[发明专利]一种稳健无偏的导航信号矢量跟踪方法

权利要求书

1.一种稳健无偏的导航信号矢量跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤101，获取导航信号的数字中频信号S_r(t)；

步骤102，接收机中包括N条信号跟踪通道，N等于进入稳健矢量跟踪环路中的卫星数，一个信号跟踪通道跟踪一颗卫星的一个频点；每条信号跟踪通道包括一个数字控制振荡器、一个相关器和一个鉴别器，数字中频信号S_r(t)和数字控制振荡器生成的本地复制信号为信号跟踪通道中相关器的输入信号，相关器对各输入信号进行相干积分处理，得到各输入信号对应的相关值，相关值输入鉴别器，鉴别器将各通道的鉴别误差结果输出给稳健矢量跟踪环路；步骤102采用如下步骤实现：

步骤201：信号跟踪通道中的数字控制振荡器，用来生成本地复制信号，本体复制信号的载波频率和伪码频率通过数字控制振荡器中的频率控制字控制，以保证本地复制信号和接收的导航信号间的同步；

步骤202：本地复制信号包括由同相支路(I)和正交支路(Q)的载波信号和超前支路(E),准时支路(P)，滞后支路(L)三路不同码相位的伪码信号合成的六路信号，分别为同相超前支路S_IE(t),正交超前支路S_QE(t),同相准时支路S_IP(t),正交准时支路S_QP(t),同相滞后支路S_IL(t),正交滞后支路S_QL(t)信号；

步骤203：相关器完成上述六路本地复制信号和接收的数字中频信号S_r(t)的相干积分处理，得到一组相干积分结果，分别为同相超前相干积分结果C_IE,正交超前相干积分结果C_QE,同相准时相干积分结果C_IP1、C_IP2,正交准时相干积分结果C_QP1、C_QP2,同相滞后相干积分结果C_IL,正交滞后相干积分结果C_QL；它们的计算方法如下所示：

CIE=∫0TcohSIE(t)·Sr(t)dt]]>

CQE=∫0TcohSQE(t)·Sr(t)dt]]>

CIL=∫0TcohSIL(t)·Sr(t)dt]]>

CQL=∫0TcohSQL(t)·Sr(t)dt]]>

CIP1=∫0Tcoh/2SIP(t)·Sr(t)dt]]>

CIP2=∫Tcoh/2TcohSIP(t)·Sr(t)dt]]>

CQP1=∫0Tcoh/2SQP(t)·Sr(t)dt]]>

CQP2=∫Tcoh/2TcohSQP(t)·Sr(t)dt]]>

其中T_coh为信号相干积分时间；

步骤204：鉴别器包括鉴频器和码鉴相器，其中鉴频器用来估计本地复制信号和接收的数字中频信号S_r(t)间的载波频率误差ε_f，其输入为C_IP1、C_IP2、C_QP1和C_QP2，码鉴相器用来估计本地复制信号和接收的数字中频信号S_r(t)间的伪码相位误差ε_ρ，其输入为C_IE,C_QE,C_IL和C_QL；ε_f和ε_ρ估计方法如下：

ϵρ=12·CIE2+CQE2-CIL2+CQL2CIE2+CQE2+CIL2+CQL2]]>

ϵf=atan2(CIP1·CIP2+CQP1·CQP2,CIP1·CQP2-CIP2·CQP1)Tcoh/2.]]>

步骤103，将步骤102得到的鉴别误差结果输入到稳健矢量跟踪环路，稳健矢量跟踪环路由步骤102给出的鉴别误差结果以及当前时刻接收机运动状态参数和卫星运动参数，生成各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字，各条信号跟踪通道中的本地复制信号的载波频率和伪码频率通过各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字控制，其中当前接收机的运动状态参数由接收机实时解算得到，卫星运动参数从卫星星历中提取获得；步骤103采用如下步骤实现：

步骤301，根据接收机运动状态参数和卫星运动状态参数求解当前时刻各个信号跟踪通道数字控制振荡器中的频率控制字调整增量的预测结果，方法如下：

设接收机运动状态参数为其中为k时刻接收机在地心地固坐标系下的三维位置和钟差(相对于卫星钟),下标k代表时刻k，上标r代表接收机；为接收机的三维速度和钟漂(相对于卫星钟)；类似的，第i颗卫星的运动状态参数表示为其中上标i表示第i颗卫星，i＝1,2,…N；

对于第i颗卫星，根据接收机中的伪距方程和多普勒方程可以得到前后历元间的差分方程，如下所示

ΔYki=Hki·ΔXkr-Hki·ΔXki]]>

算子Δ()_k表示某变量在k+1和k时刻的差值；表示接收机前后两时刻的状态参数的差；表示k+1时刻和k时刻卫星i的运动状态参数的差，该参数可以星历中获得；为k时刻和k+1卫星i到接收机的伪距差，为k时刻和k+1卫星i到接收机的多普勒差值；N为进入矢量跟踪环路中的卫星数，为已知参数；为k时刻第i可卫星的观测矩阵或几何转换矩阵，为

Hki=-αki0-βki0-γki0100-αki0-βki0-γki012×8]]>

其中分别定义如下

αki=(xki-xkr)/Rkiβki=(yki-ykr)/Rkiγki=(zki-zkr)/Rki]]>

为接收机和第i卫星的几何距离，具体为：

Rki=(xki-xkr)2+(yki-ykr)2+(zki-zkr)2]]>

将上述第i颗卫星扩展到所有卫星，并联立可以得到如下表达式

ΔYk=Hk·ΔXkr-Zks]]>

其中为k时刻所有卫星的观测量增量的矢量形式，为所有卫星的观测矩阵，为所有卫星的运行状态参数的增量按观测矩阵投影的大小，N为卫星数，上标1,2,…N分别表示卫星的序号；

在差分方程中，H_k和均是已知量，而需要知道k+1时刻的接收机运动状态参数，在k时刻获得k+1时刻的接收机运动状态参数只能借助运动模型进行预测，相应的，将预测的k+1时刻的接收机位置带入上述差分方程中，便可得到预测的预测增量和多普勒增量，方法如下：

接收机运动状态方程为：

Xk+1r-=Φ·Xkr+ωk]]>

其中Φ为相邻时刻的状态转移矩阵，ω_k为过程噪声，其协方差阵为Q；Φ和Q通过下面方式获得；

Φ=Φx0000Φy0000Φz0000Φt]]>

Q=Qx0000Qy0000Qz0000Qt]]>

其中Φ_x，Φ_y，Φ_z分别为接收机在地心地固坐标系坐标下xyz三维方向上的状态转移矩阵，Φ_c为接收机钟差维度的状态转移矩阵，Q_x，Q_y，Q_z，分别为xyz三维方向上的过程噪声协方差矩阵，Q_c为接收机钟差维度的过程噪声协方差矩阵，各自的表达式如下：

Φx=Φy=Φz=Φt=1T01]]>

Qx=Qy=Qz=SqT3/3T2/2T2/2T]]>

Qt=St·T+Sf·T3/3Sf·T2/2Sf·T2/2Sf·T]]>

其中S_q为接收机运动加速度噪声功率谱密度；S_t为钟差噪声功率谱密度，S_f为钟漂噪声功率谱密度，取S_t＝2×10^-19，S_f＝2×10^-21；

据此可以得到所有卫星的伪距和多普勒的增量预测结果具体如下

ΔYk-=Hk·(Xk+1r--Xkr)-Zks]]>

在卫星运动状态参数已知的情况下，的预测精度取决于接收机运动状态的预测精度，即有

PkY-=Hk·Pk+1r-·HkT=Hk·(Φ·Pkr·ΦT+Q)·HkT]]>

其中为接收机当前时刻状态参数协方差矩阵，为根据当前接收机的状态参数预测的下一时刻状态参数预测协方差矩阵；

步骤302，稳健矢量跟踪环路以步骤102中鉴频器和码鉴相器输出的估计误差为观测量，对步骤301中输出的增量预测结果进行加权修正，其中加权矩阵为对角矩阵Λ，其计算方法为：

Λ=diag(PkY-)·(diag(PkY-)+R)-1]]>

其中R为各个卫星跟踪通道中鉴别器输出结果的噪声协方差矩阵，为对角矩阵，表达式为

R=σρ1000...000σf100...0000σρ20...00000σf2...00.....................0000...σρN00000...0σfN]]>

其中和分别为第i颗卫星跟踪通道中的码鉴相器输出结果的方差和鉴频器输出结果的方差，表达式为

σρi=14·1SNRd(1+2SNRd)]]>

σfi=(12·12π·T)2·1SNRd(1+1SNRd)]]>

其中SNR_d为输入码鉴相器和鉴频器的信号的信噪比；

步骤303，根据步骤302求得的加权矩阵对步骤301中的预测结果进行加权，得到最终各颗卫星的伪距和多普勒的增量估计结果，具体如下所示：

ΔYk=ΔYk-+Λ·ΔEk]]>

其中该矢量中每一项的上标1,2,…N,分别表示卫星的序号，下标表示第k时刻，该矢量中每一项是从步骤102得到的；

根据各颗卫星的伪距和多普勒增量，可以获得当前数字控制振荡器中多普勒频率控制字的调整值，方法如下：

Dpl_codeki=ΔρkiT·Ratecodec]]>

Dpl_carrki=Dpl_carrk-1i+Δfki·RFcarrc]]>

其中和为k时刻第i颗卫星的伪码多普勒频率控制字和载波多普勒频率控制字的调整值，和分别为伪码相位和载波多普勒频率的增量估计结果，Rate_code为信号的伪码速率，RF_carr为信号的载波射频频率，c为光在真空中传播的速度。

2.根据权利要求1所述的稳健无偏的导航信号矢量跟踪方法，其特征在于步骤101中，导航信号经过接收机中的天线，射频前端，AD转换器后变为数字中频信号S_r(t)。