[发明专利]一种高动态GNSS载波信号的跟踪方法及系统

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，特别涉及一种高动态GNSS载波信号的跟踪方法及系统。

背景技术

GNSS即全球导航卫星系统，GlobalNavigationSatelliteSystem。卫星导航接收机捕获并跟踪多个GNSS卫星的信号，然后解调其中调制的导航数据。卫星导航接收机利用测距码计算GNSS卫星与用户的相对距离，利用导航数据中的星历数据解算卫星位置和时间模型，进而计算出用户的位置。

利用GNSS信号(如GPS、北斗、GLONASS等)进行导航已经广泛应用于空间低轨卫星、导弹、以及地面目标。当载体运行在高速、高加速度与高加加速度的环境中时，信号的多普勒效应将极大的影响接收机对信号的接收，因此对接收机中的信号跟踪方法和其跟踪性能均提出了极高的要求。

美国喷气动力实验(JPL)较早地在高动态GPS信号跟踪技术方面作了深入的研究并于1987年提出采用最大似然估计(MLE)方法对伪码延时和载波多普勒频率进行了估计。自此之后，高动态环境下的GNSS信号接收技术主要可以归为两类：一是研究适合高动态环境下的GNSS信号跟踪的频率估计算法，将算法嵌入接收机的载波环路内，以适应高动态环境下GNSS信号的接收。显然它具有体积小、成本低等特点。另一种是将接收机与惯导系统结合，给GNSS接收机提供IMU(惯性测量单元)的速度辅助(即提供多普勒频移的先验知识)，组成捷联惯导系统。在这种导航系统中，惯性导航系统为GNSS提供速率信息，以适应高动态定位导航；GNSS为惯导系统提供时间标准等信息，以消去惯性导航器件因时间而累积的误差。

高动态GNSS信号与普通GNSS信号的最大区别在于载波多普勒的变换率很大。具体来说，跟踪高动态GNSS信号有以下几个难点：

(1)、环路带宽限制：在传统跟踪方法中存在环路带宽与跟踪精度的矛盾：带宽越高，载波跟踪的动态范围越大，但同时高动态载波的能量也会分布到其带宽范围内，使得跟踪精度显著下降，因此为了确保跟踪精度，环路能够忍受的动态范围只好受到限制；

(2)、动态水平精确检测困难：无论是依靠环路中的频率估计，还是捷联惯导系统中的IMU，都存在不能准确实时的对载体所具有的加速度、加加速度进行测量的问题，影响了接收机对GNSS信号的跟踪；

(3)、跟踪环路设计复杂：现有的高动态跟踪方法，或是跟踪环路阶数高，运算量大，或是受IMU误差影响大，需要随时进行误差补偿，因此使得环路的设计十分复杂。

发明内容

本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种高动态GNSS载波信号的跟踪方法及系统，其基于分数阶傅里叶变换，使得接收机可以对极高动态的载波信号进行跟踪，解除了环路带宽对动态跟踪能力的限制，且减小了动态水平对检测的影响，简化了跟踪环路设计。

为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明提供一种高动态GNSS载波信号的跟踪方法，其包括以下步骤：

S11：初始解调与预检测积分：使用第一载波压控震荡器产生一个稳定的本地载波f_L1，用于对接扩后的载波信号x进行初始解调；然后，使用预检测积分器对初始解调后的载波信号分段进行相关积分，产生由N个离散点组成的信号O(k),k＝1,2,3,...,N；

S12：对信号O(k)，消除导航电文翻转并计算其分数阶傅里叶变换，根据其变换结果，进行二维的峰值搜索；然后，使用高动态鉴频与加速度估计器估计当前载波信号的多普勒频率f_d以及卫星视线方向的加速度a；

S13：二次解调：根据当前载波信号的多普勒频率与频率变化率，使用第二载波压控震荡器产生一个高更新频率的本地载波f_L2，用于对初始解调后的载波信号进行二次解调，从而完全剥离载波多普勒；其中，所述频率变化率为多普勒变化系数与加速度a的乘积；

S14：载波相位检测与导航电文提取：使用鉴相器检测二次解调后的载波信号的相位残差，根据所述相位残差得到载波相位，并根据导航电文翻转提取导航电文；

S15：环路更新与重解调：保持本地载波f_L1，得到新的离散信号O(k),k＝2,3,4,...,N+1，使得环路更新并保持对信号的跟踪；当多普勒频率超过当前跟踪范围时，对本地载波f_L1进行更新，使用更新后的本地载波f_L1对接扩后的载波信号x进行重解调并继续跟踪信号。

较佳地，所述步骤S12具体包括以下步骤：