[发明专利]基于四维UKF的高动态GNSS载波的开环补偿跟踪方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种全球导航卫星系统载波的跟踪方法。

背景技术

全球定位导航卫星系统在陆地、海洋、航空和航天等领域都有着广泛的应用。GNSS(全球导航卫星系统)接收机的信号层处理部分主要由捕获和跟踪模块组成。GNSS接收机在完成导航信号的捕获后，便转入跟踪流程，在捕获所得频偏的基础上进一步准确跟踪信号的相位、频率变化以实现导航电文的正确解调处理。捕获只在接收机开机阶段工作，而信号跟踪要贯穿整个接收过程。后者性能的好坏直接决定着接收机能否实现准确定位。

GNSS信号的跟踪就是要准确估计出信号的频率、相位，利用本地NCO实现载波剥离，获得导航电文。传统的跟踪方法大多采用硬件跟踪技术，能够适应中低动态环境。采用最为广泛的是Costas环路结构，其中的鉴相器和环路滤波器是影响跟踪能力的关键。通常采用的算法为二阶PLL环路滤波法，其原理简单，硬件实现也很容易。但其所能跟踪的频率变化只为十几赫兹，如果频率变化较大则需要FLL跟踪环路作辅助。虽然FLL可在一定范围内提高环路的跟踪能力，但是这种能力的提高需要增大环路带宽，由此会引进更多的噪声，导致PLL跟踪精度下降。因此FLL辅助PLL会受到环路带宽的限制。由于近年来DSP和嵌入式处理器的运行速度大大提高，使得在软件接收机上方便灵活的修改和设计新的算法成为可能。本发明即是针对软件接收机设计的一种载波信号跟踪方法。

导航定位技术在高动态领域的应用越来越多，例如对高速运动的飞机或其它机动目标进行定位跟踪。但是与静态、中低动态环境相比，高动态环境使GNSS信号产生了较大的多普勒频移，并且伴随着较高的频率变化率，传统的锁相锁频环由于受到环路带宽的限制难以实现高动态信号的跟踪。为了能够使接收机在高动态环境下保持正常工作，必须改进已有算法或采用新的算法。

现代GNSS系统中的GPS导航定位系统应用最为广泛，Galileo导航系统和我国BD导航系统采用的信号也均采用扩频调制，在信号跟踪部分所采用的方法流程一致，仅仅是参数不同。

目前对于高动态条件下的信号跟踪技术已经有了一些进展，主要在于以下几个方面。一种是提高PLL的阶数，采用三阶环路滤波器，构成四阶锁相环路。此方法参数设计较为复杂，其辅助端FLL的频偏跟踪范围为±0.5KHz，如果Δw_d在调整过程中超过0.5kHz，环路就会失锁，受到这一限制，锁相锁频环无法实现高动态信号的跟踪。另一种方法是寻求其他算法代替FLL的作用，比较有代表性的是采用扩展卡尔曼滤波算法(EKF)去辅助PLL。EKF虽然能够跟踪高动态信号，估计出载波信号的频偏，但是其受初值影响较大，如果选择不好会造成滤波器发散。而且EKF的高动态信号跟踪能力受到调整时间的限制，调整时间间隔越长跟踪效果越差。由于扩频码周期限定了调整时间间隔为1ms，其跟踪能力表现得很不稳定，会严重影响数据解调。另外还有人尝试将UKF使用到闭环当中，取代PLL的作用。由于UKF跟踪的频率范围没有限制，所以不需要其它辅助。但是研究中发现由于闭环结构的限制使得UKF只能采用三维模型表示相位误差信号，跟踪精度低。

发明内容

本发明是为了解决现有的GNSS载波跟踪方法跟踪精度低和环路跟踪稳定性差、受带宽限制严重、无法适应较大范围的多普勒频移的问题，提出基于四维UKF的高动态GNSS载波的开环补偿跟踪方法。

基于四维UKF的高动态GNSS载波的开环补偿跟踪方法，它由以下步骤完成：

步骤一：采用1ms的数据对数字中频信号进行码相位捕获，获得码相位值，采用10ms的数据对所述数字中频信号进行频率捕获，获得频率偏移值，将所述频率偏移值给UKF滤波器赋初值；同时将所得码相位值给本地码跟踪环赋初值并进行本地码跟踪，获得本地码跟踪结果；

步骤二：将频率为f_c的本地载波信号分别同时经SIN映射和COS映射后获得两路信号，所述两路信号分别与数字中频信号相乘获得信号I和信号Q，

所述信号I和信号Q的表达式分别为：