CN106019333B - 一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法 - Google Patents

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    • G01S19/37—Hardware or software details of the signal processing chain

Abstract

针对传统矢量跟踪方法中环路更新频度依赖于导航电文速率，不能灵活设计，且不能直接用于接收北斗B1I信号的问题，本发明给出了一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法，通过引入非相干鉴别器实现对矢量跟踪环路更新频度的灵活设计。该方法通过优化非相干鉴别器的非相干积累时间，不仅可以消除导航电文对矢量跟踪环路更新速率的影响，还可以进一步提高矢量跟踪环路的性能。

Description

一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法
技术领域
本发明涉及导航接收机设备研制领域，具体的说是一种针对北斗导航信号的基于非相干鉴别器的矢量跟踪环路设计及参数优化方法，其可运用在包括北斗卫星导航系统在内的导航信号接收终端设备的研制中。
背景技术
随着卫星导航系统应用领域的不断扩大，传统导航接收机在弱信号等复杂环境不能较好的满足定位等服务的需求。为了提高导航接收机弱信号下的跟踪灵敏度及跟踪动态，矢量跟踪环路(VTL:Vector Tracking Loop)受到了广泛的研究，研究表明，矢量跟踪技术在提高弱信号下跟踪性能的同时，还能大大缩短信号失锁重捕的时间，提高接收机的可用性。但是目前矢量跟踪技术的研究大部分基于全球定位系统(GPS:Global PositionSystem)中的L1CA信号体制展开。由于其电文速率为50Hz，因此，矢量跟踪环路通常也以50Hz的频度进行参数更新，这也导致矢量跟踪环路的复杂度较大，不利于实际工程实现。
随着我国北斗导航系统(BDS:BeiDou System)建设的不断推进，BDS-B1I信号目前正在为亚太地区的用户提供服务。相比L1CA信号而言，B1I信号最大的特点是系统同时播发D1信息速率(50bps)和D2信息速率(500bps)两种类型的信号。如果利用传统矢量跟踪环路处理B1I信号，将会面临D1电文信号和D2电文信号各自更新频度不一致的问题。
目前消除电文速率对矢量跟踪环路更新频度影响的技术方法主要是在各个通道中引入一个预滤波器，通过控制预滤波器输出频度调节矢量跟踪环路的更新频度。另外扩频系统中常用的非相干平方环的解调方法，也可以消除电文对环路更新频度的影响。
发明内容
背景技术中的方法虽然能够消除导航电文对矢量跟踪环路更新频度的影响，但是没有关注矢量跟踪环路中最优更新频度的参数设计方法，本发明给出了一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法，该方法通过优化非相干鉴别器的非相干积累时间，不仅可以消除导航电文对矢量跟踪环路更新速率的影响，还可以进一步提高矢量跟踪环路的性能。
为实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法，包括以下步骤：
步骤101，获取导航信号的数字中频信号Sr(t)；
导航信号经过接收机中的天线，射频前端，AD转换器后变为数字中频信号Sr(t)。
步骤102，接收机中包括N条信号跟踪通道，N等于进入矢量跟踪环路中的卫星数，一个信号跟踪通道跟踪一颗卫星的一个频点。每条信号跟踪通道包括一个数字控制振荡器和一个相关器，数字中频信号Sr(t)和数字控制振荡器生成的本地复制信号为信号跟踪通道中相关器的输入信号，相关器对各输入信号进行相干积分处理，得到各输入信号对应的相关值。
步骤103，将步骤102输出的相关值输入非相干鉴别器，非相干鉴别器对步骤102输出的相关值进行伪码相位和载波频率的误差估计，得到的鉴别误差结果即为本地复制信号和输入的数字中频信号Sr(t)间的伪码相位和载波频率的差异。
步骤104，将步骤103得到的鉴别误差结果输入到矢量跟踪环路中，矢量跟踪环路由步骤103给出的鉴别误差结果、当前时刻接收机运动状态参数和卫星运动参数，生成各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字，各条信号跟踪通道中的本地复制信号的载波频率和伪码频率通过各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字控制；其中当前接收机的运动状态由接收机实时解算得到，卫星运动参数从卫星星历中提取获得；
本发明步骤102中，具体包括以下步骤
步骤201，信号跟踪通道中的数字控制振荡器(NCO:Numerically ControlledOscillator)装置，用来生成本地复制信号，本地复制信号的载波频率和伪码频率通过NCO中的频率控制字控制，以保证复制信号和接收信号间的同步；
步骤202，本地复制信号包括同相支路(I)和正交支路(Q)的载波信号和超前支路(E),准时支路(P)，滞后支路(L)三路不同码相位的伪码信号合成的六路信号，分别为同相超前支路SIE(t),正交超前支路SQE(t),同相准时支路SIP(t),正交准时支路SQP(t),同相滞后支路SIL(t),正交滞后支路SQL(t)信号；
步骤203，相关器完成上述六路本地复制信号和接收的数字中频信号Sr(t)的相干积分处理，得到一组相干积分结果，分别为同相超前相干积分结果CIE,正交超前相干积分结果CQE,同相准时相干积分结果CIP,正交准时相干积分结果CQP,同相滞后相干积分结果CIL,正交滞后相干积分结果CQL；以CIE为例，其具体数学表达式为
其中Tcoh为相干积分时长；通常Tcoh和信号上的电文宽度相同。
本发明步骤103具体采用如下步骤：
步骤301，将步骤102得到的同相准时支路和正交准时支路的相干积分结果CIP和CQP进行复平方操作，剥离导航电文，得到平方后的同相/正交相关结果is和qs，分别为；
is＝CIP·CIP-CQP·CQP
qs＝2·CIP·CQP
步骤302，将步骤102得到的同相超前支路，正交超前支路，同相滞后支路和正交滞后支路的相干积分结果，即CIE、CQE和CIL、CQL，进行求包络处理，获得超前和滞后支路的包络值rE和rL；
步骤303，根据步骤301中得到的平方后的相关值is和qs和步骤302中的得到的包络值rE和rL，将其进行非相干积累，积累次数为M，得到非相干积累结果，分别为
步骤304，根据步骤303中前后两次准时支路平方积累后的非相干同相/正交积累结果 和(其中上标1表示前一次的积累结果，2表示当前积累结果)，完成本地信号和接收数字中频信号Sr(t)间载波频率误差的估计，输出结果记为εf，具体为
其中T为信号总积累时间。
步骤305，根据步骤303中得到的超前和滞后支路的非相干包络积累值，完成本地信号和接收中频信号Sr(t)间伪码相位误差的估计，输出结果记为ερ，
本发明的步骤104具体采用如下步骤：
步骤401，根据接收机运动状态参数和卫星运动状态参数求解当前时刻各个信号跟踪通道数字控制振荡器(NCO:Numerical Controlled Oscillator)中的频率控制字调整增量的预测结果，方法如下：
设接收机运动状态参数为其中为k时刻接收机在地心地固坐标系下的三维位置和钟差(相对于卫星钟),下标k代表时刻k，上标r代表接收机(如无特殊说明，本发明后面所有变量的下标k均表示该变量在k时刻的取值，上标r均用来标识接收机)；为接收机的三维速度和钟漂(相对于卫星钟)；类似的，第i颗卫星的运动状态参数可以表示为其中上标i表示第i颗卫星，i＝1,2,…N(如无特殊说明，本发明后面所有变量的上标i均用来标识是第i颗卫星)。
对于第i颗卫星，根据接收机中的伪距方程和多普勒方程可以得到前后历元间的差分方程，如下所示
算子Δ()k表示某变量在k+1和k时刻的差值；如表示接收机前后两时刻的状态参数的差，表示k+1时刻和k时刻卫星i的运动状态参数的差，该参数可以星历中获得； 为k时刻和k+1卫星i到接收机的伪距差；为k时刻和k+1卫星i到接收机的多普勒差值；N为进入矢量跟踪环路中的卫星数，为已知参数，为k时刻第i可卫星的观测矩阵或几何转换矩阵，具体为
其中分别定义如下
为接收机和第i卫星的几何距离，具体为：
将上述第i颗卫星扩展到所有卫星，并联立可以得到如下表达式
其中为k时刻所有卫星的观测量(伪距/多普勒)增量的矢量形式，为所有卫星的观测矩阵，为所有卫星的运行状态参数的增量按观测矩阵投影的大小，N为卫星数，上标1,2,…N,分别表示卫星的序号。
在上述差分方程组中，Hk和均可认为是已知量，但 需要知道k+1时刻的接收机运动状态参数，这在k时刻是不可能获取的。因此在k时刻获得k+1时刻的接收机运动状态参数只能借助运动模型进行预测，相应的，将预测的k+1时刻的接收机位置带入上述差分方程中，便可得到预测的预测增量和多普勒增量，具体描述如下。
接收机运动状态方程为：
其中Φ为相邻时刻的状态转移矩阵，ωk为过程噪声，其协方差阵为Q；Φ和Q具体通过下面获得；
其中Φx，Φy，Φz分别为接收机在地心地固坐标系坐标下xyz三维方向上的状态转移矩阵，Φc为接收机钟差维度的状态转移矩阵，Qx，Qy，Qz，分别为xyz三维方向上的过程噪声协方差矩阵，Qc为接收机钟差维度的过程噪声协方差矩阵，它们的具体表达式如下
其中Sq为接收机运动加速度噪声功率谱密度，通常根据经验来决定；St为钟差噪声功率谱密度，Sf为钟漂噪声功率谱密度，通常取St＝2×10-19，Sf＝2×10-21；
据此可以得到所有卫星的伪距和多普勒的增量预测结果具体如下
在卫星运动状态参数已知的情况下，的预测精度取决于接收机运动状态的预测精度，即有
其中为接收机当前时刻状态参数协方差矩阵，为根据当前接收机的状态参数预测的下一时刻状态参数预测协方差矩阵；
步骤402，
矢量跟踪环路以步骤304和305中非相干鉴别器输出的伪码相位和载波频率误差结果作为观测量，对步骤401中的预测结果进行加权修正，修正时需要计算加权矩阵，其最优加权矩阵为
其中R为各个卫星跟踪通道中鉴别器输出结果的噪声协方差矩阵，为对角矩阵。具体为
其中和分别为第i颗卫星跟踪通道中的伪码相位鉴别器输出结果的方差和多普勒频率鉴别器输出结果的方差，它们具体表达式为
其中SNRd为输入鉴别器的信号的信噪比。
根据上述求得的最优加权矩阵，和401中的预测结果，得到最终各颗卫星的伪距和多普勒的增量估计结果，具体如下所示：
其中该矢量中每一项的上标1,2,…N,分别表示卫星的序号，下标表示第k时刻，该矢量中每一项是从步骤304和305得到的。
根据各颗卫星的伪距和多普勒增量，可以简单的获得当前NCO中多普勒频率控制字的调整值，具体如下所示：
其中和为k时刻第i颗卫星的伪码多普勒频率控制字和载波多普勒频率控制字的调整值，和分别为伪码相位和载波多普勒频率的增量估计结果，Ratecode为信号的伪码速率，RFcarr为信号的载波射频频率，c为光在真空中传播的速度。
本发明还提供一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪接收机，包括信号跟踪通道、非相干鉴别器和矢量跟踪环路，导航信号经过接收机中的天线、射频前端，AD转换器后变为数字中频信号Sr(t)，信号跟踪通道有N条，每条信号跟踪通道均包括一个数字控制振荡器和一个相关器，数字中频信号和数字控制振荡器生成的本地复制信号为信号跟踪通道中相关器的输入信号，相关器对各输入信号进行相干积分处理，得到各输入信号对应的相关值；信号跟踪通道输出的相关值输入非相干鉴别器，非相干鉴别器根据相关值获得本地复制信号和接收信号伪码/载波相位或频率的差异，并将鉴别误差结果送给矢量跟踪环路，矢量跟踪环路根据鉴别误差结果以及当前时刻接收机运动状态参数和卫星运动参数，生成各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字，各条信号跟踪通道中的本地复制信号的载波频率和伪码频率通过各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字控制。
其中，本地复制信号包括由同相支路(I)和正交支路(Q)的载波信号和超前支路(E),准时支路(P)，滞后支路(L)三路不同码相位的伪码信号合成的六路信号，分别为同相超前支路SIE(t),正交超前支路SQE(t),同相准时支路SIP(t),正交准时支路SQP(t),同相滞后支路SIL(t),正交滞后支路SQL(t)信号；
相关器完成上述六路本地复制信号和接收的中频信号Sr(t)的相干积分处理，得到一组相干积分结果，分别为同相超前相干积分结果CIE,正交超前相干积分结果CQE,同相准时相干积分结果CIP,正交准时相干积分结果CQP,同相滞后相干积分结果CIL,正交滞后相干积分结果CQL；所述非相干鉴别器包括复平方处理装置，求包络装置、非相干积累装置、多普勒频率鉴别器和伪码相位鉴别器；
复平方处理装置将得到的同相准时支路和正交准时支路的相干积分结果CIP和CQP进行复平方操作，剥离导航电文，得到平方后的同相/正交相关结果is和qs；
求包络装置将得到的同相超前支路，正交超前支路，同相滞后支路和正交滞后支路的相干积分结果，即CIE、CQE和CIL、CQL，进行求包络处理，获得超前和滞后支路的包络值rE和rL；
非相干积累装置将得到的平方后的相关值is、qs和包络值rE、rL，分别进行非相干积累，得到积累后的结果Is、Qs、RE、RL；
多普勒频率鉴别器根据前后两次准时支路平方积累后的非相干同相/正交积累结果 和完成本地信号和接收中频信号Sr(t)间载波频率误差的估计；
伪码相位鉴别器根据非相干积累装置中得到的超前和滞后支路的非相干包络积累值RE和RL，完成本地信号和接收中频信号Sr(t)间伪码相位误差的估计。
其中：所述矢量跟踪环路包括所有卫星的伪距和多普勒增量预测装置、伪距和多普勒增量修正装置。
伪距和多普勒的增量预测装置将接收机解算的当前时刻运动状态参数以及从星历中获取的卫星运动状态参数，根据接收机运动模型，预测下一时刻所有卫星的伪距和多普勒的增量结果
伪距和多普勒增量修正装置根据各颗卫星的伪码相位和载波频率误差估计的结果，对增量的预测结果按估计均方误差最小原则进行加权，得到最终的增量估计结果ΔYk，并将该结果转化为各个通道NCO的频率控制字，实现对信号的闭环跟踪控制。
本发明的有益技术效果是：
1、在基于非相干鉴别器的矢量跟踪环路中，通过调整非相干积累次数可以控制环路的更新间隔，并将其作为矢量跟踪环路的一个参数进行优化设计。对于不同的优化目标，可以建立不同的优化模型对环路跟踪参数进行优化设计，从而进一步提高矢量跟踪环路的性能。
2、对于基于非相干鉴别器的矢量跟踪环路，其更新频度和导航电文速率无关，可用于北斗B1I信号的接收，针对中低动态用户而言，更新间隔可以降低至亚秒量级，在保证跟踪性能的同时降低矢量跟踪环路的计算复杂度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为信号跟踪通道的结构示意图
图3为矢量跟踪接收机中非相干鉴别器的结构示意图
图4为接收机矢量跟踪环路的结构示意图
图5为在0.1g的加速度下，不同更新间隔下各颗卫星的1-σ频率跟踪抖动数值计算结果
图6为以跟踪抖动最小为目标求得的不同动态下各颗卫星的最优更新间隔及跟踪抖动
图7为更新间隔为0.3s，信号强度为20dBHz时B1I信号下基于非相干鉴别器的矢量跟踪环路最终的定位精度和测速结果。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提出了一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法，使得矢量跟踪方法可以用于B1I信号的接收，通过优化矢量跟踪方法的更新频度，可以提高矢量跟踪环路的性能。
图1给出了本发明一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法的流程框图，其中包括以下步骤：
步骤101，导航信号经过接收机中的天线，射频前端，AD转换器后变为数字中频信号Sr(t)；
步骤102，接收机中包括N条信号跟踪通道，N等于进入矢量跟踪环路中的卫星数，一个信号跟踪通道跟踪一颗卫星的一个频点。每条信号跟踪通道包括一个数字控制振荡器和一个相关器，数字中频信号Sr(t)和数字控制振荡器生成的本地复制信号为信号跟踪通道中相关器的输入信号，相关器对各输入信号进行相干积分处理，得到各输入信号对应的相关值；
步骤103，将步骤102输出的相关值输入非相干鉴别器，非相干鉴别器对步骤102输出的相关值进行伪码相位和载波频率的误差估计，输出的鉴别误差结果即为本地复制信号和输入的数字中频信号Sr(t)间的伪码相位和载波频率的差异，鉴别器输出的鉴别误差结果送给步骤104中的矢量跟踪环路；
步骤104，接收机中的矢量跟踪环路，其输入是步骤103给出鉴别误差结果，105给出当前时刻接收机运动状态参数和106给出的卫星运动参数，生成各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字，各条信号跟踪通道中的本地复制信号的载波频率和伪码频率通过各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字控制；其中当前接收机的运动状态参数由接收机实时解算得到，卫星运动参数从卫星星历中提取获得。
图2给出了矢量接收机中的信号跟踪通道的结构设计框图，采用如下步骤
步骤201，信号跟踪通道中的数字控制振荡器(NCO:Numerically ControlledOscillator)装置，用来生成本地复制信号，复制信号的载波频率和伪码频率通过NCO中的频率控制字控制，以保证复制信号和接收信号间的同步；
步骤202，本地复制信号包括由同相支路(I)和正交支路(Q)的载波信号和超前支路(E),准时支路(P)，滞后支路(L)三路不同码相位的伪码信号合成的六路信号，分别为同相超前支路SIE(t),正交超前支路SQE(t),同相准时支路SIP(t),正交准时支路SQP(t),同相滞后支路SIL(t),正交滞后支路SQL(t)信号；
步骤203，相关器完成上述六路本地复制信号和接收的数字中频信号Sr(t)的相干积分处理，得到一组相干积分结果，分别为同相超前相干积分结果CIE,正交超前相干积分结果CQE,同相准时相干积分结果CIP,正交准时相干积分结果CQP,同相滞后相干积分结果CIL,正交滞后相干积分结果CQL；以CIE为例，其具体数学表达式为
其中Tcoh为相干积分时长；通常Tcoh和信号上的电文宽度相同。
图3给出了本发明中的非相干鉴别器设计图，具体步骤如下
步骤301，将步骤102得到的同相准时支路和正交准时支路的相干积分结果CIP和CQP进行复平方操作，剥离导航电文，得到平方后的同相/正交相关结果is和qs，分别为；
is＝CIP·CIP-CQP·CQP
qs＝2·CIP·CQP
步骤302，将步骤102得到的同相超前支路，正交超前支路，同相滞后支路和正交滞后支路的相干积分结果，即CIE、CQE和CIL、CQL，进行求包络处理，获得超前和滞后支路的包络值rE和rL；
步骤303，根据步骤301中得到的平方后的相关值is和qs和步骤302中的得到的包络值rE和rL，将其进行非相干积累，积累次数为M，得到非相干积累结果，分别为
步骤304，根据步骤303中前后两次准时支路平方积累后的非相干同相/正交积累结果 和(其中上标1表示前一次的积累结果，2表示当前积累结果)，完成本地信号和接收数字中频信号Sr(t)间载波频率误差的估计，输出结果记为εf，具体为
其中T为信号总积累时间；
步骤305，根据步骤303中得到的超前和滞后支路的非相干包络积累值，完成本地信号和接收的数字中频信号Sr(t)间伪码相位误差的估计，输出结果记为ερ，
图4给出了本发明中的矢量跟踪环路设计结构图，其典型步骤如下
步骤401，根据接收机运动状态参数和卫星运动状态参数求解当前时刻各个信号跟踪通道数字控制振荡器(NCO:Numerical Controlled Oscillator)中的频率控制字调整增量的预测结果，方法如下：
设接收机运动状态参数为其中为k时刻接收机在地心地固坐标系下的三维位置和钟差(相对于卫星钟),下标k代表时刻k，上标r代表接收机(如无特殊说明，本发明后面所有变量的下标k均表示该变量在k时刻的取值，上标r均用来标识接收机)；为接收机的三维速度和钟漂(相对于卫星钟)；类似的，第i颗卫星的运动状态参数可以表示为其中上标i表示第i颗卫星，i＝1,2,…N(如无特殊说明，本发明后面所有变量的上标i均用来标识是第i颗卫星)。
对于第i颗卫星，根据接收机中的伪距方程和多普勒方程可以得到前后历元间的差分方程，如下所示
算子Δ()k表示某变量在k+1和k时刻的差值；如表示接收机前后两时刻的状态参数的差；表示k+1时刻和k时刻卫星i的运动状态参数的差，该参数可以星历中获得； 为k时刻和k+1卫星i到接收机的伪距差；为k时刻和k+1卫星i到接收机的多普勒差值；N为进入矢量跟踪环路中的卫星数，为已知参数；为k时刻第i可卫星的观测矩阵或几何转换矩阵，具体为
其中分别定义如下
为接收机和第i卫星的几何距离，具体为：
将上述第i颗卫星扩展到所有卫星，并联立可以得到如下表达式
其中为k时刻所有卫星的观测量(伪距/多普勒)增量的矢量形式，为所有卫星的观测矩阵，为所有卫星的运行状态参数的增量按观测矩阵投影的大小，N为卫星数，上标1,2,…N,分别表示卫星的序号。
在上述差分方程组中，Hk和均可认为是已知量，而 需要知道k+1时刻的接收机运动状态参数，而这在k时刻是不可能获取的。因此知道k+1时刻的接收机运动状态参数只能借助运动模型进行预测，相应的，将预测的k+1时刻的接收机位置带入上述差分方程中，便可得到预测的预测增量和多普勒增量，具体描述如下。
接收机运动状态方程为：
其中Φ为相邻时刻的状态转移矩阵，ωk为过程噪声，其协方差阵为Q；Φ和Q具体通过下面获得；
其中Φx，Φy，Φz分别为接收机在地心地固坐标系坐标下xyz三维方向上的状态转移矩阵，Φc为接收机钟差维度的状态转移矩阵，Qx，Qy，Qz，分别为xyz三维方向上的过程噪声协方差矩阵，Qc为接收机钟差维度的过程噪声协方差矩阵，它们的具体表达式如下
其中Sq为接收机运动加速度噪声功率谱密度，通常根据经验来决定；St为钟差噪声功率谱密度，Sf为钟漂噪声功率谱密度，通常取St＝2×10-19，Sf＝2×10-21；
据此可以得到所有卫星的伪距和多普勒的增量预测结果具体如下
在卫星运动状态参数已知的情况下，的预测精度取决于接收机运动状态的预测精度，即有
其中为接收机当前时刻状态参数协方差矩阵，为根据当前接收机的状态参数预测的下一时刻状态参数预测协方差矩阵；
步骤402，矢量跟踪环路以步骤304和305中鉴别器输出的伪码相位和载波频率误差结果作为观测量，对步骤401中的预测结果进行加权修正，修正时需要计算加权矩阵，其最优加权矩阵为
其中R为各个卫星跟踪通道中鉴别器输出结果的噪声协方差矩阵，为对角矩阵。具体为
其中和分别为第i颗卫星跟踪通道中的伪码相位鉴别器输出结果的方差和多普勒频率鉴别器输出结果的方差，它们具体表达式为
其中SNRd为输入鉴别器的信号的信噪比；
根据上述求得的最优加权矩阵，和401中的预测结果，得到最终各颗卫星的伪距和多普勒的增量估计结果，具体如下所示：
其中该矢量中每一项的上标1,2,…N,分别表示卫星的序号，下标表示第k时刻，它们是从步骤304和305得到的。
根据各颗卫星的伪距和多普勒增量，可以获得当前NCO中多普勒频率控制字的调整值，具体如下所示：
其中和为k时刻第i颗卫星的伪码多普勒频率控制字和载波多普勒频率控制字的调整值，和分别为伪码相位和载波多普勒频率的增量估计结果，Ratecode为信号的伪码速率，RFcarr为信号的载波射频频率，c为光在真空中传播的速度。
图5、图6和图7为本实施例在不同条件下的性能分析及仿真结果。
其中图5为在0.1g的加速度下，采用某时刻北斗星座进行数值计算得到的不同更新间隔下各颗卫星的1-σ频率跟踪抖动数值结果，从结果中可以看出，存在最优的更新间隔，使的卫星的跟踪精度达到最小。
图6为以卫星多普勒跟踪抖动最小为目标，求解得到的不同用户动态下北斗星座中各科卫星的最优更新间隔和最小跟踪抖动，从结果中可以看到，接收机动态越大，最优更新间隔越小，最小频率跟踪抖动越大。
图7为利用北斗星座仿真的在B1I信号下，当信号强度为20dBHz时，基于非相干鉴别器的矢量跟踪环路方法在更新间隔为0.3s时，接收机最终的定位精度和测速结果。从结果中可以看到，在这种条件下，基于非相干鉴别器的矢量跟踪环路可以以较低的更新间隔工作，并且最终的接收机性能较好，其95％的定位精度可达到10.4m，95％的测速精度为0.22m/s/。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。

Claims (6)

1.一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤101，获取导航信号的数字中频信号Sr(t)；
步骤102，接收机中包括N条信号跟踪通道，每条信号跟踪通道包括一个数字控制振荡器和一个相关器，数字中频信号Sr(t)和数字控制振荡器生成的本地复制信号为信号跟踪通道中相关器的输入信号，相关器对各输入信号进行相干积分处理，得到各输入信号对应的相关值；步骤102中，本地复制信号包括由同相支路(I)和正交支路(Q)的载波信号和超前支路(E),准时支路(P)，滞后支路(L)三路不同码相位的伪码信号合成的六路信号，分别为同相超前支路SIE(t),正交超前支路SQE(t),同相准时支路SIP(t),正交准时支路SQP(t),同相滞后支路SIL(t),正交滞后支路SQL(t)信号；
相关器完成上述六路本地复制信号和接收的中频信号Sr(t)的相干积分处理，得到一组相干积分结果，分别为同相超前相干积分结果CIE,正交超前相干积分结果CQE,同相准时相干积分结果CIP,正交准时相干积分结果CQP,同相滞后相干积分结果CIL,正交滞后相干积分结果CQL；
步骤103，将步骤102输出的相关值输入非相干鉴别器，非相干鉴别器对步骤102输出的相关值进行伪码相位和载波频率的误差估计，输出的鉴别误差结果即为本地复制信号和输入的数字中频信号Sr(t)间的伪码相位和载波频率的差异；步骤103采用如下步骤实现：
步骤301，将步骤102得到的同相准时支路和正交准时支路的相干积分结果CIP和CQP进行复平方操作，剥离导航电文，得到平方后的同相/正交相关结果is和qs，分别为；
is＝CIP·CIP-CQP·CQP
qs＝2·CIP·CQP
步骤302，将步骤102得到的同相超前支路，正交超前支路，同相滞后支路和正交滞后支路的相干积分结果，即CIE、CQE和CIL、CQL，进行求包络处理，获得超前和滞后支路的包络值rE和rL；
步骤303，根据步骤301中得到的平方后的相关值is和qs和步骤302中的得到的包络值rE和rL，将其进行非相干积累，积累次数为M，得到非相干积累结果，分别为
步骤304，根据步骤303中前后两次准时支路平方积累后的非相干同相/正交积累结果 和其中上标1表示前一次的积累结果，2表示当前积累结果，完成本地信号和接收数字中频信号Sr(t)间载波频率误差的估计，输出结果记为εf，具体为
其中T为信号总积累时间；
步骤305，根据步骤303中得到的超前和滞后支路的非相干包络积累值，完成本地信号和接收数字中频信号Sr(t)间伪码相位误差的估计，输出结果记为ερ，
步骤104，将步骤103得到的鉴别误差结果输入到矢量跟踪环路中，矢量跟踪环路由步骤103给出的鉴别误差结果，当前时刻接收机运动状态参数和卫星运动参数，生成各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字，各条信号跟踪通道中的本地复制信号的载波频率和伪码频率通过各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字控制；其中当前接收机的运动状态由接收机实时解算得到，卫星运动参数从卫星星历中提取获得；步骤104采用如下步骤实现：
步骤401，根据接收机运动状态参数和卫星运动状态参数求解当前时刻各个信号跟踪通道数字控制振荡器中的频率控制字调整增量的预测结果，方法如下：
设接收机运动状态参数为其中为k时刻接收机在地心地固坐标系下的三维位置和钟差(相对于卫星钟),下标k代表时刻k，上标r代表接收机；为接收机的三维速度和钟漂(相对于卫星钟)；类似的，第i颗卫星的运动状态参数可以表示为其中上标i表示第i颗卫星，i＝1,2,…N；
对于第i颗卫星，根据接收机中的伪距方程和多普勒方程可以得到前后历元间的差分方程，如下所示
算子Δ()k表示某变量在k+1和k时刻的差值；如 ， 表示接收机前后两时刻的状态参数的差，表示k+1时刻和k时刻卫星i的运动状态参数的差，该参数可以星历中获得， 为k时刻和k+1卫星i到接收机的伪距差，为k时刻和k+1卫星i到接收机的多普勒差值；N为进入矢量跟踪环路中的卫星数，为已知参数；为k时刻第i可卫星的观测矩阵或几何转换矩阵，具体为
其中分别定义如下
为接收机和第i卫星的几何距离，具体为：
将上述第i颗卫星扩展到所有卫星，并联立可以得到如下表达式
其中为k时刻所有卫星的观测量增量的矢量形式， 为所有卫星的观测矩阵，为所有卫星的运行状态参数的增量按观测矩阵投影的大小，N为卫星数，上标1,2,…N,分别表示卫星的序号；
在差分方程中，Hk和均是已知量，而 需要知道k+1时刻的接收机运动状态参数，在k时刻获得k+1时刻的接收机运动状态参数只能借助运动模型进行预测，相应的，将预测的k+1时刻的接收机位置带入上述差分方程中，便可得到预测的预测增量和多普勒增量，方法如下：
接收机运动状态方程为：
其中Φ为相邻时刻的状态转移矩阵，ωk为过程噪声，其协方差阵为Q；Φ和Q具体通过下面获得；
其中Φx，Φy，Φz分别为接收机在地心地固坐标系坐标下xyz三维方向上的状态转移矩阵，Φc为接收机钟差维度的状态转移矩阵，Qx，Qy，Qz，分别为xyz三维方向上的过程噪声协方差矩阵，Qc为接收机钟差维度的过程噪声协方差矩阵，它们的具体表达式如下
其中Sq为接收机运动加速度噪声功率谱密度；St为钟差噪声功率谱密度，Sf为钟漂噪声功率谱密度，取St＝2×10-19，Sf＝2×10-21；
据此可以得到所有卫星的伪距和多普勒的增量预测结果具体如下
在卫星运动状态参数已知的情况下，的预测精度取决于接收机运动状态的预测精度，即有
其中为接收机当前时刻状态参数协方差矩阵，为根据当前接收机的状态参数预测的下一时刻状态参数预测协方差矩阵；
步骤402，矢量跟踪环路以步骤304和305中非相干鉴别器输出的伪码相位和载波频率误差结果作为观测量，对步骤401中的预测结果进行加权修正，修正时需要计算加权矩阵，其最优加权矩阵为
其中R为各个卫星跟踪通道中非相干鉴别器输出结果的噪声协方差矩阵，为对角矩阵；
其中和分别为第i颗卫星跟踪通道中的伪码相位鉴别器输出结果的方差和多普勒频率鉴别器输出结果的方差，它们具体表达式为
其中SNRd为输入鉴别器的信号的信噪比；
根据最优加权矩阵和步骤401中的预测结果，得到最终各颗卫星的伪距和多普勒的增量估计结果，如下所示：
其中该矢量中每一项的上标1,2,…N,分别表示卫星的序号，下标表示第k时刻，矢量中每一项是从步骤304和305得到的；
根据各颗卫星的伪距和多普勒增量，可获得当前数字控制振荡器中多普勒频率控制字的调整值，具体如下所示：
其中和为k时刻第i颗卫星的伪码多普勒频率控制字和载波多普勒频率控制字的调整值，和分别为伪码相位和载波多普勒频率的增量估计结果，Ratecode为信号的伪码速率，RFcarr为信号的载波射频频率，c为光在真空中传播的速度。
2.根据权利要求1所述的基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法，其特征在于步骤101中，导航信号经过接收机中的天线，射频前端，AD转换器后变为数字中频信号Sr(t)。
3.根据权利要求2所述的基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法，其特征在于步骤102中N等于进入矢量跟踪环路中的卫星数，一个信号跟踪通道跟踪一颗卫星的一个频点。
4.一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪接收机，其特征在于：包括信号跟踪通道、非相干鉴别器和矢量跟踪环路，导航信号经过接收机中的天线、射频前端，AD转换器后变为数字中频信号Sr(t)，信号跟踪通道有N条，每条信号跟踪通道均包括一个数字控制振荡器和一个相关器，数字中频信号和数字控制振荡器生成的本地复制信号为信号跟踪通道中相关器的输入信号，相关器对各输入信号进行相干积分处理，得到各输入信号对应的相关值；信号跟踪通道输出的相关值输入非相干鉴别器，非相干鉴别器根据相关值获得本地复制信号和接收信号伪码/载波相位或频率的差异，并将鉴别误差结果送给矢量跟踪环路，矢量跟踪环路根据鉴别误差结果以及当前时刻接收机运动状态参数和卫星运动参数，生成各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字，各条信号跟踪通道中的本地复制信号的载波频率和伪码频率通过各条信号跟踪通道中数字控制振荡器中的频率控制字控制；
所述矢量跟踪环路包括所有卫星的伪距和多普勒增量预测装置、伪距和多普勒增量修正装置；
伪距和多普勒的增量预测装置将接收机解算的当前时刻运动状态参数以及从星历中获取的卫星运动状态参数，根据接收机运动模型，预测下一时刻所有卫星的伪距和多普勒的增量结果
伪距和多普勒增量修正装置根据各颗卫星的伪码相位和载波频率误差估计的结果，对增量的预测结果按估计均方误差最小原则进行加权，得到最终的增量估计结果ΔYk，并将该结果转化为各个通道数字控制振荡器的频率控制字，实现对信号的闭环跟踪控制。
5.根据权利要求4所述的基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪接收机，其特征在于：本地复制信号包括由同相支路(I)和正交支路(Q)的载波信号和超前支路(E),准时支路(P)，滞后支路(L)三路不同码相位的伪码信号合成的六路信号，分别为同相超前支路SIE(t),正交超前支路SQE(t),同相准时支路SIP(t),正交准时支路SQP(t),同相滞后支路SIL(t),正交滞后支路SQL(t)信号；
相关器完成上述六路本地复制信号和接收的中频信号Sr(t)的相干积分处理，得到一组相干积分结果，分别为同相超前相干积分结果CIE,正交超前相干积分结果CQE,同相准时相干积分结果CIP,正交准时相干积分结果CQP,同相滞后相干积分结果CIL,正交滞后相干积分结果CQL。
6.根据权利要求5所述的基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪接收机，其特征在于：非相干鉴别器包括复平方处理装置，求包络装置、非相干积累装置、多普勒频率鉴别器和伪码相位鉴别器；
复平方处理装置将得到的同相准时支路和正交准时支路的相干积分结果CIP和CQP进行复平方操作，剥离导航电文，得到平方后的同相/正交相关结果is和qs；
求包络装置将得到的同相超前支路，正交超前支路，同相滞后支路和正交滞后支路的相干积分结果，即CIE、CQE和CIL、CQL，进行求包络处理，获得超前和滞后支路的包络值rE和rL；
非相干积累装置将得到的平方后的相关值is、qs和包络值rE、rL，分别进行非相干积累，得到积累后的结果Is、Qs、RE、RL；多普勒频率鉴别器根据前后两次准时支路平方积累后的非相干同相/正交积累结果和完成本地信号和接收中频信号Sr(t)间载波频率误差的估计；
伪码相位鉴别器根据非相干积累装置中得到的超前和滞后支路的非相干包络积累值RE和RL，完成本地信号和数字中频信号Sr(t)间伪码相位误差的估计。
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