[发明专利]GPS接收机基于扩展卡尔曼滤波器跟踪环路的失锁检测方法

摘要

GPS接收机中基于扩展卡尔曼滤波器跟踪环路的失锁检测方法，根据扩展卡尔曼滤波器中环路增益能够随着测量值的改变而动态变化的特点，通过环路内部的增益变量来检测环路是否失锁。在扩展卡尔曼滤波器中，由状态估计均方差矩阵P、过程噪声协方差矩阵Q、测量噪声协方差矩阵R，通过TS滤波方程计算得到中间变量b和卡尔曼滤波增益K，观测变量矩阵减去观测变量矩阵估计值减去b得到残差。由残差乘以卡尔曼滤波增益K得到载波环路增益系数矩阵G。其第一行第一列参数G(1，1)的累加值被用来作为环路失锁检测标准。当G(1，1)的100个累加值超过阈值时，则判定环路失锁。

主权项

1.GPS接收机中基于扩展卡尔曼滤波器跟踪环路的失锁检测方法，其特征在于：载波环采用二阶扩展卡尔曼滤波器，替代传统载波环路中的鉴相器加滤波器，其状态变量矩阵是载波相位、多普勒频率及多普勒频率变化率，观测变量矩阵是Q路和I路的20ms相干累加值，码环采用60ms非相干积分、一阶滤波的码相位锁定环路的结构，根据状态变量、观测变量、滤波器类型构建跟踪环路，根据扩展卡尔曼滤波器中环路增益随着测量值的改变而动态变化的特点，通过环路内部的增益变量来检测环路是否失锁，包括以下步骤：(1)通过载波环中的截尾二阶滤波方程，由状态估计均方差矩阵、过程噪声协方差矩阵、测量误差协方差矩阵R，计算得到中间变量和卡尔曼滤波增益；1)首先计算先验估计均方差误差其中，Φ为转移矩阵，k代表第k次测量；Φ=1TsTs2201Ts001]]>Ts是环路滤波器更新时间间隔0.02s；Q为过程噪声协方差矩阵，是一个3*3的常系数矩阵Q=QθTs+QωTs33+QαωTs520QωTs22+QαωTs48QαωTs33QωTs22+QαωTs48QωTs+QαωTs33QαωTs22QαωTs36QαωTs22QαωTs]]>Q_θ＝E[W_θW_θ^T]，Q_ω＝E[W_ωW_ω^T]，Q_αω＝E[W_αωW_αω^T]，W_θ、W_ω、W_αw分别为相位、频率和频率变化率的噪声向量；2)建立观测变量矩阵z_k，z_k＝[Q_k，I_k]^T，Q_k和I_k是Q路和I路的20ms累加值测量值；3)计算载波幅值估计值：A^k=Ik2+Qk2]]>4)求出中间变量b_kbkj=12trace(∂2hkj(xk-)∂x2Pk-)]]>是传递函数的二阶微分向量，按计算一阶二阶微分向量公式得到：H1k=A^k00000]]>H21k=∂2hk1(xk-)∂2x=000000000]]>H22k=∂2hk2(xk-)∂2x=-A^k00000000]]>5)计算卡尔曼滤波增益K_k：Kk=Pk-H1kT(H1kPk-H1kT-bkbkT+R)-1,]]>其中，测量误差协方差矩阵v_k是测量噪声向量；(2)用观测变量矩阵减去观测变量矩阵估计值减去中间变量得到残差：Rresk=zk-z^k-bk]]>其中是观测变量估计值矩阵，(3)由残差乘以卡尔曼滤波增益K_k得到载波环路增益系数矩阵：G_k＝K_k*R_resk(4)计算后验估计均方误差：通过载波环路增益系数矩阵G调整载波数控振荡器的输出值，从而更新载波环路；(5)对载波环路增益系数矩阵的第一行第一列参数G(1，1)进行累加，每20ms累加一次，累加到100次时，判断累加值是否超过阈值，若超过阈值，则判定该通道失锁，表明该通道信息不可用，该通道需对当前卫星进入重捕算法；其中，阈值的设定方法为：首先测试环路稳定情况下的累加值，测试时间在1分钟以上，记录累加值的最大值A，测试场景应该包括40dB标准功率、20dB低功率下动态和静态场景；然后测试环路失锁时的累加值，记录环路失锁后计算出的前5个累加值中的最大值B，测试情况应包括因为功率降低而失锁以及因为动态原因而失锁的情况而且要测试多次，记录下多次测量的B的最小值C，满足C大于A，则阈值选取为大于A而小于C的值。