键控对载波进行调制，接收机射频前端输出的中频信号模型为：式中，A为信号幅值，D(k)为导航数据，C(k)为C/A码，fIF为中频信号频率，fd为信号多普勒频率，为载波初相位；跟踪环路鉴别器的输出值转换为伪距、伪距率，作为集中式滤波器的量测信息，滤波器输出的速度状态变量误差值经过变换后，得到第i通道上k+1时刻的载波频率修正值和码频率修正值：δfcarry,i,k+1=(Bk+δVk·ai,k+1)fcarry/cδfcode,i,k+1=(Dk+δVk·ai,k+1)fcode/c式中，Bk和Dk分别代表时钟偏差和时钟频差对应的速度，单位是m/s；二阶FLL辅助三阶PLL输出的经过环路滤波器后得到载波相位频率δfPLL，与载波频率修正值δfcarry相加得到载波中频信号真实值fIF,real：fIF,real＝fIF+δfcarry+δfPLL将中频信号真实值与捕获阶段得到的多普勒频率fd一起反馈到载波压控振荡器，用来调整本地复制的正弦和余弦信号，此时载波压控振荡器输出的本地复制信号为：载波压控振荡器产生的本地信号与输入信号进行相关运算得到相关器输出六路相干积分值，此时接收机N个通道共享已知信息从而形成闭合回路。本专利技术的有益效果在于：接收机各跟踪通道内均采用FLL辅助P本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于载波频率辅助相位矢量跟踪方法，其特征在于：(1)混频：接收机利用天线接受到的卫星信号送至射频前段处理，通过多级混频将射频信号转换成中频信号，与本地载波数控振荡器产生的本地正弦和余弦复现载波信号进行混频运算，接收机第i通道I支路与Q支路中频信号载波剥离后第k时刻的输出：式中，为输入信号与输出信号相位差异；(2)相关器及鉴别器输出：I/Q支路输出信号分别于本地伪码发生器生成的即时码P、超前码E和滞后码L相关运算，相关器输出六路相干积分值为：式中，δ为本地C/A码超前滞后的间隔，Tcoh为预检积分时间，δf和分别为本地产生信号与输入信号之间的载波频率差和相位差，R(εi)为C/A码相关函数；锁频环和锁相环分别采用叉积鉴频法和二象限反正切函数鉴相器，载波频率误差和载波相位误差分别为：δf=arctan2(Pcross,Pdot)2πTcoh]]>式中，叉积Pcross与点积Pdot分别等于：Pcross＝IP(k‑1)·IP(k)+QP(k‑1)·QP(k)Pdot＝IP(k‑1)·QP(k)‑QP(k‑1)·IP(k)延迟锁定环路采用非相干超前减滞后功率法,码相位误差为：δcp=(IE2+QE2)-(IL2+QL2)(IE2+QE2)+(IL2+QL2)]]>式中，IE、QE、IL和QL为超前支路与滞后支路相干积分值；(3)集中式滤波：利用集中式滤波器对系统模型进行建模，选取位置和速度误差作为状态变量，分别记为δX和δV，速度差在该时间段内可以视为常数，由此得到位置和速度的误差模型：δXk+1＝δXk+TδVk+ηk+1δVk+1＝δVk+νk+1式中，T代表了k和k+1时刻之间的时间长度，ηk+1和νk+1是接收机位置和速度噪声，为零均值白噪声序列；时钟误差模型如下所示：Bk+1＝Bk+TΔtkDk+1＝Dk+Δtk式中，Bk为时钟偏差，Dk为时钟频差，Δtk是Dk+1和Dk之差，Δtk在相对短的时间内可以视为常数，也是一个高斯白噪声序列，记为：Δtk＝γk，得到系统状态方程如下：δxk+1δyk+1δzk+1δvx,k+1δvy,k+1δvz,k+1Bk+1Dk+1=Fk,k+1δxkδykδzkδvx,kδvy,kδvz,kBkDk+Wk]]>式中，状态转移矩阵Fk,k+1为：Fk,k+1=100T00000100T00000100T000001000000001000000001000000001T00000001]]>Wk为过程噪声，也称为系统噪声，记为：Wk＝[ηx,k,ηy,k,ηz,k,νx,k,νy,k,νz,k,γk]T，Wk为零均值白噪声序列；码鉴相器和载波鉴频器输出的码相位差、载波频率差转换伪距差、伪距率差为：δρ＝c·δcp/fcodeδρ·=c·δf/fcarry]]>式中，c为真空中光速，近似等于3×108m/s，fcarry和fcode是载波频率和码频率的标称值，其值分别为1575.42MHz和1.023MHz；系统量测方程为：Zk=δρ1,kδρ·1,k...δρn,kδρ·n,kT1×2n=HXk+Vk]]>量测矩阵H由下述方程决定：δρi,k＝aix,kδxk+aiy,kδyk+aiz,kδzk+Bk+ηi,kδρ·i,k=aix,kδvx,k+aiy,kδvy,k+aiz,kδvz,k+Dk+wi,k]]>式中，aix,k,aiy,k,aiz,k分别为第i通道x,y,z方向上接收机相对卫星第k时刻的视线矢量；(4)载波频率辅助相位矢量跟踪：GPS信号数据码与伪码异或相加而实现扩频，二者的组合码通过双相移位键控对载波进行调制，接收机射频前端输出的中频信号模型为：式中，A为信号幅值，Tcoh为预检积分时间，D(k)为导航数据，C(k)为C/A码，fIF为中频信号频率，fd为信号多普勒频率，为载波初相位；跟踪环路鉴别器的输出值转换为伪距、伪距率，作为集中式滤波器的量测信息，滤波器输出的速度状态变量误差值经过变换后，得到第i通道上k+1时刻的载波频率修正值和码频率修正值：δfcarry,i,k+1＝(Bk+δVk·ai,k+1)fcarry/cδfcode,i,k+1＝(Dk+δVk·ai,k+1)fcode/c式中，Bk和Dk分别代表时钟偏差和时...

【技术特征摘要】
1.一种基于载波频率辅助相位矢量跟踪方法，其特征在于：(1)混频：接收机利用天线接收到的卫星信号送至射频前端处理，通过多级混频将射频信号转换成中频信号，与本地载波数控振荡器产生的本地正弦和余弦复现载波信号进行混频运算，接收机第i通道I支路与Q支路中频信号载波剥离后第k时刻的输出：式中，为输入信号与输出信号相位差异；(2)相关器及鉴别器输出：I/Q支路输出信号分别与本地伪码发生器生成的即时码P、超前码E和滞后码L相关运算，相关器输出六路相干积分值为：式中，δ为本地C/A码超前滞后的间隔，Tcoh为预检积分时间，δf和分别为本地产生信号与输入信号之间的载波频率误差和相位误差，R(εi)为C/A码相关函数；锁频环和锁相环分别采用叉积鉴频法和二象限反正切函数鉴相器，载波频率误差和载波相位误差分别为：式中，叉积Pcross与点积Pdot分别等于：Pcross＝IP(k-1)·IP(k)+QP(k-1)·QP(k)Pdot＝IP(k-1)·QP(k)-QP(k-1)·IP(k)延迟锁定环路采用非相干超前减滞后功率法,码相位误差为：式中，IE、QE、IL和QL为超前支路与滞后支路相干积分值；(3)集中式滤波：利用集中式滤波器对系统模型进行建模，选取位置和速度误差作为状态变量，分别记为δX和δV，速度差在该时间段内可以视为常数，由此得到位置和速度的误差模型：δXk+1＝δXk+TδVk+ηk+1δVk+1＝δVk+νk+1式中，T代表了k和k+1时刻之间的时间长度，ηk+1和νk+1是接收机位置和速度噪声，为零均值白噪声序列；时钟误差模型如下所示：Bk+1＝Bk+TΔtkDk+1＝Dk+Δtk式中，Bk为时钟偏差，Dk为时钟频差，Δtk是Dk+1和Dk之差，Δtk在相对短的时间内可以视为常数，也是一个高斯白噪声序列，记为：Δtk＝γk，得到系统状态方程如下：式中，状态转移矩阵Fk,k+1为：

【专利技术属性】
技术研发人员：沈锋，李伟东，马娜娜，韩浩，李强，桑静，迟晓彤，张金丽，周阳，兰晓明，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23