一种自适应载波参数闭环迭代估计方法技术

本发明专利技术公开了一种自适应载波参数闭环迭代估计方法，应用于全球卫星导航系统中载波多普勒频率和载波相位的估计。首先设置本地载波参数初值，包括多普勒频移初值和载波相位初值；然后生成本地载波信号，并对本地载波信号与接收到的卫星信号进行相干积分和非相干积分，结果作为代价函数；调整本地载波多普勒频移的取值，直到代价函数达到最大；计算载波相位并利用此时的载波参数计算下一数据处理周期的载波参数初值；重复上述过程直到所有采样数据处理完毕。其中调整本地载波多普勒频移的取值采用阻尼系数和信任域进行计算并实现自适应切换。本方法收敛速度快，可实施性强，还可以根据不同实验环境自适应调节，以提高载波参数估计精度和速度。

A closed-loop iterative estimation method of adaptive carrier parameters

【技术实现步骤摘要】
一种自适应载波参数闭环迭代估计方法
本专利技术属于无线通信
，特别涉及一种自适应载波参数闭环迭代估计方法。
技术介绍
在卫星导航接收机的设计当中，载波跟踪环路与伪随机码跟踪环路往往采用标量跟踪的形式，最为常见的包括锁频环(FrequencyLockedLoop,FLL)、锁相环(PhaseLockedLoop,PLL)和延迟锁定环路(DelayedLockLoop,DLL)。这种基于控制理论的闭环控制环路注重单维参数的测量与控制，在高动态、强干扰、微弱信号、多径效应等应用环境下极为脆弱，容易使得载波参数和伪随机码参数的估计精度下降，甚至出现对卫星信号失去锁定从而无法有效定位。为解决上述问题，研究者们提出了基于最优估计理论和基于外界信息辅助的环路设计方法。前者包括基于卡尔曼滤波、最大似然估计的环路设计与矢量跟踪等，而后者的典型代表包括利用惯性导航系统提供的辅助信息进行载波参数与伪随机码参数的估计。基于外界信息辅助的方法增加了系统结构与算法的复杂度，提高了系统成本，因而限制了其应用范围。基于最优估计理论的环路设计方法往往无法解析求得精确数值解，需要通过迭代来获取所需参数的近似解，这其中存在着迭代次数过多、收敛时间过长的问题。由于迭代速度和精度严重依赖于初始值的设置，因此在应用环境剧烈变化时，开环设计方法由于缺少对初始值的修正，会有减缓收敛速度以及陷入局部最优解的风险。
技术实现思路
专利技术目的：针对上述缺陷，本专利技术提供一种自适应载波参数闭环迭代估计方法，能够根据当前状态自适应地调整迭代策略以提高收敛速度。同时该方法采用闭环反馈的形式，利用当前时间的载波参数估计结果，来调整下一数据处理时间内迭代所需的初始值。该方法对环境的适应能力强，迭代收敛速度快，降低获得局部最优解的可能。本专利技术解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种自适应载波参数闭环迭代估计方法，包括如下步骤：(1)一个数据处理周期开始，设置本地载波参数初值，包括多普勒频移初值和载波相位初值；(2)生成本地载波信号，在一个数据处理周期内，本地载波信号与接收到的卫星信号进行相干积分和非相干积分，结果作为代价函数；(3)调整本地载波多普勒频移的取值，重复步骤(2)，直到代价函数达到最大；(4)计算载波相位；(5)利用此时的载波参数，包括多普勒频移和载波相位，计算下一数据处理周期的载波参数初值，重复步骤(1)到步骤(5)，直到所有采样数据处理完毕。步骤(2)中，生成本地载波信号包括同相载波信号和正交载波信号：I＝cos(2πkT(fIF+fd)+θ)Q＝sin(2πkT(fIF+fd)+θ)其中I为同相载波信号，Q为正交载波信号，T为采样时间间隔，k代表第k个采样点，fIF为载波中频频率，fd为多普勒频移，θ为载波相位。步骤(2)中，所述代价函数为其中，N代表一个采样周期内的采样点个数，r代表实际接收到的卫星信号。步骤(3)中，所述调整本地载波多普勒频移的取值，包括如下步骤：(3.1)判断L(fd)是否为最大值，如果是则跳过步骤(3)；(3.2)调整多普勒频移，利用阻尼系数μ得到新的多普勒频移fd_new，如果连续三次满足L(fd)＜L(fd_new)，则改用信任域Δ计算新的多普勒频移fd_new；(3.3)如果L(fd)＜L(fd_new)，将多普勒频移fd替换为fd_new，调整阻尼系数μ或信任域Δ，转步骤(3.1)；否则调整阻尼系数μ或信任域Δ，转步骤(3.2)。步骤(3.2)中，所述利用阻尼系数μ得到新的多普勒频移fd_new，具体为其中J(fd)和F(fd)满足下式步骤(3.2)中所述使用信任域Δ计算新的多普勒频移fd_new，包含如下判别条件：如果则否则其中B(fd)为近似Hessian矩阵，||||代表2范数。步骤(3.2)中所述使用信任域Δ计算新的多普勒频移fd_new，当满足||J(fd_new)TF(fd_new)||∞≥||J(fd)TF(fd)||∞时，改用阻尼系数μ计算新的多普勒频移fd_new。其中||||∞代表无穷范数。步骤(5)中，所述计算下一数据处理周期的载波参数初值，满足和其中i+1、i和i-1分别代表第i+1、i和i-1个数据处理周期。与现有技术相比，本专利技术的优点在于通过闭环反馈的方式，利用上一数据处理周期所得到的载波多普勒频移和载波相位对下一周期的迭代初值进行估计，从而减少迭代所需的时间，并避免落入其他局部最优点，提高对环境变化的适应能力。同时在迭代的过程中，根据当前收敛情况能够实时自适应地调整载波多普勒频移参数设置，在线性收敛和超线性收敛间进行切换，以在收敛速度和收敛精度之间达到较好的平衡。附图说明图1为本专利技术实施例的方法流程图。图2为调整本地多普勒频移的方法流程图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐明本专利技术，应理解这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围，在阅读了本专利技术之后，本领域技术人员对本专利技术的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本专利技术的主要思路如下：构造由本地信号与实际接收到的卫星信号所组成的代价函数，该函数达到最大时表示本地信号与实际接收信号最为接近，因此本地信号的各项参数即为实际信号各项参数的估计。当使用寻优算法寻找代价函数的最大值时，初始值的设置会影响寻优速度与精度，当卫星接收机使用环境因高动态、强干扰、微弱信号和动态多径等因素剧烈变化时，初始值的设置对不同采样时间内的参数估计尤为重要。本方法利用之前数据处理时间内的参数估计来预测当前数据处理时间内参数寻优所需的初始值，以提高对环境的适应能力。同时利用阻尼系数和信任域对寻优算法收敛速度即精度的影响，根据当前寻优迭代情况，通过两者之间实现自适应切换并调整阻尼系数与信任域的大小，以达到平衡速度与精度的目的。如图1所示，本专利技术实施例公开的一种自适应载波参数闭环迭代估计方法，主要包括以下步骤：S1：一个数据处理周期开始，设置本地载波参数初值，包括多普勒频移初值和载波相位初值。数据处理周期应当与相干积分时间一致，为伪随机码周期的整数倍。载波相位初始值设置为0，多普勒频移初始值设置为信号捕获所估计的多普勒频移值；S2：生成本地同相和正交载波信号，对应公式为I＝cos(2πkT(fIF+fd)+θ)Q＝sin(2πkT(fIF+fd)+θ)其中I为同相载波信号，Q为正交载波信号，T为采样时间间隔，k代表第k个采样点，fIF为载波中频频率，fd为多普勒频移，θ为载波相位。在一个数据处理周期内，本地载波信号与接收到的卫星信号进行相干积分和非相干积分，结果作为代价函数，可以表示为其中，N代表一个采样周期内的采样点个数，r代表实际接收到的卫星信号。S3：调整本地载波多普勒频移的取值，重复步骤(2)，直到代价本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自适应载波参数闭环迭代估计方法，其特征在于，包括如下步骤：/n(1)一个数据处理周期开始，设置本地载波参数初值，包括多普勒频移初值和载波相位初值；/n(2)生成本地载波信号，在一个数据处理周期内，本地载波信号与接收到的卫星信号进行相干积分和非相干积分，结果作为代价函数；/n(3)调整本地载波多普勒频移的取值，重复步骤(2)，直到代价函数达到最大；/n(4)计算载波相位；/n(5)利用此时的载波参数，包括多普勒频移和载波相位，计算下一数据处理周期的载波参数初值，重复步骤(1)到步骤(5)，直到所有采样数据处理完毕。/n

【技术特征摘要】
1.一种自适应载波参数闭环迭代估计方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)一个数据处理周期开始，设置本地载波参数初值，包括多普勒频移初值和载波相位初值；
(2)生成本地载波信号，在一个数据处理周期内，本地载波信号与接收到的卫星信号进行相干积分和非相干积分，结果作为代价函数；
(3)调整本地载波多普勒频移的取值，重复步骤(2)，直到代价函数达到最大；
(4)计算载波相位；
(5)利用此时的载波参数，包括多普勒频移和载波相位，计算下一数据处理周期的载波参数初值，重复步骤(1)到步骤(5)，直到所有采样数据处理完毕。


2.根据权利要求1所述的一种自适应载波参数闭环迭代估计方法，其特征在于，步骤(2)中，生成本地载波信号包括同相载波信号和正交载波信号：
I＝cos(2πkT(fIF+fd)+θ)
Q＝sin(2πkT(fIF+fd)+θ)
其中I为同相载波信号，Q为正交载波信号，T为采样时间间隔，k代表第k个采样点，fIF为载波中频频率，fd为多普勒频移，θ为载波相位。


3.根据权利要求1所述的一种自适应载波参数闭环迭代估计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述代价函数为



其中，N代表一个采样周期内的采样点个数，r代表实际接收到的卫星信号。


4.根据权利要求1所述的一种自适应载波参数闭环迭代估计方法，其特征在于，步骤(3)中，所述调整本地载波多普勒频移的取值，包括如下步骤：
(3.1)判断L(fd)是否为最大值，如果是则跳过步骤(3)；
(3.2)调...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈熙源，闫晣，汤新华，柳笛，祝雪芬，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32