[发明专利]卡尔曼跟踪环路设计方法、卡尔曼跟踪环路、航天飞行器

权利要求书

1.一种卡尔曼跟踪环路设计方法，其特征在于，所述卡尔曼跟踪环路设计方法建立时变等离子体鞘套模型并计算等离子体鞘套下接收信号的幅度衰减和相移；建立幅度衰减的自回归模型和相移的统计特性；设计卡尔曼滤波器的状态方程和观测方程；设计高超声速飞行器新型卡尔曼跟踪环路；通过对等离子体鞘套信道下接收信号的幅度衰减和相移进行分析，计算幅度衰减的自回归模型和相移的统计特性，设计适用于等离子体鞘套信道的Kalman滤波器；将等离子体鞘套作用下接收信号的幅度衰减考虑到跟踪环路设计中，建立同时跟踪接收信号幅度衰减和相位的卡尔曼滤波器；

所述卡尔曼跟踪环路设计方法包括：

第一步，建立时变等离子体鞘套电子密度模型求解接收信号的幅度衰减r(t_n)和相移使用双高斯模型确定时不变的等离子体鞘套信道的电子密度模型Ne(z_m)；或者通过RAM-C实测数据确定不同飞行高度上的时不变的等离子体鞘套信道的电子密度模型Ne(z_m)；在时不变电子信道基础上加入时变抖动△建立时变等离子体鞘套电子密度模型Ne(z_m,t_n)，根据均匀等离子体中电磁波传输理论计算信号穿过等离子体鞘套之后的幅度衰减r(t_n)和相移

第二步，建立接收信号幅度衰减除去均值后的自回归模型r′(t_n)，计算相移统计特性即相移的均值和方差输入仿真得到的接收信号的幅度衰减r(t_n)和相移使用Levinson-Durbin算法求解得到自回归模型的一次迭代系数α_2,1、二次迭代系数α_2,2和迭代噪声方差σ_ν，得到接收信号幅度衰减的自回归模型，使用输入相移计算其均值和方差

第三步，设计Kalman滤波器，输入跟踪环路电路产生的相位噪声υ_1,n，多普勒频率噪声υ_2,n，多普勒加速度噪声υ_3,n的协方差矩阵Q，鉴相器输出端观测噪声的协方差矩阵R，接收机积分时间T_s，接受信号幅度衰减除去均值的自回归模型的一次迭代系数α_2,1、二次迭代系数α_2,2和迭代噪声方差σ_ν，幅度衰减均值mean(r(t_n))，接收信号相移的均值和方差设计状态变量包括接收信号幅度衰减和相位的Kalman滤波器的状态方程X_n＝AX_n-1+BY_n-1+W_n-1和观测方程Z_n＝H_nX_n+V_n；

第四步，输入Kalman滤波器的状态方程：X_n＝AX_n-1+BY_n-1+W_n-1和观测方程：Z_n＝H_nX_n+V_n，鉴相器输出的实际观测值Z_n，观测向量的初始值X₀，观测向量协方差矩阵的初始值P₀，本地振荡器的初始相位θ_vco和粗捕获之后的多普勒频偏w_d，环路更新时间T_s，依Kalman滤波环路的跟踪的步骤实现等离子体鞘套信道下Kalman滤波器跟踪环路；

所述第三步Kalman滤波器设计包括：

(1)确定n时刻输入信号的和本地振荡器真实相位差△θ_n的表达式：根据上一时刻的真实相位差△θ_n-1，上一时刻的多普勒频率ωd_n-1、多普勒加速度wa_n-1和等离子体鞘套信道产生的相位噪声电路产生的噪声υ_1,n，则n时刻接收信号和本地振荡器的真实相位差△θ_n表示为：

(2)确定Kalman滤波器的状态方程：根据自回归模型和动力学方程得到同时跟踪幅度衰减和载波相位的Kalman滤波器状态方程为：

(3)确定Kalman滤波器的观测方程：观测变量Z_n为鉴相器的输出U₀(t_n)_i、U₀(t_n)_q加上观测噪声，表示为：

将观测方程表示为线性形式，即将鉴相器的输出h(X_n)线性化。