一种提高多普勒精度的方法技术

本发明专利技术提供一种提高多普勒精度的方法，a、卡尔曼滤波，用载波相位作为滤波器观测量，建立动态模型，滤波得到相位率和相位二次变化率。b、超时补偿，对卡尔曼滤波得到的相位率进行补偿,即给相位率加上一个补偿值，使其适用于高动态下跟踪环路的短时间间隔特性。补偿值是利用滤波器的相位二次变化率乘以超前时间得到的。c、延时补偿，对相位率补偿，使其适用于高动态特性。以估计的相位二次变化率差分除以时间间隔作为滤波器输入，用一阶卡尔曼滤波器滤波得到相位三次变化率，再用相位率乘以时延得到补偿值。采用上述方案，能提高接收机载波相位率的精度，对噪声有很好的抑制能力，为高精度速度测量提供精确的观测信息。

A method to improve Doppler accuracy

【技术实现步骤摘要】
一种提高多普勒精度的方法
本专利技术涉及卫星接收机中数字信号处理
，尤其涉及的是一种提高多普勒精度的方法。
技术介绍
在全球定位卫星系统(GNSS)中，速度测量通常有两种方式：一是由载波相位提取载波相位率进行计算，二是由接收机跟踪环路得到的瞬时多普勒原始观测量来计算。跟踪环路给出的载波相位比多普勒值精度高，大部分接收机采用载波相位提取载波相位率。采用滤波技术可以去除相位噪声，但是这样会造成大的输出时延，在高动态情况下，载波相位率变化很快，时延造成结果精度很差。因此，需要对滤波输出的相位率进行处理，得到高精度的多普勒值，再用于用户速度计算。由跟踪环路处理得到的相位噪声标准差在0.001rad左右，在高动态环境下，噪声会更大。通过实验发现，对于速度精度要求为0.2m/s时，用于计算速度的相位率噪声标准差应该小于0.2rad/s。直接利用载波相位差分得到相位率进行速度计算，往往不能满足高精度的解算要求。因此需要对载波相位进行处理以获取高精度的相位率。现有的技术有泰勒级数展开、最小二乘波形拟合、卡尔曼滤波、动态窗和非线性跟踪微分器。泰勒级数展开方法使用现有的相位数据差分计算相位的各阶导数，再用泰勒级数公式计算相位率。这种方法可以利用相位导数近似相位的快速变化，但是没有滤波功能，且导数的计算用到较多的旧相位值，计算结果有延时。最小二乘波形拟合方法把相位用采样间隔的多项式表示，用多次相位值得到使相位估计值方差最小的多项式系数，再用多项式系数计算相位率。这种方法具有较好的去噪效果，最小二乘估计的结果精度较高，但是要用到旧的相位值，结果有时延。卡尔曼滤波技术也是基于最小方差的技术，由于包含了对于观测值统计特性的数据，估计精度更高。但是这种方法随着状态量的增加计算量增大，同时系统的估值保存了旧相位估值，结果有时延。动态窗方法用最近的相位值与一个旧的相位值差分得到相位率，两个相位值的时间间隔动态变化，用相位差值计算出一个值与阈值比较，调整时间间隔。这种方法具有平均的效果，且能够调整时间满足动态变化的要求，但是需要较长的时间间隔才能使结果精度足够高，但是时延大。非线性跟踪微分器采用非线性函数逼近相位的二次变化率，再估计相位变化率，并补偿时延。这种方法可以很好地滤除噪声并包含相位的动态变化，但是非线性函数计算量大，不适宜实时计算。因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
技术实现思路
本专利技术解决了如何从跟踪环路给出的载波相位获取高精度相位率的技术问题。本专利技术利用跟踪环路给出的载波相位获取高精度相位率的,现有技术存在不能满足动态环境、具有延时、计算量大等缺点。针对以上缺点，本专利技术提出一种基于卡尔曼滤波、时延补偿思想的获取高精度相位率的方法。用三阶卡尔曼滤波器获得相位率的最小方差估计，再用加速度估计值补偿滤波估计值的超前，然后用一阶卡尔曼滤波器对加速度差分值滤波，用估值补偿相位率估值的延时。这种方法兼顾滤除噪声和保留动态特性，计算量小，可以在高动态环境下获得高精度的相位变化率，相位变化率用于估计单位时间内的平均多普勒观测值以及多普勒的变化率，最终用于用户速度的测量。本方法也可以简单修改后用于平滑多普勒观测值，平滑多普勒观测值可以提高多普勒的精度、稳定性，并削弱其噪声，进而可以提高用户接收机的速度测量精度。本专利技术的技术方案如下：一种提高多普勒精度的方法，包括以下步骤：步骤1：信号捕获跟踪，跟踪环路解调出载波相位和瞬时多普勒观测量；步骤2：对跟踪环路给出的载波相位，运用平滑滤波去躁，提取高精度的多普勒观测值；步骤3：用高精度的多普勒值，进行用户速度测量计算。进一步而言，所述步骤2中还具体包括以下步骤：步骤201：用三阶卡尔曼滤波器获得相位率的最小方差估计；步骤202：用加速度估计值补偿滤波估计值的超前；步骤203：用一阶卡尔曼滤波器对加速度差分值滤波，用估值补偿相位率估值的延时。进一步而言，所述步骤201还包括：用三阶卡尔曼滤波器获得相位率的最小方差估计；即卡尔曼滤波，即用相位值作为观测量，相位、相位率、相位二阶变化率作为状态变量，估计状态变量的值；具体以公式(1)表示：进一步而言，所述步骤202还包括：用加速度估计值补偿滤波估计值的超前；即超时补偿；用相位二阶变化率乘以超前时间补偿相位率的估值；具体以公式(2)表示：进一步而言，所述步骤203还包括：用一阶卡尔曼滤波器对加速度差分值滤波，用估值补偿相位率估值的延时；即延时补偿，由于滤波器估值用到了旧的估值，相位率估值有时延；延时补偿的具体方法是，用相位二阶变化率的差值除以时间间隔作为观测量，用一阶卡尔曼滤波估计相位三阶变化率，再乘以时延，补偿相位率的延时，具体以公式(3)表示：上述公式(1)(2)(3)中的参数描述为：k：中断的次数，同时也是计算的迭代次数；θk：由跟踪环路直接给出的载波相位，每个中断取一次值；由卡尔曼滤波器预测的载波相位；由卡尔曼滤波器预测的状态量，包括相位、相位率和相位二次变化率；由卡尔曼滤波器估计的状态量；状态量的误差协方差的预测值；Pk：状态量的误差协方差的估计值；Φk：状态量的转移矩阵；Qk：系统噪声协方差矩阵；Rk：观测噪声协方差矩阵；Hk：卡尔曼滤波器的观测矩阵；Kk：卡尔曼滤波器的增益矩阵；I：单位矩阵；由卡尔曼滤波器估计的载波相位率；由卡尔曼滤波器估计的载波相位二次变化率；th：系统超前时间；一次补偿后的载波相位率；T：中断时间间隔；zk：载波相位三次变化率的观测值；P′k：第二个卡尔曼滤波器状态量的误差协方差的估计值；Q′k：第二个卡尔曼滤波器系统噪声协方差矩阵；R′k：第二个卡尔曼滤波器观测噪声协方差矩阵；K′k：第二个卡尔曼滤波器的增益矩阵；载波相位三次变化率的估计值。采用上述方案，利用卡尔曼滤波，超时补偿以及延时补偿等方法，有效地抑制了载波相位中的噪声，能很好地保持相位率的动态特性，计算量小，并且满足实时性。通过分析和仿真实验可知：该算法能提高接收机载波相位率的精度，对噪声有很好的抑制能力，为高精度速度测量提供精确的观测信息。只要对滤波器做少量改动，本方法也可以用于平滑多普勒观测值，同样可以在高动态条件下得到精确的速度估值。附图说明图1为本专利技术中相位处理方法示意图。图2为本专利技术仿真系统结构示意图。图3为本专利技术相位的三次变化率示意图。图4为本专利技术相位误差示意图。图5为本专利技术差分噪声示意图。图6为本专利技术一次滤波结果噪声示意图。图7为本专利技术修正后的残留噪声示意图。图8为本专利技术相位的三次变化率示意图。图9为本专利技术卡尔曼滤波器的相位率噪声示意图。具体实施方式为了便于理解本专利技术，下面结合附图和具体实施例，对本专利技术进行更详细的说明。但是，本专利技术可以采用许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种提高多普勒精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1：信号捕获跟踪，跟踪环路解调出载波相位和瞬时多普勒观测量；/n步骤2：对跟踪环路给出的载波相位，运用平滑滤波去躁，提取高精度的多普勒观测值；/n步骤3：用高精度的多普勒值，进行用户速度测量计算。/n

【技术特征摘要】
1.一种提高多普勒精度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：信号捕获跟踪，跟踪环路解调出载波相位和瞬时多普勒观测量；
步骤2：对跟踪环路给出的载波相位，运用平滑滤波去躁，提取高精度的多普勒观测值；
步骤3：用高精度的多普勒值，进行用户速度测量计算。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中还具体包括以下步骤：
步骤201：用三阶卡尔曼滤波器获得相位率的最小方差估计；
步骤202：用加速度估计值补偿滤波估计值的超前；
步骤203：用一阶卡尔曼滤波器对加速度差分值滤波，用估值补偿相位率估值的延时。


3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤201还包括：用三阶卡尔曼滤波器获得相位率的最小方差估计；即卡尔曼滤波，即用相位值作为观测量，相位、相位率、相位二阶变化率作为状态变量，估计状态变量的值；具体以公式(1)表示：





4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤202还包括：用加速度估计值补偿滤波估计值的超前；即超时补偿；用相位二阶变化率乘以超前时间补偿相位率的估值；具体以公式(2)表示：





5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤203还包括：用...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭敏强，关威，
申请(专利权)人：北京星地连信息科技有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11