卫星导航信号接收机的改进码跟踪方法及环路技术

本发明专利技术公开一种卫星导航信号接收机的改进码跟踪方法及环路，利用最小二乘算法和卡尔曼滤波算法相结合的方法对跟踪环中的码环进行改进和优化，通过最小二乘算法对所有相关支路的相干积分结果进行处理，构造出一组无偏、均方误差和最小和空间分布确定的新的观测点，并用于后续的线性卡尔曼滤波，求出直达信号和多径信号的码相位，使卡尔曼滤波算法的精度更高、灵敏度更高。此外，还提出在码环卡尔曼滤波模块中加入发散控制模块，以判别并抑制滤波器发散。因此本发明专利技术能够在有效抑制多径干扰的同时，跟踪更低信噪比的弱卫星导航信号，同时拥有更高的码跟踪精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星导航接收机
，具体涉及卫星导航信号接收机的改进码跟踪方法及环路。
技术介绍
在室内、密集城区、隧道、密林等复杂信道环境中，遮挡、多径和干扰等现象较为严重，卫星导航信号功率由于受到各种穿透损耗会严重衰减，信号幅度和相位也会受到多径衰落的影响变化剧烈，这种情况下，卫星信号能量甚至低于-180dBW，接收信噪比将会严重恶化，普通导航接收机对卫星导航信号的跟踪将难以实现。因此很有必要研究一种在弱信号条件下仍能高精度跟踪的卫星导航信号的跟踪方法。导航接收机对卫星信号的跟踪分为载波跟踪和码相位跟踪。传统的接收机的码跟踪环路，如图1所示，主要由N个相关器、N个积分累加器、鉴别器、环路滤波器、伪码NCO和伪码发生器组成。在弱信号环境中，对于接收机的码跟踪环而言，热噪声和多径干扰是其主要误差源。为实现弱信号条件下的码跟踪，很多文献都提出基于卡尔曼滤波的方法，其主要有两种实现结构：一为在码环鉴别器和环路滤波器之间加入卡尔曼滤波模块；一为用卡尔曼滤波模块代替原有的鉴别器。所用到的卡尔曼滤波主要有线性卡尔曼滤波(KalmanFilter，KF)、扩展卡尔曼滤波(ExtendedKalmanFilter，EKF)，和平淡卡尔曼滤波(UnscentedKalmanFilter，UKF)三种，其中EKF和UKF都是非线性的。采用非线性卡尔曼滤波虽然效果相对较好但是计算量很大；而采用线性卡尔曼滤波时，又存在滤波器发散的问题。虽然现有技术已提出基于卡尔曼滤波的码跟踪方法，但不管采用线性卡尔曼滤波还是非线性卡尔曼滤波，在这种滤波估计问题中，观测值是唯一的信息源，但是由于如系统误差、观测误差、设备误差等各种误差的存在，观测值是含有误差的，这个误差会被带进后续对目标参数的估计值中，降低环路的跟踪性能，使得采用现有技术的卡尔曼滤波精度低。
技术实现思路
本专利技术所要解决的是现有导航卫星信号接收机的码跟踪方法存在精度低的问题，提供卫星导航信号接收机的改进码跟踪方法及环路。为解决上述问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：卫星导航信号接收机的改进码跟踪方法，包括如下步骤：步骤1，对天线接收的卫星导航信号进行下变频和解调处理后，将其送入相干积分模块中进行相关和积分运算得到各相关支路的相干积分结果；步骤2，将相干积分结果存入缓存模块，并将其作为最小二乘模块的原始观测量；步骤3，最小二乘模块对步骤2所得原始观测量进行最小二乘处理，构造出一组无偏、均方误差和最小和空间分布确定的修正观测量；步骤4，将步骤3所得修正观测量作为卡尔曼滤波模块的观测量，通过建模和不断收敛，得到直达信号与本地伪码的码相位差、多径信号与本地伪码的码相位差、以及多径信号相对直达信号的幅度比例；步骤5，将直达信号与本地伪码的码相位差输入环路滤波器中进行滤波，再把滤波后的码相位差输入到伪码数控振荡器和伪码发生器中，调节并输出本地伪码送至相干积分模块。步骤3具体为：步骤3-1，将同一相关支路的原始观测值组成原始观测矢量；步骤3-2，建立如下测量方程，即R＝G·B+L式中，R为原始观测矢量，L是噪声矢量，G为量测矩阵，B为待估计的状态矩阵；步骤3-3，根据最小二乘估计原理，得到状态矩阵B的最小二乘估计矩阵步骤3-4，根据最小二乘估计矩阵得到修正后的修正观测值；步骤3-5，将同一相关支路的修正观测值组成修正观测矢量。所述相关支路包括同相支路的超前相关支路、同相支路的滞后相关支路、正交支路的超前相关支路和正交支路的滞后相关支路。基于上述方法所设计的卫星导航信号接收机的改进码跟踪环路，包括相干积分模块、缓存模块、最小二乘模块、卡尔曼滤波模块、环路滤波器、伪码NCO和伪码发生器；相干积分模块的输出端与缓存模块的输入端相连，缓存模块的输出端连接最小二乘模块的输入端，最小二乘模块的输出端连接卡尔曼滤波模块的输入端，卡尔曼滤波模块的输出端与环路滤波器的输入端连接，环路滤波器的输出端连接伪码NCO的输入端，伪码NCO的输入端连接伪码发生器的输入端，伪码发生器的输出端连接相干积分模块的输入端。所述卡尔曼滤波模块为线性卡尔曼滤波模块。与现有技术相比，本专利技术利用最小二乘算法和卡尔曼滤波算法相结合的方法对跟踪环中的码环进行改进和优化，通过最小二乘算法对所有相关支路的相干积分结果进行处理，构造出一组无偏、均方误差和最小和空间分布确定的新的观测点，并用于后续的线性卡尔曼滤波，求出直达信号和多径信号的码相位，使卡尔曼滤波算法的精度更高、灵敏度更高。此外，还提出在码环卡尔曼滤波模块中加入发散控制模块，以判别并抑制滤波器发散。因此本专利技术能够在有效抑制多径干扰的同时，跟踪更低信噪比的弱卫星导航信号，同时拥有更高的码跟踪精度。附图说明图1是传统码跟踪环逻辑框图。图2是本专利技术实施例中改进码跟踪环逻辑框图。图3是本专利技术实施例中卡尔曼滤波的原理简述框图。图4是本专利技术实施例中采用改进码跟踪算法的步骤流程图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案进行详细阐述。卫星导航信号接收机的改进码跟踪环路，如图2所示，主要由N个相关器、N个积分累加器、缓存模块、最小二乘模块、卡尔曼滤波模块、环路滤波器、伪码NCO(伪码数控振荡器)和伪码发生器组成。接收到的中频数据与本地载波在混频器实现混频后输出，混频器的输出端分为N路，每一路连接1个相关器的一输入端。每个相关器的输出端连接一个积分累加器的输入端。N个积分累加器的输出端同时接入缓存模块的输入端。缓存模块的输出端连接最小二乘模块的输入端。最小二乘模块的输出端连接卡尔曼滤波模块的输入端。卡尔曼滤波模块的输出端与环路滤波器的输入端连接。环路滤波器的输出端连接伪码NCO的输入端。伪码NCO的输入端连接伪码发生器的输入端。伪码发生器的输出端分为N路，每一路连接1个相关器的另一输入端。图2所示为本专利技术设计的改进码跟踪环，通过对比图1的传统接收机码跟踪环结构可知，本专利技术改进的码跟踪环使用卡尔曼滤波模块代替鉴别器，并在相关器与卡尔曼滤波模块之间加入了缓存模块和最小二乘模块。上述缓存模块，用于缓存各相关支路的相干积分结果。上述最小二乘模块(LeastSquare，LS)，用于对缓存模块缓存的相干积分结果进行处理，通过最小二乘算法对相关支路的相干积分结果进行处理，构造出一组无偏、均方误差和最小和空间分布确定的新的观测点，并用于后续的卡尔曼滤波模块。设每次相干积分时长为Tcoh，设各相关支路的相关器相对即时码相关器的相位偏移为±δj。以接收信号包含一条直达信号和一条多径信号的情形为例来说明模块的功能，接收机在对中频信号进行去载波处理后，再进行伪码相关处理，得到某一支路如第j条超前支路的相干积分结果为：其中，τ0和τ1分别是直达信号和多径信号的码相位时延，α1是多径信号相对直达信号的幅度比例，a、A分别是本地载波和接收信号中直达信号载波的幅度。fe是从载波跟踪环得到的载波频率差，是从载波跟踪环得到的直达信号与本地载波的载波相位差，是从载波跟踪环得到的多径信号与本地载波的载波相位差。p(t)是服从N(0,σ2)分布的白高斯噪声，Rc(·)是伪码自相关函数。每次相干积分结果作为一个观测值缓存于缓存模块中，每M次相干积分时长进行一次环路更新。上述相干积分结果可写成如下矢量形式：R＝G·B+L(2)其本文档来自技高网...

【技术保护点】
卫星导航信号接收机的改进码跟踪方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1，对天线接收的卫星导航信号进行下变频和解调处理后，将其送入相干积分模块中进行相关和积分运算得到各相关支路的相干积分结果；步骤2，将相干积分结果存入缓存模块，并将其作为最小二乘模块的原始观测量；步骤3，最小二乘模块对步骤2所得原始观测量进行最小二乘处理，构造出一组无偏、均方误差和最小和空间分布确定的修正观测量；步骤4，将步骤3所得修正观测量作为卡尔曼滤波模块的观测量，通过建模和不断收敛，得到直达信号与本地伪码的码相位差、多径信号与本地伪码的码相位差、以及多径信号相对直达信号的幅度比例；步骤5，将直达信号与本地伪码的码相位差输入环路滤波器中进行滤波，再把滤波后的码相位差输入到伪码数控振荡器和伪码发生器中，调节并输出本地伪码送至相干积分模块。

【技术特征摘要】
1.卫星导航信号接收机的改进码跟踪方法，其特征是，包括如下步骤：步骤1，对天线接收的卫星导航信号进行下变频和解调处理后，将其送入相干积分模块中进行相关和积分运算得到各相关支路的相干积分结果；步骤2，将相干积分结果存入缓存模块，并将其作为最小二乘模块的原始观测量；步骤3，最小二乘模块对步骤2所得原始观测量进行最小二乘处理，构造出一组无偏、均方误差和最小和空间分布确定的修正观测量；步骤4，将步骤3所得修正观测量作为卡尔曼滤波模块的观测量，通过建模和不断收敛，得到直达信号与本地伪码的码相位差、多径信号与本地伪码的码相位差、以及多径信号相对直达信号的幅度比例；步骤5，将直达信号与本地伪码的码相位差输入环路滤波器中进行滤波，再把滤波后的码相位差输入到伪码数控振荡器和伪码发生器中，调节并输出本地伪码送至相干积分模块。2.根据权利要求1所述的卫星导航信号接收机的改进码跟踪方法，其特征是，步骤4和步骤5之间，还进一步包括对卡尔曼滤波模块进行发散判断的步骤。3.根据权利要求1所述的卫星导航信号接收机的改进码跟踪方法，其特征是，步骤3具体为：步骤3-1，将同一条相关支路的多个原始观测值组成原始观测矢量；步骤3-2，建立如下测量方程，...

【专利技术属性】
技术研发人员：符强，李基武，甄卫民，孙希延，纪元法，任风华，严素清，蔚保国，范广伟，陈奇东，甘兴利，
申请(专利权)人：桂林电子科技大学，中国电子科技集团第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：广西;45