CN103809191B - 一种gnss接收机的信号跟踪算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS接收机的信号跟踪算法，其采用锁频/锁相级联跟踪环路可以克服锁相环失锁的问题，锁相环失锁后由锁频环辅助快速恢复，并设计环路滤波器复位方案将环路滤波器输出值与上时刻多普勒观测值间的误差控制在较小的范围，加速了锁相环从失锁状态中恢复的速度；此外，本发明依据信号环境在矢量跟踪环与标量跟踪环间自动切换，以便提高接收机的可用性和动态性能。无论在低信噪比还是因遮挡导致的信号短暂中断情况下，本发明接收机的性能都不低于普通GNSS接收机，且可避免某一颗卫星信号故障或干扰导致的累积误差对其它卫星信号处理通道的影响，提高系统稳定性和定位输出的可靠性。

Description

一种GNSS接收机的信号跟踪算法

技术领域

本发明属于导航定位技术领域，具体涉及一种GNSS接收机的信号跟踪算法。

背景技术

卫星导航定位系统(GNSS)是一种以卫星为基础的无线电导航系统，能为陆、海、空的各类载体提供全天候、不间断、高精度、实时导航定位服务，已经应用于国民经济与日常生活的各个领域，如地面交通监管、飞机与船舶导航、精密受时、大地测量等。目前，全球范围内研发最早、应用最早的卫星定位系统GPS系统在我国已得到广泛应用，我国正在自主研发全球卫星定位系统BDS(北斗二代)，该系统2012年底已经在我国及其周边地区提供定位服务。因此，卫星导航接收机技术必将成为国内未来一段时间内的研究和应用热点。特别是在现阶段，我国正在大力发展北斗卫星导航系统，需要持续加强北斗基础核心芯片及模块产品的研发力度，掌握自主知识产权。在此背景下，研究设计适用于各种环境和应用下的GNSS信号捕获跟踪算法，进一步提高GNSS接收机性能，有助于推广我国自主研发的北斗卫星导航系统的应用，因而具有重要意义。

在矢量跟踪GNSS接收机中，某通道卫星信号误差较大或干扰较明显，误差会扩散到其他通道，最终导致定位误差较大或环路失锁。特别的，GNSS信号到达地面接收机时已相当微弱，比接收机内部热噪声低20～30dB，因而，上述情况会经常出现。而且，GNSS矢量跟踪接收机的定位精度较普通GNSS接收机的高，特别是在多系统并存的情况下，矢量跟踪接收机的优势更为明显。

J.J.Spilker最早提出了矢量跟踪环路的概念，2004年起的近10年内，GNSS接收机矢量跟踪技术及基于矢量跟踪的GNSS/INS(惯性导航系统)超紧组合导航技术受到极大的关注，斯坦福大学、Calgary大学、Draper实验室等争相开始上述研究。国外已有实时矢量环接收机的实验室产品，未见矢量环接收机的应用报道，国内尚未见实验样机的报道。矢量跟踪接收机的线性建模技术研究始于2007年前后，Bhattacharyya和DemozGebre-Egziabher于2010年发表的文章中，详细推导了矢量环路包括VDFLL(矢量延迟/频率锁定环)的离散参数模型和传递函数模型。针对常用的VDFLL，当跟踪环的相位误差变大时会造成较大的多普勒测量误差，这是FLL(锁频环)的缺陷，但是，FLL跟踪载波频率的范围宽，即FLL跟踪范围宽但跟踪精度低。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种GNSS接收机的信号跟踪算法，能够克服GNSS矢量跟踪接收机易受导航解算影响而可靠性较低、某颗卫星的较大误差易于影响其他卫星信号通道的跟踪精度等弊端，提高GNSS接收机定位输出的可靠性和定位精度等性能。

一种GNSS接收机的信号跟踪算法，如下：

确定GPS信号采用矢量跟踪环或标量跟踪环进行信号跟踪；若GPS信号采用矢量跟踪环，则其载波跟踪的具体实现方法如下：

(1)使GPS信号的载波和伪码分别与当前本地信号的载波和伪码相乘，对应得到载波差频信号和伪码差频信号；从所述的载波差频信号的同相分量中提取出导航电文；

(2)根据所述的载波差频信号和伪码差频信号进行鉴相运算得到GPS信号与当前本地信号的伪码相位差和载波相位差；

(3)对所述的载波相位差进行环路滤波并输出GPS信号与当前本地信号的载波频率差；使前一时刻的多普勒观测值与所述的载波频率差相加，得到当前时刻的多普勒观测值f_d；

(4)将滤波后的伪码相位差和多普勒观测值f_d分别转换为伪距差和伪距率误差，进而对伪距差和伪距率误差进行导航滤波以输出GNSS接收机的PVT(位置-速度-时间)误差信息；

(5)根据所述的PVT误差信息计算得到当前时刻伪码相位及载波频率的误差估计值，进而根据该误差估计值或滤波后的载波相位差对当前本地信号的相位进行调整，以生成下一时刻的本地信号。

本发明矢量跟踪与标量跟踪间可自由切换，具体根据以下切换机制确定GPS信号采用矢量跟踪环或标量跟踪环进行信号跟踪：

若同时满足以下条件，则使GPS信号切换至矢量跟踪环进行信号跟踪；否则，则使GPS信号切换至标量跟踪环进行信号跟踪；

σ_PLL＜3σ_ρ3σ_DLL＜d

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\σ}}_{DLL}=\sqrt{p_x^2+p_y^2+p_z^2}& {\mathrm{\σ}}_{PLL}=\sqrt{p_{vx}^2+p_{vy}^2+p_{vz}^2}\end{array}$

其中：d为GNSS接收机的伪码相关器间隔，p_x、p_y和p_z分别为GNSS接收机中导航滤波器(即卡尔曼滤波器)输出的预测误差方差矩阵的对角线元素中与三维位置分量对应的三个元素值，p_vx、p_vy和p_vz分别为GNSS接收机中导航滤波器输出的预测误差方差矩阵的对角线元素中与三维速度分量对应的三个元素值，σ_ρ为GNSS伪距率的标准偏差。

优选地，本发明载波跟踪环路结构为锁相与锁频相结合的级联锁相环，即当GPS信号载波锁相环跟踪发生环路失锁后，切换采用锁频环跟踪，具体实现方法如下：

A1.使GPS信号的载波与当前本地信号的载波相乘后积分，得到载波差频信号；

A2.根据所述的载波差频信号进行鉴频运算，得到GPS信号与当前本地信号的载波频率差；

A3.对所述的载波频率差进行前置滤波，并使前一时刻的多普勒观测值与滤波后的载波频率差相加，得到当前时刻的多普勒观测值f_d；

A4.将所述的多普勒观测值f_d转换为伪距率误差，对所述的伪距率误差以及GPS信号伪码跟踪得到的伪距差进行导航滤波以输出GNSS接收机的PVT误差信息；

A5.根据所述的PVT误差信息计算得到当前时刻伪码相位及载波频率的误差估计值，进而根据该误差估计值对当前本地信号的相位进行调整，以生成下一时刻的本地信号。

所述的锁频环由鉴频器-前置滤波器-导航滤波器-载波NCO(数字控制振荡器)-鉴频器组成环路。

本发明采用锁频/锁相级联跟踪的设计方案能够使得在锁相环失锁的情况下也可提供可靠的信号跟踪，并且，导致锁相环失锁因素消失后，可快速恢复锁相环到锁定状态。

优选地，为了使锁相环失锁后由锁频环辅助快速恢复，本发明当GPS信号载波锁相环跟踪发生环路失锁或者相位锁定指示器的输出大于预设的门限值时，对环路滤波进行复位；将环路滤波器输出值与多普勒辅助值间的误差控制在较小的范围，有助于环路快速从失锁状态中恢复。

所述的多普勒辅助误差即通过PVT误差信息中的速度误差转换得到。

针对目前常用的矢量延迟/频率锁定环，当信噪比较低时跟踪环的相位误差变大，造成较大的多普勒跟踪测量误差，普通的锁相环也不能克服这一问题，且其跟踪范围窄容易失锁。利用本发明提出的锁频/锁相级联跟踪环路可以克服这一问题，锁相环失锁后由锁频环辅助快速恢复，并设计环路滤波器复位方案将环路滤波器输出值与上时刻多普勒观测值间的误差控制在较小的范围，加速了锁相环从失锁状态中恢复的速度，因此，本发明在锁相环锁定和失锁两种情况下都能提供更为可靠的信号跟踪。

此外，采用本发明信号跟踪方法的GNSS矢量跟踪接收机比传统标量跟踪接收机的灵敏度高，且可以充分利用各GNSS系统的卫星信号资源，较好的融合不同卫星通道提供的信息，因而当GPS信号较强时，矢量跟踪有较高的导航估计精度。但是，GNSS矢量跟踪接收机某跟踪通道的较大误差会影响其他通道的跟踪精度，且跟踪性能受导航解算精度的影响，因此，低信噪比和GNSS信号短暂中断可导致导航解算精度下降，甚至无法给出定位结果。本发明依据信号环境在矢量跟踪环与标量跟踪环间自动切换，以便提高接收机的可用性和动态性能。无论在低信噪比还是因遮挡导致的信号短暂中断情况下，本发明接收机的性能都不低于普通GNSS接收机，且可避免某一颗卫星信号故障或干扰导致的累积误差对其它卫星信号处理通道的影响，提高系统稳定性和定位输出的可靠性。

附图说明

图1为本发明矢量跟踪与标量跟踪的切换示意图。

图2为本发明矢量跟踪算法的结构示意框图。

图3为本发明锁频/锁相级联跟踪环路的示意框图。

图4为GNSS接收机的结构示意图。

图5为本发明矢量跟踪环的工作流程图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

矢量跟踪环降低了跟踪门限，具有更高的估计精度，而且在GNSS弱信号下，有比标量跟踪更好的性能。但是矢量跟踪也有其缺点，如果某颗GNSS卫星信号中断或误差较大，会影响到其他通道的跟踪精度，进而可能导致矢量跟踪环失锁。而标量跟踪算法则不受此影响，在某颗卫星的信号短暂中断或误差较大时，不影响其他通道的信号跟踪，通过采取一定措施，依然可以保持定位解算精度。因此，本实施方式首先采用了矢量跟踪与标量跟踪的切换机制，如图1所示。

伪码跟踪环的切换：

经推导可得矢量跟踪环VDLL的门限值为：

3σ_DLL＜d(1)

其中，σ_DLL为由GNSS导航解算引起的总的伪距测量误差，d为伪码相关器间隔。

由式(1)可知，当3σ_DLL＞d，矢量码跟踪环会失锁而无法正常工作。因此，矢量跟踪VDLL与标量跟踪DLL之间的切换方案：当3σ_DLL≤d时，码跟踪环切换为矢量跟踪VDLL，否则码跟踪环切换为标量跟踪DLL。

为了简化以及减少接收机计算量，本实施方式直接从导航定位误差计算中得到伪距误差，用于控制DLL与VDLL之间的切换。σ_DLL可从GNSS导航解算kalman滤波器的预测误差方差阵的对角线元素中提取，设与三维位置对应的对角线元素分别为p_x、p_y、p_z，则σ_DLL近似取值为：

载波跟踪环的切换：

由于多普勒辅助误差可以从伪距率误差除以信号波长得到，因此，我们可以通过伪距率误差值来作为VFPLL与FPLL切换标准，即：σ_pLL＜3σ_ρ，σ_ρ是GNSS伪距率标准偏差，一般取0.1m/s～0.2m/s之间的值，具体取决于接收机性能，σ_PLL是GNSS导航解算误差所引起的伪距率误差。

一旦伪距率不确定度误差超过3倍的σ_ρ，那么矢量跟踪环则无法正常工作，因此，需切换至标量跟踪环。σ_pLL可从GNSS导航解算kalman滤波器的预测误差方差阵的对角线元素中提取，即从P_δv＝E[δvδv^T]计算得出，δv是导航速度估计误差。设与三维速度对应的对角线元素分别为p_vx、p_vy、p_vz，则σ_pLL近似取值为：

在本实施方式下，随着GNSS信号误差的变化、信号遮挡情况的不同，系统将在标量跟踪、矢量跟踪间自动切换，提高了系统可用性、跟踪精度与定位精度。

本实施方式的GNSS矢量跟踪环中，码跟踪采用矢量延迟锁定环，载波跟踪采用级联锁相环，总体结构如图2所示。图中我们可以发现码NCO和载波NCO是通过导航滤波器的输出反馈，而不是由鉴别器输出控制NCO。导航滤波器采用卡尔曼滤波器建模，导航滤波器的观测输入量为：伪距预测误差和载波多普勒预测误差分别来自码环鉴别器和载波鉴相器的输出。另外，多普勒估计模块输出值来自导航滤波器的输出。

矢量延迟/频率锁定环的跟踪算法中(VDFLL)，当跟踪环的相位误差变大时会造成较大的多普勒测量误差，这是FLL的缺陷，但是，FLL跟踪载波频率的范围宽，即FLL跟踪范围宽但跟踪精度低，为了克服这一问题，本实施方式采用了一种级联锁相环FPLL，在锁频环FLL上增加一个锁相环PLL。这种设计方案是为了在锁相环锁定和失锁两种情况下，都能提供更为可靠的信号跟踪。

图2中导航滤波器参考Singer模型建模，但状态量选用位置、速度、加速度的误差修正量，状态方程如下：

$\begin{array}{ccc}\mathrm{\δ}\stackrel{\·}{x}={\mathrm{\δv}}_x& \mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{v}}_x={\mathrm{\δa}}_x& \mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{a}}_x=-{\mathrm{\β}}_a{\mathrm{\δa}}_x+{\mathrm{\ω}}_{ax}\\ \mathrm{\δ}\stackrel{\·}{y}={\mathrm{\δv}}_y& \mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{v}}_y={\mathrm{\δa}}_y& \mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{a}}_y=-{\mathrm{\β}}_a{\mathrm{\δa}}_y+{\mathrm{\ω}}_{ay}\\ \mathrm{\δ}\stackrel{\·}{z}={\mathrm{\δv}}_z& \mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{v}}_z={\mathrm{\δa}}_z& \mathrm{\δ}{\stackrel{\·}{a}}_z=-{\mathrm{\β}}_a{\mathrm{\δa}}_z+{\mathrm{\ω}}_{az}\end{array}---\left(2\right)$

其中：(δx,δy,δz)、(δv_x,δv_y,δv_z)、(δa_x,δa_y,δa_z)分别为用户在地心地固坐标系下的三维位置、三维速度和三维加速度的误差量，β_a为相关系数，(ω_ax,ω_ay,ω_az)分别为三个轴向上的驱动输入噪声。

接收机时钟误差模型如下：

$\begin{array}{ccc}\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{t}=\mathrm{\Δ}f& \mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{f}=\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{f}& \mathrm{\Δ}\stackrel{\·\·}{f}=-\mathrm{\α}\·\mathrm{\Δ}\stackrel{\·}{f}+{\mathrm{\ω}}_f\end{array}---\left(3\right)$

式(2)和时钟误差模型式(3)共同组成了状态方程。

状态向量X和驱动输入向量W分别为：

X＝[Δt,δ,δx,δv_x,δa_x,δy,δv_y,δa_y,δz,δv_z,δa_z](4)

W＝[0,ω_f(t),0,0,ω_ax,0,0,ω_ay,0,0,ω_az](5)

加速度误差方差值由载体运动状态决定，接收机时钟误差方差则需依据具体的晶振特性选择.

导航滤波器融合各通道上的观测信息(伪码相位对应的伪距、载波多普勒对应的伪距率)，构建观测方程为：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\ρ}}_i-{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_i-c\·\mathrm{\Δ}\hat{t}=e_{i1}\left(x-\hat{x}\right)+e_{i2}\left(y-\hat{y}\right)+e_{i3}\left(z-\hat{z}\right)+c\·\mathrm{\Δ}\tilde{t}+v_{\mathrm{\ρ}i}& i=1,2,...\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}_i-{\widehat{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}}_i-c\·\mathrm{\Δ}\hat{f}=e_{i1}\left(v_x-{\hat{v}}_x\right)+e_{i2}\left(v_y-{\hat{v}}_y\right)+e_{i3}\left(v_z-{\hat{v}}_z\right)+c\·\mathrm{\Δ}\tilde{f}+v_{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}i}& i=1,2,...\end{array}\right.---\left(6\right)$

其中：为用户到第i颗星的伪距估计值，ρ_i为真实值； $e_{i,1}=\frac{\hat{x}-x_{si}}{{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_i},e_{i,2}=\frac{\hat{y}-y_{si}}{{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_i},e_{i,3}=\frac{\hat{z}-z_{si}}{{\widehat{\mathrm{\ρ}}}_i}$ 为地心地固系下用户到第i颗卫星连线的方向余旋；为用户到第i颗星的伪距变化率，为其估计值；为钟差等效距离误差修正后的残差项，为频差等效距离变化率误差残差；v_ρi、分别为伪距、伪距率的观测误差；x_si,y_si,z_si为第i颗卫星在地心地固坐标系中的位置坐标，(x,y,z)、(v_x,v_y,v_z)、(a_x,a_y,a_z)分别为用户在地心地固坐标系下的三维位置、三维速度和三维加速度，分别为他们的估计值。

单通道的FPLL设计如图2中虚线框和图3所示。其中，f_d是载波多普勒测量值；环路滤波器采用局部卡尔曼滤波器，环路滤波器可以复位或重新初始化，克服环路失锁的缺陷。

环路滤波器模型：

载波跟踪环鉴相器输出作为滤波器观测输入，通过线性Kalman滤波器估计系统的状态量，滤波器状态方程为：

$\frac{d}{dt}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ}\mathrm{\φ}\\ \mathrm{\δ}f\\ \mathrm{\δ}\stackrel{\·}{f}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\δ}f\\ \mathrm{\δ}\stackrel{\·}{f}\\ \mathrm{\δ}\stackrel{\·\·}{f}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}0\\ 0\\ w_a\end{array}\right]---\left(7\right)$

式中：δφ为载波相位误差，δf为载波相位变化率误差，即载波频率误差，为载波频率变化率误差，w_a为体现伪距加速度过程噪声的量。其中，δφ为滤波器输出。

预处理滤波器的观测方程为：

其中，为载波相位误差测量值，即鉴相器的输出。

载波跟踪环FPLL锁定输入信号频率后，就可精确得到载波多普勒频率f_d，并从输入信号中剥离载波。剥离载波后的信号进入伪码跟踪环。伪码跟踪环锁定伪码相位后，本地伪码与已剥离载波的输入信号做相关解扩，进一步去掉输入信号中的伪码，得到导航电文，对导航电文做纠错和译码操作后即可得到卫星星历。

载波跟踪环FPLL锁定输入信号的过程：

输入信号频率与本地载波频率有误差，则经鉴相器和环路滤波器后，得到一个与频率误差成比例的输出信号，该信号一方面与上一时刻的多普勒估计值相加，结果作为载波多普勒频率误差信号输入导航滤波器，另一方面去控制本地载波信号NCO，使其与输入信号频率趋向一致，即新的本地信号与输入信号的频率误差减小了。

当锁相环路失锁时，输入信号频率与本地载波频率差频信号经鉴频器和前置滤波器后得到载波频率误差信号，与上一时刻下的多普勒估计值相加，结果作为载波多普勒频率测量信号输入导航滤波器，由导航滤波器的输出计算载波频率误差信号，调整本地载波信号NCO。

多普勒测量输出的切换选择条件：当相位锁定指示器(Phaselockindicator)归一化值PLI≥0.8，切换到锁相环，否则切换到鉴频器。

环路滤波器的复位准则：

(1)在GPS信号较强的情况下，环路滤波器不复位。

(2)在GPS信号较弱的情况下，在每次从导航滤波器测量更新之后，当PLI<0.8时复位。

(3)在GPS弱信号情况下，当PLI＜T_PLI以及时，复位环路滤波器。

判别式中，T_PLI是相位锁定指示器(PLI)归一化的门限值，f_d是载波环路多普勒测量值，是上时刻下的多普勒估计值，Δf_d是多普勒误差的门限值。在实际中，T_PLI＝0.2，Δf_d＝1～2Hz。

从环路滤波器复位准则中可知，在GPS弱信号的情况下，或者当环路失锁以及环路滤波器的输出与多普勒辅助误差偏差超过门限值时，环路滤波器才会被复位。复位方案将环路滤波器输出值与多普勒辅助值间的误差控制在较小的范围，有助于环路快速从失锁状态中恢复。当环路滤波器复位后，滤波器的状态变量就会被置为零。而改进前的载波环路滤波器不能复位，因此将无法解决环路失锁。

伪码跟踪环锁定伪码相位的过程：

输入信号中的伪码相位与本地伪码相位有误差，则两者相乘后，经伪码鉴相器和前置滤波器后，得到一个与码相位误差成比例的输出信号，该信号一方面作为反应伪距误差的信号输入导航滤波器，另一方面去控制本地伪码NCO，使其与输入信号中的伪码相位趋向一致，即新的本地伪码信号与输入伪码信号的相位误差减小了。

现有技术中GNSS接收机由射频前端、基带信号处理两大块构成；其中，基带信号处理模块主要包括相关器、滤波器、鉴别器，导航滤波器、本地信号生成器、伪距和伪距率误差计算等模块组成。

基于矢量跟踪的GNSS导航接收机如图4所示，包括依次相连的射频前端1，相关器2，滤波器3，鉴别器4和导航滤波器5，以及星历模块6，伪码相位/载波频率误差计算模块7，本地信号生成器模块8。其中，相关器2累积输出的I/Q信号作为滤波器3的观测输入，本地信号生成器8生成本地载波和伪码。

图4中，本地信号生成器8，相关器2，滤波器3，鉴别器4和导航滤波器5，伪码相位/载波频率误差计算模块7构成矢量跟踪环路。伪码相位/载波频率误差计算模块7接收导航滤波器5输出的接收机位置误差、速度误差、时钟误差以及星历模块6的GNSS星历参数，生成延迟调整信号，输入到本地信号生成器8，调整本地伪码和载波。

来自卫星射频前端1的卫星信号经过相关器2后，输出同相(I)、正交相(Q)信号，进入滤波器3进行预滤波，输出信号再送入鉴别器4模块，输出伪码相位/载波频率误差的信号。滤波器3的作用是滤除杂波、并降低导航计算频率(由250～1000Hz降低到1～10Hz)和计算量。

本实施方式中矢量跟踪接收机基带处理算法的工作流程如图5所示；图5中右下角的导航滤波器的输出将反馈给本地信号合成模块，这样一来所有N个通道共享已知信息从而形成一个大回路，而不是单独形成一个小回路。

GNSS接收机开机后，矢量跟踪环需初始化，初始化需要的信息包括：伪码相位和载波频率的捕获结果、当前用户位置和速度的估计。因此，GNSS接收机开始工作后，首先要用标量跟踪算法先得到这些量作为矢量跟踪算法的输入，此为现有技术。

初始化之后，就可以进行矢量跟踪：(1)位置/速度预报模块用于预报导航参数；(2)计算位置/速度在接收机与卫星连线上的投影值，得到伪码相位和载波频率的预报值，据此生成本地伪随机码和载波并将其与输入信号进行相关运算；(3)对相关计算得到的I/Q信号进行鉴相计算，并输入导航滤波器估计位置/速度/时钟误差(修正量)，并依据估计结果对码相位和载波频率预报值进行校正；(4)完成一次滤波过程，导航滤波器接着递推计算得到下一时刻下的位置/速度预报值，并转步骤(2)。

主要模块的功能或模型及其实现如下：

(位置/速度预报)对于位置和速度：

${\hat{X}}_{k+1}=X_k+{\mathrm{TV}}_k$

${\hat{V}}_{k+1}=V_k---\left(9\right)$

其中：X＝(x,y,z)表示接收机位置矢量，V＝(v_x,v_y,v_z)表示接收机速度矢量,T为相邻时刻的间隔时间，符号上方的^表示此符号对应量的估计值。根据上述预报的用户位置/速度以及由星历(ephemeris)预报得到的卫星位置/速度，我们可以预测所有卫星在k+1时刻的码相位和载波频率。产生k到k+1时刻的本地载波和伪码序列之后，和输入信号中对应长度的数据进行相关运算，鉴相器会输出带噪声的载波频率修正值和码相位修正。

DLL鉴相器-导航滤波--伪码相位/载波频率校正：

码相位修正值和频率修正值包含了真实位置/速度和预测值之差在方向余弦即卫星与接收机视线(LOS，Line-Of-Sight)方向上的投影，一旦有了这两个量，我们就可以拿他们来修正位置和速度以得到下一时刻位置/速度的估计值。这两个修正量与鉴相器输出E_code,k的关系如下：

其中：E_code,k、t_b,k的量纲是米，t_b,k为k时刻下的钟差，为伪码相位，η_j,k是噪声。

同理，鉴频器输出E_carr,k如下：

$E_{carr,k}=f_{j,k}-{\hat{f}}_{j,k}+w_{j,k}={\mathrm{\&Delta;t}}_{d,k}+(V_k-{\hat{V}}_k)e_{j,k}+w_{j,k}---\left(11\right)$

其中：E_carr,k、Δt_d,k的量纲是米/秒，Δt_d,k为k时刻下的钟漂，w_j,k是噪声。

导航滤波器依据各卫星信号通道的上述信息为观测量，做滤波估计，得到接收机位置、速度和时钟误差的估计值。

导航滤波-伪码相位/载波频率校正：

给定位置和速度，k+1时刻第j颗卫星信号的伪码相位/码频率以及载波频率的预报方程可以写为：

${\hat{f}}_{code,j,k+1}=\&lsqb;1+t_{d,k}+{(V_{j,k}-v_k)}^T{e}_{j,k+1}\&rsqb;f_{code,j,k}/c$

${\hat{f}}_{j,k+1}=\&lsqb;1+t_{d,k}+{(V_{j,k}-v_k)}^T{e}_{j,k+1}\&rsqb;f_n/c---\left(12\right)$

其中：的单位分别是米和秒,T为相邻时刻的间隔时间，c为光速。ΔX_j,k,k+1是和第j颗卫星相关的用户接收机前后时刻的位移矢量，t_d,k的单位是米/秒，V_j,k是[k,k+1]时间单元内的第j颗卫星的速度，f_code和f_n是伪码速率和载波频率的标称值。

产生k到k+1时刻的本地载波和伪码序列之后，和输入信号数据进行相关运算，进行下一时刻下的计算，流程同上。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种GNSS接收机的信号跟踪算法，其特征在于：

确定GPS信号采用矢量跟踪环或标量跟踪环进行信号跟踪；若GPS信号采用矢量跟踪环，则其载波跟踪的具体实现方法如下：

(1)使GPS信号的载波和伪码分别与当前本地信号的载波和伪码相乘，对应得到载波差频信号和伪码差频信号；从所述的载波差频信号的同相分量中提取出导航电文；

(2)根据所述的载波差频信号和伪码差频信号进行鉴相运算得到GPS信号与当前本地信号的伪码相位差和载波相位差；

(3)对所述的载波相位差进行环路滤波并输出GPS信号与当前本地信号的载波频率差；使前一时刻的多普勒观测值与所述的载波频率差相加，得到当前时刻的多普勒观测值f_d；

(4)将滤波后的伪码相位差和多普勒观测值f_d分别转换为伪距差和伪距率误差，进而对伪距差和伪距率误差进行导航滤波以输出GNSS接收机的PVT误差信息；

(5)根据所述的PVT误差信息计算得到当前时刻伪码相位及载波频率的误差估计值，进而根据该误差估计值或滤波后的载波相位差对当前本地信号的相位进行调整，以生成下一时刻的本地信号。

2.根据权利要求1所述的信号跟踪算法，其特征在于：GPS信号的信号跟踪可在矢量跟踪与标量跟踪间自由切换，具体根据以下切换机制确定GPS信号采用矢量跟踪环或标量跟踪环进行信号跟踪：

若同时满足以下条件，则使GPS信号切换至矢量跟踪环进行信号跟踪；否则，则使GPS信号切换至标量跟踪环进行信号跟踪；

σ_PLL＜3σ_ρ3σ_DLL＜d

$\begin{array}{cc}{\mathrm{\&sigma;}}_{DLL}=\sqrt{p_x^2+p_y^2+p_z^2}& {\mathrm{\&sigma;}}_{PLL}=\sqrt{p_{vx}^2+p_{vy}^2+p_{vz}^2}\end{array}$

其中：σ_DLL为由GNSS导航解算引起的总的伪距测量误差，σ_PLL为由GNSS导航解算误差所引起的伪距率误差，d为GNSS接收机的伪码相关器间隔，p_x、p_y和p_z分别为GNSS接收机中导航滤波器输出的预测误差方差矩阵的对角线元素中与三维位置分量对应的三个元素值，p_vx、p_vy和p_vz分别为GNSS接收机中导航滤波器输出的预测误差方差矩阵的对角线元素中与三维速度分量对应的三个元素值，σ_ρ为GNSS伪距率的标准偏差。

3.根据权利要求1所述的信号跟踪算法，其特征在于：所述的载波跟踪采用锁相与锁频相结合的级联锁相环，即当GPS信号载波锁相环跟踪发生环路失锁后，切换采用锁频环跟踪，具体实现方法如下：

A1.使GPS信号的载波与当前本地信号的载波相乘后积分，得到载波差频信号；

A2.根据所述的载波差频信号进行鉴频运算，得到GPS信号与当前本地信号的载波频率差；

A3.对所述的载波频率差进行前置滤波，并使前一时刻的多普勒观测值与滤波后的载波频率差相加，得到当前时刻的多普勒观测值f_d；

A4.将所述的多普勒观测值f_d转换为伪距率误差，对所述的伪距率误差以及GPS信号伪码跟踪得到的伪距差进行导航滤波以输出GNSS接收机的PVT误差信息；

A5.根据所述的PVT误差信息计算得到当前时刻伪码相位及载波频率的误差估计值，进而根据该误差估计值对当前本地信号的相位进行调整，以生成下一时刻的本地信号。

4.根据权利要求1所述的信号跟踪算法，其特征在于：当GPS信号载波锁相环跟踪发生环路失锁或者相位锁定指示器的输出大于预设的门限值时，对环路滤波进行复位。

5.根据权利要求3所述的信号跟踪算法，其特征在于：所述的锁频环由鉴频器-前置滤波器-导航滤波器-载波NCO-鉴频器组成环路。