高动态GNSS载波信号跟踪方法及系统技术方案

本发明专利技术提出一种高动态GNSS载波信号跟踪方法，时频图像可以同时结合时间域和频率域来分析信号，在原理上平衡频率分辨率与时间分辨率之间的矛盾，将高动态引起的信号不确定性限制在数个像素内，因此，与传统跟踪方法不同，本发明专利技术的动态跟踪能力不受环路带宽的限制，使得接收机可以对极高动态的载波信号进行跟踪，扩展了基于北斗/GPS的GNSS接收机的使用范围。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星导航
，特别涉及的是高动态GNSS载波信号跟踪方法及系统。
技术介绍
GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)即全球导航卫星系统。卫星导航接收机捕获并跟踪多个GNSS卫星的信号，然后解调其中调制的导航数据。卫星导航接收机利用测距码计算GNSS卫星与用户的相对距离，利用导航数据中的星历数据解算卫星位置和时间模型，进而计算出用户的位置。利用GNSS信号(如GPS(全球定位系统)、北斗、GLONASS(全球卫星导航系统)等)进行导航已经广泛应用于空间低轨卫星、导弹、以及地面目标。当载体运行在高速、高加速度与高加加速度的环境中时，信号的多普勒效应将极大的影响接收机对信号的接收，因此对接收机中的信号跟踪方法和其跟踪性能均提出了极高的要求。美国喷气动力实验(JPL)较早地在高动态GPS信号跟踪技术方面作了深入的研究并于1987年提出采用最大似然估计(MLE)方法对伪码延时和载波多普勒频率进行了估计。自此之后，高动态环境下的GNSS信号接收技术主要可以归为两类：一是研究适合高动态环境下的GNSS信号跟踪的频率估计算法，将算法嵌入接收机的载波环路内，以适应高动态环境下GNSS信号的接收。显然它具有体积小、成本低等特点。另一种是将接收机与惯导系统结合，给GNSS接收机提供IMU(惯性测量单元)的速度辅助(即提供多普勒频移的先验知识)，组成捷联惯导系统。在这种导航系统中，惯性导航系统为GNSS提供速率信息，以适应高动态定位导航；GNSS为惯导系统提供时间标准等信息，以消去惯性导航器件因时间而累积的误差。高动态GNSS信号与普通GNSS信号的最大区别在于载波多普勒的变化率很大。具体来说，跟踪高动态GNSS信号有以下几个难点：(1)信号的不确定性：根据信号的不确定性原理，信号的频率分辨率与时间分辨率不能同时任意高。即给定观测时间，在该时间内的载波多普勒频率估计精度越高，则该频率在观测时间内出现的具体时间就越不确定，反之亦然。因此，无论是依靠频域的传统跟踪方法，还是依靠时域的矢量跟踪方法，因为只考虑了单域下的跟踪，信号估计的不确定性将影响跟踪性能；(2)动态水平精确检测困难：无论是依靠环路中的频率估计，还是捷联惯导系统中的IMU，都存在不能准确实时的对载波多普勒变化率进行估计的问题，影响了接收机对GNSS信号的跟踪准确性；(3)跟踪环路设计复杂：现有的高动态跟踪方法，或是跟踪环路阶数高，运算量大，或是受IMU误差影响大，需要随时进行误差补偿，因此使得环路的设计十分复杂。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种高动态GNSS载波信号跟踪方法，动态跟踪能力不受环路带宽的限制，可以实现极高动态的载波信号的跟踪。为解决上述问题，本专利技术提出一种高动态GNSS载波信号跟踪方法，包括以下步骤：S1：确定本地稳定载波fL1和fL2，对中频信号进行解调产生解调信号x1和x2，对解调信号x1和x2分段进行相关积分，产生两个N点离散信号O1(k)与O2(k),k＝1,2,3,...,N，N为正整数，其中，所述本地稳定载波fL1根据当前多普勒频率确定，所述本地稳定载波fL2和所述本地稳定载波fL1之间相差一个检测带宽B；S2：根据当前跟踪频率从离散信号O1(k)与O2(k)中选取具有载波的信号，消除离散信号中的导航比特翻转并计算Wigner-Ville变换，得到离散信号的时频分布，对时频分布进行归一化，生成一幅包含完整瞬时频率曲线的时频图像或两幅分别包含瞬时频率曲线的一部分的时频图像；S3：若在时频图像中的瞬时频率曲线不完整，则拼接两幅时频图像，若在一幅时频图像中的瞬时频率曲线完整则无需拼接，根据上一次检测到的多普勒频率变化率确定瞬时频率搜索范围；S4：对时频图像在瞬时频率搜索范围内的部分进行时频峰值滤波；S5：将瞬时频率搜索范围的时频图像进行空间变换，在变换结果中进行二维峰值搜索，根据峰值位置估计当前载波多普勒频率fd与载波多普勒频率变化率f′d；S6：根据当前载波多普勒频率fd确定本地变动载波fLH，选择所述解调信号x1和x2中包含变动载波的信号进行二次解调，以剥离载波多普勒；S7：检测二次解调的载波相位残差以实现载波相位的跟踪；S8：根据当前多普勒频率切换本地稳定载波fL1和fL2，返回执行步骤S1，产生两个新的N点离散信号O1(k)与O2(k),k＝2,3,...,N+1，以使环路更新并保持对载波信号的跟踪。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S1包括以下步骤：S11：根据相关积分的积分时间Δt，确定检测带宽B；S12：在初始化状态下或跟踪状态下，根据当前载波多普勒频率，确定本地稳定载波fL1，使得解调后的载波多普勒频率处于频带[fL1，fL1+B]的大致中间位置；在跟踪状态下，根据载波多普勒频率变化率的检测结果，设置fL2＝fL1+B或fL2＝fL1-B；S13：在接到本地频率切换命令之前保持本地稳定载波fL1和fL2不变，分别使用本地稳定载波fL1和fL2对中频信号进行解调产生解调信号x1和x2，对解调信号x1和x2分段进行相关积分，产生两个N点离散信号O1(k)与O2(k),k＝1,2,3,...,N。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S2包括以下步骤：S21：在跟踪状态下，根据当前跟踪频率从离散信号O1(k)与O2(k)中选取具有载波的信号，在初始化状态下，则离散信号O1(k)与O2(k)都选取；S22：对选取的离散信号进行平方计算，消除离散信号中的导航比特翻转，此时离散信号内的多普勒与多普勒变化率将相应增倍；S23：将消除导航比特翻转后的离散信号进行Wigner-Ville变换，得到离散信号的Wigner-Ville分布；S24：将Wigner-Ville分布中的负值全部设为0，并根据Wigner-Ville分布中的最大值将Wigner-Ville分布的值归一化为在[0,预设值]范围内的数值，从而将Wigner-Ville分布转换为时频图像，若信号中存在变动载波，则在时频图像中将生成载波信号的瞬时频率曲线，根据步骤S21中选取的离散信号，而相应生成一幅包含完整瞬时频率曲线的时频图像或两幅分别包含瞬时频率曲线的一部分的时频图像。根据本专利技术的一个实施例，所述步骤S3包括以下步骤：S31：根据载波多普勒频率变化率f′d，确定变动载波信号的瞬时频率曲线在时频图像中的最大可移动频率p＝2f′dTs，其中，Ts为跟踪环的周期，根据p设定瞬时频率搜索范围S3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高动态GNSS载波信号跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：确定本地稳定载波fL1和fL2，对中频信号进行解调产生解调信号x1和x2，对解调信号x1和x2分段进行相关积分，产生两个N点离散信号O1(k)与O2(k),k＝1,2,3,...,N，N为正整数，其中，所述本地稳定载波fL1根据当前多普勒频率确定，所述本地稳定载波fL2和所述本地稳定载波fL1之间相差一个检测带宽B；S2：根据当前跟踪频率从离散信号O1(k)与O2(k)中选取具有载波的信号，消除离散信号中的导航比特翻转并计算Wigner‑Ville变换，得到离散信号的时频分布，对时频分布进行归一化，生成一幅包含完整瞬时频率曲线的时频图像或两幅分别包含瞬时频率曲线的一部分的时频图像；S3：若在时频图像中的瞬时频率曲线不完整，则拼接两幅时频图像，若在一幅时频图像中的瞬时频率曲线完整则无需拼接，根据上一次检测到的多普勒频率变化率确定瞬时频率搜索范围；S4：对时频图像在瞬时频率搜索范围内的部分进行时频峰值滤波；S5：将瞬时频率搜索范围的时频图像进行空间变换，在变换结果中进行二维峰值搜索，根据峰值位置估计当前载波多普勒频率fd与载波多普勒频率变化率S6：根据当前载波多普勒频率fd确定本地变动载波fLH，选择所述解调信号x1和x2中包含变动载波的信号进行二次解调，以剥离载波多普勒；S7：检测二次解调的载波相位残差以实现载波相位的跟踪；S8：根据当前多普勒频率切换本地稳定载波fL1和fL2，返回执行步骤S1，产生两个新的N点离散信号O1(k)与O2(k),k＝2,3,...,N+1，以使环路更新并保持对载波信号的跟踪。...

【技术特征摘要】
1.一种高动态GNSS载波信号跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：确定本地稳定载波fL1和fL2，对中频信号进行解调产生解调信号x1和x2，对解调信号
x1和x2分段进行相关积分，产生两个N点离散信号O1(k)与O2(k),k＝1,2,3,...,N，N为正整
数，其中，所述本地稳定载波fL1根据当前多普勒频率确定，所述本地稳定载波fL2和所述本
地稳定载波fL1之间相差一个检测带宽B；
S2：根据当前跟踪频率从离散信号O1(k)与O2(k)中选取具有载波的信号，消除离散信号
中的导航比特翻转并计算Wigner-Ville变换，得到离散信号的时频分布，对时频分布进行
归一化，生成一幅包含完整瞬时频率曲线的时频图像或两幅分别包含瞬时频率曲线的一部
分的时频图像；
S3：若在时频图像中的瞬时频率曲线不完整，则拼接两幅时频图像，若在一幅时频图像
中的瞬时频率曲线完整则无需拼接，根据上一次检测到的多普勒频率变化率确定瞬时频率
搜索范围；
S4：对时频图像在瞬时频率搜索范围内的部分进行时频峰值滤波；
S5：将瞬时频率搜索范围的时频图像进行空间变换，在变换结果中进行二维峰值搜索，
根据峰值位置估计当前载波多普勒频率fd与载波多普勒频率变化率S6：根据当前载波多普勒频率fd确定本地变动载波fLH，选择所述解调信号x1和x2中包含
变动载波的信号进行二次解调，以剥离载波多普勒；
S7：检测二次解调的载波相位残差以实现载波相位的跟踪；
S8：根据当前多普勒频率切换本地稳定载波fL1和fL2，返回执行步骤S1，产生两个新的N
点离散信号O1(k)与O2(k),k＝2,3,...,N+1，以使环路更新并保持对载波信号的跟踪。
2.如权利要求1所述的高动态GNSS载波信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤S1包括以
下步骤：
S11：根据相关积分的积分时间Δt，确定检测带宽B；
S12：在初始化状态下或跟踪状态下，根据当前载波多普勒频率，确定本地稳定载波fL1，
使得解调后的载波多普勒频率处于频带[fL1，fL1+B]的大致中间位置；在跟踪状态下，根据
载波多普勒频率变化率的检测结果，设置fL2＝fL1+B或fL2＝fL1-B；
S13：在接到本地频率切换命令之前保持本地稳定载波fL1和fL2不变，分别使用本地稳定
载波fL1和fL2对中频信号进行解调产生解调信号x1和x2，对解调信号x1和x2分段进行相关积
分，产生两个N点离散信号O1(k)与O2(k),k＝1,2,3,...,N。
3.如权利要求1所述的高动态GNSS载波信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤S2包括以
下步骤：
S21：在跟踪状态下，根据当前跟踪频率从离散信号O1(k)与O2(k)中选取具有载波的信
号，在初始化状态下，则离散信号O1(k)与O2(k)都选取；
S22：对选取的离散信号进行平方计算，消除离散信号中的导航比特翻转，此时离散信
号内的多普勒与多普勒变化率将相应增倍；
S23：将消除导航比特翻转后的离散信号进行Wigner-Ville变换，得到离散信号的
Wigner-Ville分布；
S24：将Wigner-Ville分布中的负值全部设为0，并根据Wigner-Ville分布中的最大值
将Wigner-Ville分布的值归一化为在[0,预设值]范围内的数值，从而将Wigner-Ville分布
转换为时频图像，若信号中存在变动载波，则在时频图像中将生成载波信号的瞬时频率曲
线，根据步骤S21中选取的离散信号，而相应生成一幅包含完整瞬时频率曲线的时频图像或
两幅分别包含瞬时频率曲线的一部分的时频图像。
4.如权利要求1所述的高动态GNSS载波信号跟踪方法，其特征在于，所述步骤S3包括以
下步骤：
S31：根据载波多普勒频率变化率f′d，确定变动载波信号的瞬时频率曲线在时频图像中
的最大可移动频率p＝2f′dTs，其中，Ts为跟踪环的周期，根据p设定瞬时频率搜索范围
S32：若瞬时频率搜索范围未超出当前时频图像的频带，则取出该范围内图像，否则，将
当前时频图像和与其频带紧邻的下一时频图像进行拼接，使得瞬时频率曲线完整准确，并
取出瞬时频率搜索范围内图像；
S33：若有拼接，则在瞬时频率搜索范围离开两幅时频图像的拼接处之后，结束时频图...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏轩，仲科伟，赵健康，臧中原，许东欢，毋蒙，
申请(专利权)人：上海交通大学，上海航天控制技术研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31