一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法与系统技术方案

本发明专利技术提出一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法与系统，本发明专利技术涉及导航信号处理技术领域，该方法包括：导航信号建模，精确估计信号的初始值；将导航信号的基带信号和导航信号初始值的精确估计值输入到导航信号载波相位跟踪环路中；使用卡尔曼滤波估计得到的相位、多普勒对导航信号进行载波剥离，将每毫秒基带数据进行相关累加，得到相关累加值；对导航信号的相位和频率进行估计，更新卡尔曼滤波器的量测方程，用以完成下一个滤波历元内导航信号的相位和频率估计。通过本发明专利技术，可同时实现低信噪比高动态导航信号载波相位的稳健跟踪。踪。踪。

【技术实现步骤摘要】
一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法与系统


[0001]本专利技术属于导航信号处理
，尤其涉及一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法与系统。

技术介绍

[0002]伴随导通融合需求牵引，高中低轨融合导航系统的建设和发展，卫星导航信号体制必然会快速演进。基于GPU+CPU软件无线电的导航信号接收机硬件平台相对固定，软件采用开放式架构，非常适用于新体制导航信号接收开发验证、导航信号地面监测站等对功耗不敏感的场景。常规导航信号跟踪环路通常采用1ms的环路更新间隔，若GPU也采用相同更新间隔则计算效率相对较低。为提高GPU处理效率，环路更新间隔提升至100ms量级时，GPU并行计算效率大幅提升。
[0003]采用100ms甚至更长的环路更新间隔时，多普勒变化率会导致积分时间内输入信号与本地载波不匹配，造成较大损耗，导致传统跟踪环路出现较大误差甚至环路无法锁定。即使采用频率辅助等方式提高积分时间进而提升跟踪性能的方法，也很难适应高动态的场景。本专利技术提出了一种卡尔曼闭环跟踪的载波相位跟踪环路设计方法，实现了100ms量级的环路更新间隔，同时可实现对低信噪比高动态导航信号载波相位的稳健跟踪。

技术实现思路

[0004]为了解决现有技术中100ms环路更新间隔的损耗与误差、环路无法锁定、很难适应高动态场景的问题，本专利技术提供一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法与系统。
[0005]本专利技术第一方面公开了一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法；该方法包括：
[0006]将导航信号建模，获得导航信号的建模函数，根据该建模函数对导航信号进行初始值的精确估计，获得初始值的精确估计值；
[0007]将导航信号的基带信号和导航信号初始值的精确估计值输入到导航信号载波相位跟踪环路中；
[0008]在该载波相位跟踪环路的卡尔曼滤波器中，使用卡尔曼滤波估计得到的相位、多普勒、多普勒变化率、和/或多普勒二次变化率对导航信号进行载波/伪码的剥离，将剥离载波/伪码后的每毫秒基带数据在第一个滤波历元内进行相关累加，得到第一个滤波历元内的相关累加值；
[0009]根据该第一个滤波历元内的相关累加值，对导航信号的相位和频率进行估计，获得导航信号的相位和频率估计值，使用该相位和频率估计值更新卡尔曼滤波器的量测方程，用以依次完成下一个滤波历元内导航信号的相位和频率估计。
[0010]根据本专利技术第一方面的方法，在该卡尔曼滤波器中，该卡尔曼滤波的过程包括：构建卡尔曼滤波离散动态模型，建立卡尔曼滤波器的量测方程，完成卡尔曼滤波计算。
[0011]根据本专利技术第一方面的方法，该卡尔曼滤波离散动态模型为：
[0012]δX
k
＝Φ
·
δX
k
‑1+w
k
[0013]其中，k∈{1
……
K},k表示卡尔曼滤波器中第k个滤波历元，K表示卡尔曼滤波器中的滤波历元总数，X
k
表示第k个滤波历元的导航信号的相位和多普勒，X
k
‑1表示第k
‑
1个滤波历元的导航信号的相位和多普勒，δ表示向量的误差状态，w
k
为第k个滤波历元的噪声，Φ为信号载波状态转移矩阵。
[0014]根据本专利技术第一方面的方法，该卡尔曼滤波器的量测方程为：
[0015]Y
k
＝H
k
·
δX
k
+v
k
[0016]其中Y
k
为观测量，Y
k
包括开环估计得到的当前更新间隔中间时刻的信号残余载波相位和残余多普勒；H
k
为测量矩阵；v
k
为观测量噪声。
[0017]根据本专利技术第一方面的方法，其中分别为第k个滤波历元的导航信号载波相位、多普勒频率、多普勒频率变化率、多普勒频率二次变化率。
[0018]根据本专利技术第一方面的方法，在该卡尔曼滤波器中，完成卡尔曼滤波的计算包括状态向量预测、先验协方差矩阵计算、Kalman增益计算、状态向量修正以及后验协方差矩阵计算。
[0019]根据本专利技术第一方面的方法，信号载波状态转移矩阵Φ如下：
[0020][0021]本专利技术第二方面公开了一种长更新导航信号载波相位环路跟踪系统；该系统包括：
[0022]第一处理模块，被配置为，将导航信号建模，获得导航信号的建模函数，根据该建模函数对导航信号进行初始值的精确估计，获得初始值的精确估计值；
[0023]第二处理模块，被配置为，将导航信号的基带信号和导航信号初始值的精确估计值输入到导航信号载波相位跟踪环路中；
[0024]第三处理模块，被配置为，该载波相位跟踪环路的卡尔曼滤波器中，使用卡尔曼滤波估计得到的相位、多普勒、多普勒变化率、和/或多普勒二次变化率对导航信号进行载波/伪码的剥离，将剥离载波/伪码后的每毫秒基带数据在第一个滤波历元内进行相关累加，得到第一个滤波历元内的相关累加值；
[0025]第四处理模块，被配置为，根据该第一个滤波历元内的相关累加值，对导航信号的相位和频率进行估计，获得导航信号的相位和频率估计值，使用该相位和频率估计值更新卡尔曼滤波器的量测方程，用以依次完成下一个滤波历元内导航信号的相位和频率估计。
[0026]根据本专利技术第二方面的系统，用于实现本公开第一方面中任一项的一种方法中的步骤。
[0027]本专利技术第三方面公开了一种电子设备。电子设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，处理器执行计算机程序时，实现本公开第一方面中任一项的一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法中的步骤。
[0028]本专利技术第四方面公开了一种计算机可读存储介质。计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，实现本公开第一方面中任一项的一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法中的步骤。
[0029]综上，本专利技术提出的方案具备如下技术效果：提出了一种卡尔曼闭环跟踪的载波相位跟踪环路设计方法，通过在导航信号载波相位跟踪环路中，获得导航信号的基带信号与导航信号初始值的精确估计值之间的差，进而通过构建的卡尔曼滤波，利用相位跟踪环的相位跟踪功能，实现了100ms量级的环路更新间隔，同时可实现对低信噪比高动态导航信号载波相位的稳健跟踪。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]图1为根据本专利技术实施例的一种基长更新导航信号载波相位环路跟踪方法的流程图；
[0032]图2为根据本专利技术实施例的一种长更新导航信号载波相位环路跟踪系统的结构图；
[0033]图3为根据本专利技术实施例的一种电子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法，其特征在于，所述方法包括：对所述导航信号进行建模，获得所述导航信号的建模函数，根据所述建模函数对导航信号进行初始值的精确估计，获得初始值的精确估计值；将导航信号的基带信号和导航信号初始值的精确估计值输入到导航信号载波相位跟踪环路中；在所述导航信号载波相位跟踪环路的卡尔曼滤波器中，使用通过卡尔曼滤波估计得到的相位、多普勒、多普勒变化率、和/或多普勒二次变化率，对所述导航信号进行载波/伪码的剥离，将剥离所述载波/伪码后的每毫秒基带数据在第一个滤波历元内进行相关累加，得到所述第一个滤波历元内的相关累加值；根据所述第一个滤波历元内的相关累加值，对所述导航信号的相位和频率进行估计，获得所述导航信号的相位和频率估计值，使用所述相位和频率估计值更新所述卡尔曼滤波器的量测方程，用以依次完成下一个滤波历元内导航信号的相位和频率估计。2.根据权利要求1所述的一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法，其特征在于，在所述卡尔曼滤波器中，卡尔曼滤波的过程包括：构建卡尔曼滤波离散动态模型，建立卡尔曼滤波器的量测方程，完成卡尔曼滤波计算。3.根据权利要求2所述的一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波离散动态模型为：δX
k
＝Φ
·
δX
k
‑1+w
k
其中，k∈{1
……
K},k表示卡尔曼滤波器中第k个滤波历元，K表示卡尔曼滤波器中的滤波历元总数，X
k
表示第k个滤波历元的导航信号的相位和多普勒，X
k
‑1表示第k
‑
1个滤波历元的导航信号的相位和多普勒，δ表示向量的误差状态，w
k
为第k个滤波历元的噪声，Φ为信号载波状态转移矩阵。4.根据权利要求3所述的一种长更新导航信号载波相位环路跟踪方法，其特征在于，所述卡尔曼滤波器的量测方程为：Y
k
＝H
k
·
δX
k
+v
k
其中Y
k
为观测量，Y
k
包括开环估计得到的当前更新间隔中间时刻的信号残余载波相位和残余多普勒；H
k

【专利技术属性】
技术研发人员：肖志斌，王鹏，郑宇，余意，邱杨，桂刚铁，程乾，王晓琴，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：