一种基于低阶EKF的北斗B1C信号联合跟踪环路的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于低阶EKF的北斗B1C信号联合跟踪环路的方法，来自北斗B1C信号接收机天线的数字中频信号经过捕获得到卫星捕获的伪随机码编号、码相位及多普勒频率初值，利用捕获结果，生成本地载波信号，与中频信号进行混频，形成I、Q两路，剥离输入信号中的载波多普勒频率，形成基带信号；同时基于B1C信号特点，分别生成数据和导频通道的超前、即时和滞后本地码，与I/Q路的混频信号进行相关运算，在跟踪模块中分别生成12路相关值，再合成6路相关值；将其作为观测量输入至EKF模块中，经过循环迭代得到载波环和码环的跟踪误差，经多普勒频率修正后，利用EKF的最优滤波特性得到一个小的跟踪误差，实现对B1C信号的精确和稳定跟踪。踪。踪。

【技术实现步骤摘要】
一种基于低阶EKF的北斗B1C信号联合跟踪环路的方法


[0001]本专利技术属于北斗B1C基带信号定位导航与控制
，特别涉及一种基于低阶EKF的北斗B1C信号联合跟踪环路的方法。

技术介绍

[0002]随着军用和民用领域对导航应用需求的不断提升，同时摆脱对GPS的依赖，中国开始研究北斗卫星导航系统。截止到2020年，北斗三号全球卫星导航系统已全面建成，其中新增了B1C信号。B1C信号的载波频点为1575.42MHz，与GPS的新体制L1C信号相同，是卫星导航系统现代化升级的产物。由于B1C信号目前的跟踪环路的研究基础比较薄弱，同时需要考虑到接收机成本等问题。因此，针对低成本的B1C信号跟踪环路优化的研究成为卫星导航领域卫星软件接收机重要的一部分，对北斗三号接收机有重要的工程意义。
[0003]北斗B1C信号是导航系统现代化的信号之一，其信号由数据信号和导频信号组成。其中数据信号采用正弦BOC(1,1)调制，主要用于传输电文，导频信号采用QMBOC(6,1,4/33)的调制方式，主要用于实现信号的跟踪，其中QMBOC(6,1,4/33)由正弦BOC(1,1)和正弦BOC(6,1)进行复合而形成的。正弦BOC(1,1)信号对应着窄带信号，而正弦BOC(6,1)则对应着宽带信号，因此当接收机的前端带宽较小，即采用低成本接收机时，BOC(6,1)无法接收到。同时由于B1C信号的载波频点为1575.42MHz，与GPS L1C信号相同，因此也可以使用接收L1C信号的中频前端对B1C信号进行采集。因此，设计一种低成本的针对B1C信号跟踪环路的改进技术，对实际应用有很大的价值。
[0004]目前针对BDS
‑
3B1C信号的跟踪环路有许多优化改进算法，但是其大多包含B1C信号的高频部分，计算较复杂或使用成本较高。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供一种基于低阶EKF的北斗B1C信号联合跟踪环路的方法，在接收机跟踪环节降低对B1C信号跟踪环节误差，进而改进定位误差，其在低成本的基础上能够有效地实现精度的提高，为北斗B1C信号软件接收机的跟踪环路设计提供了一种方案，具有实际工程意义。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0007]一种基于低阶EKF的北斗B1C信号联合跟踪环路的方法，包括数据/导频通道相关值生成模块、数据/导频通道相关值联合模块和低阶动态EKF模块，
[0008]所述数据/导频通道相关值生成模块中，捕获得到的初始多普勒频率和码相位经过载波、伪码生成器后与中频信号进行混频运算，然后积分累加获取数据/导频通道相关值；
[0009]所述数据/导频通道相关值联合模块，判断数据/导频通道相关值IP符号是否相同，当符号相同时，进行相加，当符号不同时，进行相减，获取合成后的数据/导频通道相关值，
[0010]所述低阶动态EKF模块将合成的相关值读取为EKF的观测值，读取预设的EKF状态量参数，通过EKF得出系统最后估值，得到的载波相位误差与码相位误差经多普勒频率修正后，回馈至相关值生成模块的载波、伪码生成器。
[0011]进一步的，所述数据/导频通道相关值生成模块，
[0012]利用读取的跟踪参数及PRN信息，生成本地载波信号，与中频信号进行混频，形成I、Q两路，其中：I为In
‑
phase，指代同相，Q为Quadra
‑
phase，指代正交相，剥离输入信号中的载波多普勒频率，形成基带信号；同时基于B1C信号特点，分别生成数据和导频通道的超前、即时和滞后本地码，与I、Q路的混频信号进行相关运算，和积分累加，生成数据与导频信号的12路相关值I
Ed
、I
Pd
、I
Ld
、Q
Ed
、Q
Pd
、Q
Ld
、I
Ep
、I
Pp
、I
Lp
、Q
Ep
、Q
Pp
、Q
Lp
，其中：I
Ed
为数据频同相超前支路相关值、I
Pd
为数据频同相即时支路相关值、I
Ld
为数据频同相滞后时支路相关值、Q
Ed
为数据频正交超前支路相关值、Q
Pd
数据频正交即时支路相关值、Q
Ld
数据频正交滞后支路相关值、I
Ep
导频同相超前支路相关值、I
Pp
导频同相即时支路相关值、I
Lp
导频同相滞后支路相关值、Q
Ep
导频正交超前支路相关值、Q
Pp
为导频正交相即时支路相关值、Q
Lp
为导频正交相滞后支路相关值。
[0013]进一步的，所述数据/导频通道相关值联合模块，
[0014]在获取数据分量和导频分量的共12路相关值后，对相关值进行加权联合，形成合成相关值，为后续的EKF观测量进行降阶处理；
[0015]相关值联合时，B1C信号中的窄带BOC(1,1)信号在B1C信号的功率占比为数据分量1/4，导频分量29/44，因此数据分量加权系数α如下：
[0016][0017]此外，当数据和导频分量进行相关运算时，存在相位翻转的情况，因此得到的相关值会出现符号相反的情况，此时若直接进行相加，则会出现相互抵消的情况，造成合成的相关值减小，从而导致无法跟踪的错误。此时需要对其增加判断条件，对生成的相关值按条件进行联合：以数据分量为基准，若导频与数据分量即时支路的相关值符号相反，则减去导频分量的值；若导频与数据分量即时支路的相关值符号相同，则加上导频分量的值；
[0018]合成6路相关值I
E
、I
P
、I
L
、Q
E
、Q
P
、Q
L
的公式如下，
[0019][0020][0021][0022][0023][0024][0025]其中：sign()为符号判断函数，I
E
为合成的同相超前支路相关值、I
P
为合成的同相即时支路相关值、I
L
为合成的同相滞后支路相关值、Q
E
为合成的正交相超前支路相关值、Q
P
为合成的正交相即时支路相关值、Q
L
为合成的正交相滞后支路相关值。
[0026]进一步的，所述低阶动态EKF模块，
[0027]获取合成的相关值后，由于传统跟踪环路中的鉴相器等环节会带来较大的跟踪误差，因此选用EKF对跟踪误差、多普勒和码延时参数进行滤波修正；将合成后的相关值其作为观测量输入EKF模块中，同时选取载波相位误差、多普勒频率误差、多普勒频率变化误差、码延时误差四项作为状态量：
[0028]系统状态方程：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于低阶EKF的北斗B1C信号联合跟踪环路的方法，其特征在于，包括数据/导频通道相关值生成模块、数据/导频通道相关值联合模块和低阶动态EKF模块，所述数据/导频通道相关值生成模块中，捕获得到的初始多普勒频率和码相位经过载波、伪码生成器后与中频信号进行混频运算，然后积分累加获取数据/导频通道相关值；所述数据/导频通道相关值联合模块，判断数据/导频通道相关值IP符号是否相同，当符号相同时，进行相加，当符号不同时，进行相减，获取合成后的数据/导频通道相关值，所述低阶动态EKF模块将合成的相关值读取为EKF的观测值，读取预设的EKF状态量参数，通过EKF得出系统最后估值，得到的载波相位误差与码相位误差经多普勒频率修正后，回馈至相关值生成模块的载波、伪码生成器；所述低阶动态EKF模块，获取合成的相关值后，选用EKF对跟踪误差、多普勒和码延时参数进行滤波修正；将合成后的相关值作为观测量输入EKF模块中，同时选取载波相位误差、多普勒频率误差、多普勒频率变化误差、码延时误差四项作为状态量；系统状态方程：EKF的系统状态预测方程如下：其中：为k时刻状态估计值，为k
‑
1时刻状态估计值，为k～k
‑
1时刻系统方程的状态转移矩阵，B
k
‑1为控制量系数矩阵，u
k
‑1为控制量，w
k
‑1为系统零均值高斯白噪声矩阵，其中系统状态量x选取如下：其中：为载波相位误差、δf为多普勒频率误差、δa为多普勒频率变化误差、δτ为码延时误差，其均为小量，T为矩阵转置符号；利用基准码频率和载波频率的固定关系，使用载波频率代替码延时变化误差来辅助码延时；单位时间t内，系统状态预测方程的动态模型为：其中：系数矩阵其符合：E(w
k
)＝0其中：E(
·
)为数学期望函数，为k时刻系统零均值高斯白噪声矩阵w
k
的转置，Q
k
为系
统噪声方差矩阵；量测方程：EKF的量测方程代表了选取的状态量到观测量之间的转换，表达式如下：其中：为观测量估计值，h
k
为系数转换矩阵，x
k
为系统状态量，v
k
为观测噪声矩阵，其为服从高斯分布的零均值白噪声序列；观测量Z
k
选取如下：Z
k
＝[I
E I
P I
L Q
E Q
P Q
L
]
T
；其中：I
E
为合成的同相超前支路相关值、I
P
为合成的同相即时支路相关值、I
L
为合成的同相滞后支路相关值、Q
E
为合成的正交相超前支路相关值、Q
P
为合成的正交相即时支路相关值、Q
L
为合成的正交相滞后支路相关值，；由于涉及到的状态量和观测量之间为非线性关系，所以观测方程中的转换矩阵h
k
需要进行线性化处理，选择使用泰勒展开求近似，取其一阶项，形成雅克比矩阵，其具体处理过程如下：程如下：其中：H
k
为转换矩阵h
k
相对于状态量x
k
的一阶雅克比矩阵，f
IE
、a
IE
、τ
IE
分别为同相超前支路对应的载波相位误差、多普勒频率误差、多普勒频率变化误差和码延时误差，f
IP
、a
IP
、τ
IP
分别为同相即时支路对应的载波相位误差、多普勒频率误差、多普勒频率变化误差和码延时误差，f
QL
、a
QL
、τ
QL
分别为正交相滞后支路对应的载波相位误差、多普勒频率误差、多普勒频率变化误差和码延时误差，A为信号幅值，R(
·
)为B1C信号自相关函数，sinθ、cosθ分别为环路载波相位θ的正弦和余弦函数，π为圆周率，为自相关函数导数；观测噪声方差矩阵：
其中：为观测噪声矩阵v
k
的转置矩阵，r为噪声系数，d为相关器间隔；系统噪声方差阵Q和观测噪声方差阵M的取值直接影响到EKF的稳定性和估计精度，若状态量模型更为接近真实值，则减小Q，增大M；若观测量模型更为接近真实值，则增大Q，减小M，以达到EKF最优估值性能。2.根据权利要求1所述的基于低阶EKF的北斗B1C信号联合跟踪环路的方法，其特征在于，所述数据/导频通道相关值生成模块，利用读取的跟踪参数及PRN信息，生成本...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈佳林，许睿，黄映杰，曾庆化，熊智，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：