[发明专利]一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及基于非线性滤波的卫星导航接收机跟踪环路失锁检测方法，其应用范围主要为基于软件接收机的卫星信号跟踪环路。

背景技术

近年以来，卫星导航定位系统得到越来越广泛的应用，在高精度、实时性、全天候等方面取得了长足进步。通用卫星导航接收机已经可以输出较准确的位置、速度和时间信息，从而满足常规情况下的定位、导航和授时需求。然而，一些复杂环境和特殊载体应用场景要求接收机同时具备高灵敏度、高动态性和高抗干扰等性能，从而对接收机的信号处理能力尤其是信号跟踪能力提出了新的要求。

普通的卫星信号跟踪环路由鉴别器和二阶或者三阶环路滤波器构成，通过数字振荡器控制本地通过数字振荡器控制本地估计信号来实现对输入中频数字信号的参数稳定估计，其缺点是无法兼顾灵敏度、动态性和抗干扰性；非线性滤波(包括但不限于扩展卡尔曼滤波和无味卡尔曼滤波)具有时间递推特性和良好的估计能力，可以同时将载波跟踪和码环路跟踪融合在一个滤波器当中，能同时估计码相位、多普勒频率、多普勒频率变化率、信号幅度和载波相位等状态信息，有效解决跟踪环路非线性动态变化所产生的问题，在低信噪比、高动态和存在干扰情况下仍具有较好的跟踪特性和跟踪精度，因此能够满足卫星导航接收机在复杂环境下的多元化需求。

衡量卫星信号跟踪环路的一个重要指标是环路是否稳定，即输出的状态估计量在误差允许范围之内，而通常把误差超出允许范围的现象称之为“失锁”，或一种故障。在普通卫星信号跟踪环路中失锁检测常由锁定检测器来完成，但这种方法并不适用于非线性滤波跟踪环路。针对非线性滤波器本身的故障检测方法已具有一定的研究历史，早在20世纪70年代，Mehra R.K(Mehra R.K，Peschen.J.An Innovation Approach to Fault Detection and Diagnosis in Dynamic System[J].Automatica 1971(7)：637-640)就提出了基于滤波残差的检测机制，此后Brumback B.D(Brumback.B.D，Srinath.M.D.AChi-square Test for Fault-Detection in Kalman Filter[J].IEEE Trans.on Automatic Control Vol.AC-32.1987：552-554)在此基础上又提出了基于滤波状态的检测机制，这些检测方法大都被应用在组合导航的信息融合容错性检测方面，而在卫星导航接收机跟踪环路的失锁检测领域从未被涉及，因此找到一种合适失锁检测方法已成为非线性滤波跟踪环路研制的关键问题。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法，该方法利用环路输入观测量的新息的统计特性构造故障检测量，作为跟踪环路是否失锁的判断依据，能够及时发现非线性滤波跟踪环路的突变故障，从而提高了非线性滤波跟踪环路的容错性和鲁棒性。

本发明的技术解决方案：一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法，在基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路中，利用环路输入观测量的新息的统计特性构造故障检测量，作为跟踪环路是否失锁的判断依据，通过恒虚警准则设定门限作为检测量比较的标准，当检测量大于门限认为该卫星导航跟踪环路将发生失锁，此时需要重置滤波器从而避免环路失锁造成状态量发散。上述检测方法以固定周期重复，包括以下步骤：

(1)确定卫星导航跟踪环路的状态量矩阵和观测量矩阵，其中所确定的状态量矩阵xk为待跟踪卫尾信号的参数，包括码相位、多普勒频率、多普勒频率变化率、载波相位和载波幅度；所确定的观测量矩阵包括卫星信号和本地复现信号早码、及时码和晚码的相关结果；

(2)建立以步骤(1)中状态量矩阵和观测量矩阵为未知量的状态方程x_k+1＝f(x_k)和观测方程z_k＝h(x_k)；其中状态方程和观测方程均为状态量矩阵的函数；

(3)建立卫星导航跟踪环路，该跟踪环路由一个非线性滤波器所构成，非线性滤波器的输入为步骤(1)所确定的观测量矩阵，非线性滤波器输出为和步骤(1)所确定的状态量矩阵相对应的估计值，并在步骤(2)所建立的状态方程和观测方程基础上构建滤波方程，滤波方程的目的是产生当前时刻的状态量估计更新值及估计误差协方差矩阵和下一时刻状态量估计的递推值及递推误差协方差矩阵，其中状态量估计更新值包含有观测量的信息，而递推值不包含观测量的信息；