[发明专利]一种基于载波频率辅助相位矢量跟踪方法

摘要

本发明涉及高动态环境下GPS信号跟踪领域，具体涉及一种利用锁频环辅助锁相环的方式代替传统单一跟踪环路，通过集中式滤波器对接收机各通道中频信号进行综合处理的矢量跟踪方法。本发明包括：(1)混频；(2)相关器及鉴别器输出；(3)集中式滤波；(4)载波频率辅助相位矢量跟踪。接收机各跟踪通道内均采用FLL辅助PLL的方式，减小鉴别器的输出误差，利用集中式滤波器将各跟踪通道内的测量值信息综合处理，滤波器输出k+1时刻的速度误差经过变换，得到k+1时刻的载波频率修正值和码频率修正值，反馈至载波压控振荡器，用来调整本地复现载波信号。

主权项

一种基于载波频率辅助相位矢量跟踪方法，其特征在于：(1)混频：接收机利用天线接受到的卫星信号送至射频前段处理，通过多级混频将射频信号转换成中频信号，与本地载波数控振荡器产生的本地正弦和余弦复现载波信号进行混频运算，接收机第i通道I支路与Q支路中频信号载波剥离后第k时刻的输出：式中，为输入信号与输出信号相位差异；(2)相关器及鉴别器输出：I/Q支路输出信号分别于本地伪码发生器生成的即时码P、超前码E和滞后码L相关运算，相关器输出六路相干积分值为：式中，δ为本地C/A码超前滞后的间隔，T_coh为预检积分时间，δf和分别为本地产生信号与输入信号之间的载波频率差和相位差，R(ε_i)为C/A码相关函数；锁频环和锁相环分别采用叉积鉴频法和二象限反正切函数鉴相器，载波频率误差和载波相位误差分别为：$\mathrm{\δf}=\frac{\arctan 2(P_{\mathrm{cross}},P_{\mathrm{dot}})}{2\mathrm{\π}{T}_{\mathrm{coh}}}$式中，叉积P_cross与点积P_dot分别等于：P_cross＝I_P(k‑1)·I_P(k)+Q_P(k‑1)·Q_P(k)P_dot＝I_P(k‑1)·Q_P(k)‑Q_P(k‑1)·I_P(k)延迟锁定环路采用非相干超前减滞后功率法,码相位误差为：${\mathrm{\δ}}_{\mathrm{cp}}=\frac{\sqrt{({I_E}^2+{Q_E}^2)}-\sqrt{({I_L}^2+{Q_L}^2)}}{\sqrt{({I_E}^2+{Q_E}^2)}+\sqrt{({I_L}^2+{Q_L}^2)}}$式中，I_E、Q_E、I_L和Q_L为超前支路与滞后支路相干积分值；(3)集中式滤波：利用集中式滤波器对系统模型进行建模，选取位置和速度误差作为状态变量，分别记为δX和δV，速度差在该时间段内可以视为常数，由此得到位置和速度的误差模型：δX_k+1＝δX_k+TδV_k+η_k+1δV_k+1＝δV_k+ν_k+1式中，T代表了k和k+1时刻之间的时间长度，η_k+1和ν_k+1是接收机位置和速度噪声，为零均值白噪声序列；时钟误差模型如下所示：B_k+1＝B_k+TΔt_kD_k+1＝D_k+Δt_k式中，B_k为时钟偏差，D_k为时钟频差，Δt_k是D_k+1和D_k之差，Δt_k在相对短的时间内可以视为常数，也是一个高斯白噪声序列，记为：Δt_k＝γ_k，得到系统状态方程如下：$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{x}_{k+1}\\ \mathrm{\δ}{y}_{k+1}\\ \mathrm{\δ}{z}_{k+1}\\ {\mathrm{\δv}}_{x,k+1}\\ {\mathrm{\δv}}_{y,k+1}\\ {\mathrm{\δv}}_{z,k+1}\\ B_{k+1}\\ D_{k+1}\end{array}\right]=F_{k,k+1}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ}{x}_k\\ \mathrm{\δ}{y}_k\\ {\mathrm{\δz}}_k\\ {\mathrm{\δv}}_{x,k}\\ \mathrm{\δ}{v}_{y,k}\\ {\mathrm{\δv}}_{z,k}\\ B_k\\ D_k\end{array}\right]+W_k$式中，状态转移矩阵F_k,k+1为：$F_{k,k+1}=\left[\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& T& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& T& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& T& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1& T\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 1\end{array}\right]$W_k为过程噪声，也称为系统噪声，记为：W_k＝[η_x,k,η_y,k,η_z,k,ν_x,k,ν_y,k,ν_z,k,γ_k]^T，W_k为零均值白噪声序列；码鉴相器和载波鉴频器输出的码相位差、载波频率差转换伪距差、伪距率差为：δρ＝c·δ_cp/f_code$\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}=c\·\mathrm{\δf}/f_{\mathrm{carry}}$式中，c为真空中光速，近似等于3×10⁸m/s，f_carry和f_code是载波频率和码频率的标称值，其值分别为1575.42MHz和1.023MHz；系统量测方程为：$\begin{array}{c}{Z}_k={{\left[\begin{array}{ccccc}\mathrm{\δ}{\mathrm{\ρ}}_{1,k}& \mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}_{1,k}& ...& \mathrm{\δ}{\mathrm{\ρ}}_{n,k}& \mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}_{n,k}\end{array}\right]}^T}_{1\×2n}\\ ={\mathrm{HX}}_k+V_k\end{array}$量测矩阵H由下述方程决定：δρ_i,k＝a_ix,kδx_k+a_iy,kδy_k+a_iz,kδz_k+B_k+η_i,k$\mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}_{i,k}=a_{\mathrm{ix},k}\mathrm{\δ}{v}_{x,k}+a_{\mathrm{iy},k}\mathrm{\δ}{v}_{y,k}+a_{\mathrm{iz},k}\mathrm{\δ}{v}_{z,k}+D_k+w_{i,k}$式中，a_ix,k,a_iy,k,a_iz,k分别为第i通道x,y,z方向上接收机相对卫星第k时刻的视线矢量；(4)载波频率辅助相位矢量跟踪：GPS信号数据码与伪码异或相加而实现扩频，二者的组合码通过双相移位键控对载波进行调制，接收机射频前端输出的中频信号模型为：式中，A为信号幅值，T_coh为预检积分时间，D(k)为导航数据，C(k)为C/A码，f_IF为中频信号频率，f_d为信号多普勒频率，为载波初相位；跟踪环路鉴别器的输出值转换为伪距、伪距率，作为集中式滤波器的量测信息，滤波器输出的速度状态变量误差值经过变换后，得到第i通道上k+1时刻的载波频率修正值和码频率修正值：δf_carry,i,k+1＝(B_k+δV_k·a_i,k+1)f_carry/cδf_code,i,k+1＝(D_k+δV_k·a_i,k+1)f_code/c式中，B_k和D_k分别代表时钟偏差和时钟频差对应的速度，单位是m/s；二阶FLL辅助三阶PLL输出的经过环路滤波器后得到载波相位频率δf_PLL，与载波频率修正值δf_carry相加得到载波中频信号真实值f_IF,real：f_IF,real＝f_IF+δf_carry+δf_PLL将中频信号真实值与捕获阶段得到的多普勒频率f_d一起反馈到载波压控振荡器，用来调整本地复制的正弦和余弦信号，此时载波压控振荡器输出的本地复制信号为：载波压控振荡器产生的本地信号与输入信号进行相关运算得到相关器输出六路相干积分值，此时接收机N个通道共享已知信息从而形成闭合回路。