CN107765270B - 一种基于卡尔曼滤波的卫星导航接收机跟踪环 - Google Patents

Abstract

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种基于卡尔曼滤波的卫星导航接收机跟踪环。混频模块和相关模块将接收机下变频采样后的中频信号处理得到的基带信号传输至相干积分模块，相干积分模块将得到的相干积分值分别传输至码鉴相器、载波鉴频器和载波鉴相器中，其特征为：所述的跟踪环还包括卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器将码鉴相器、载波鉴频器和载波鉴相器得到的码、载波鉴别结果进行卡尔曼滤波，所得的滤波估计结果控制载波数控振荡器和码数控振荡器产生新的本地载波信号和码信号，实现信号跟踪功能。提供一种能够有效提高接收机在高动态、弱信号条件下跟踪性能的卫星导航接收机跟踪环。

Description

一种基于卡尔曼滤波的卫星导航接收机跟踪环

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，涉及一种基于卡尔曼滤波的卫星导航接收机跟踪环。

背景技术

卫星导航系统能够在全球范围内提供准确的定位、测速及授时服务。对于高动态、弱信号的应用环境，接收机的跟踪环设计面临高动态、弱信号的技术难点。一方面高动态通常要求足够大的跟踪环路带宽以容忍高动态引起的频率、相位变化，然而增大环路带宽将引入更多的噪声，使得环路噪声及跟踪性能下降；另一方面，弱信号通常要求小的环路带宽，以及足够长的相干累加时间以增强跟踪环路的跟踪灵敏度，然而减小环路带宽、延长相干累加时间降低了接收机的动态性能，而且相干累加时间的长度受数据码符号翻转的限制。特别是北斗二代导航信号，北斗GEO卫星播发D2电文的码率为500bps；非GEO卫星播发D1电文的码率为50bps，并调制20比特码率为1Kbps的二级码。受限于上述较高的电文码率，接收机无法延长相干累加时间，而采用非相干累加，会引入额外的平方损耗。

现有卫星接收机中得到工程应用的跟踪环，主要采用锁相环或锁频环。针对上述问题，典型技术方案是在跟踪环路中，增加跟踪环阶数、或采用锁频环辅助锁相环架构，并针对高动态、弱信号设置环路带宽。此类方案的不足在于，环路带宽参数需要针对高动态与弱信号进行折中设计，且带宽参数固定或在几组参数中进行切换，不能依据实际载体动态及信号强度达到跟踪性能的最优。此外，部分理论研究提出了采用卡尔曼滤波进行环路跟踪的方案，但大多采用相干式设计，即直接以基带信号相干积分结果(I、Q)作为滤波器观测量，要求采用无迹卡尔曼滤波等非线性卡尔曼滤波算法，滤波器维数高，计算量大；并且需要将相干积分结果的信号幅度假设为常值或纳入滤波状态量，对低信噪比时的滤波精度及计算量产生了不利影响；此外此类方案直接从相干积分结果中提取码相位跟踪信息，因此需要较高的载波跟踪精度，由于上述不足目前尚未得到工程应用。

发明内容

本发明解决的技术问题：提供一种能够有效提高接收机在高动态、弱信号条件下跟踪性能的卫星导航接收机跟踪环。

本发明的技术方案：一种基于卡尔曼滤波的卫星导航接收机跟踪环，所述的跟踪环包括混频模块、相关模块、相干积分模块、码鉴相器、载波鉴频器、载波鉴相器、载波数控振荡器和码数控振荡器，混频模块和相关模块将接收机下变频采样后的中频信号处理得到的基带信号传输至相干积分模块，相干积分模块将得到的相干积分值分别传输至码鉴相器、载波鉴频器和载波鉴相器中，

其特征为：所述的跟踪环还包括卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器将码鉴相器、载波鉴频器和载波鉴相器得到的码、载波鉴别结果进行卡尔曼滤波，所得的滤波估计结果控制载波数控振荡器和码数控振荡器产生新的本地载波信号和码信号，实现信号跟踪功能。

作为本技术方案的一种改进，卡尔曼滤波器对码鉴相器、载波鉴频器和载波鉴相器得到的码、载波鉴别结果进行卡尔曼滤波时，利用载噪比调节卡尔曼滤波增益，对于配置有噪声通道的接收机，采用相关器比较法计算载噪比。

作为本技术方案的一种改进，采用非相干归一化超前减滞后幅值码鉴相器、点积比叉积的四象限反正切载波鉴频器和二象限反正切载波鉴相器计算得出码、载波鉴别结果。

作为本技术方案的一种改进，通过以下公式进行卡尔曼滤波估计：

系统状态量选为4维：

状态量依次为载波相位加速度误差

载波频率误差δf、载波相位误差δφ和码相位误差δτ；

系统状态方程为：

其中β为弧度与码片的单位转换系数，f和λ为跟踪信号的频率和波长，w_a为视线加速度误差驱动噪声，w_d为钟漂驱动噪声，w_b为钟差驱动噪声，w_δτ为码跟踪误差驱动噪声；系统噪声方差阵由接收机动态以及接收机钟差、钟漂等参数确定；

系统观测量为：

Z＝[f_e φ_e ε]^T

其中观测量依次为载波鉴频器、载波鉴相器和码鉴相器的输出值；

系统观测方程为：

其中v₁、v₂、v₃分别为载波鉴频器、载波鉴相器和码鉴相器的量测噪声，量测噪声方差阵由当前载噪比C/N₀确定。

作为本技术方案的一种改进，控制载波数控振荡器和码数控振荡器的调整量通过以下公式计算：

其中，

分别为当前时刻的载波频率误差、载波相位误差以及码相位误差的状态估计值，

为前一时刻的载波相位误差状态估计值，NCO_code为码数控振荡器调整量，NCO_carr为载波数控振荡器调整量。

本发明的有益效果：本专利将最优估计技术与接收机基带信号处理以及环路跟踪技术进行整合，解决了传统卫星接收机跟踪环，在高动态、弱信号条件下环路设计的技术难点。采用基于卡尔曼滤波器的卫星接收机跟踪环，实现跟踪环路的自适应调节，可有效提高卫星接收机在高动态、弱信号条件下的跟踪性能。

附图说明

图1为卫星导航接收机系统框图。

具体实施方式

图1中，基于卡尔曼滤波的跟踪环由混频模块、相关模块、相干积分模块、码鉴相器、载波鉴频器、载波鉴相器、载波数控振荡器和码数控振荡器构成，替代传统的接收机跟踪环。该跟踪环的基本工作原理如下：系统由射频天线接收北斗二代射频信号、经过射频前端下变频得到中频信号；中频信号与接收机本地载波和本地码进行混频相关，得到同相、正交支路上超前、即时、滞后信号的相干积分值；上述信号分别送入码鉴相器进行码鉴相，送入载波鉴频器中进行载波鉴频相，送入载波鉴相器中进行载波鉴相；所得码、载波鉴别结果作为观测量送入卡尔曼滤波器进行滤波估计；利用滤波估计结果控制载波数控振荡器和码数控振荡器产生新的本地载波信号和码信号，实现信号跟踪功能。

基于卡尔曼滤波的跟踪环的工作流程包括：

步骤1：载噪比的计算

载噪比C/N₀是卫星接收机中反映当前信号强度的一个重要参数，利用跟踪阶段的相干积分结果计算载噪比，以其自适应调节卡尔曼滤波增益，从而增强跟踪环路在低信噪比下的跟踪性能。利用采样后的数字信号，进行载噪比估算的典型算法包括方差求和法(VSM)和功率比率法(PRM)等。对于配置有噪声通道的接收机，采用相关器比较法较为简便，具体如下：

首先计算Z值：

其中，I_P(n)和Q_P(n)为即时通道的相干积分结果，I_N(n)为噪声通道的相干积分结果。对上述相干积分结果进行M次累加，以平滑C/N₀计算结果。

进一步计算C/N₀：

其中，C/N₀单位为Hz，T为相干积分时间。

步骤2：码/载波鉴别器计算

由于跟踪环路的更新频率高达1kHz，非线性卡尔曼滤波器庞大的计算量，目前难以满足实时性要求。因此采用码、载波鉴别器得到线性化的鉴相、鉴频结果，便于缩减卡尔曼滤波器的设计复杂度。鉴别器从相干积分结果中提取环路跟踪所需的码和载波相位、频率误差信息，是一个非线性过程，为减小鉴别器非线性误差，选择线性化程度好的鉴别器：

这里的码鉴别器即码鉴相器，采用非相干归一化超前减滞后幅值法：

其中，I_E、Q_E、I_L、Q_L为超前支路和滞后支路的相干积分结果。这里的载波鉴别器包括鉴频器和鉴相器。载波鉴频器采用点积比叉积的四象限反正切法：

其中，I_P1,Q_P1为t₁时刻的即时支路相干积分结果，I_P2,Q_P2为t₂时刻的即时支路相干积分结果。

载波鉴相器采用二象限反正切法：

φ_e＝ATAN(Q_P/I_P)

其中，I_P,Q_P即时支路相干积分结果。

步骤3：卡尔曼滤波估计

为兼顾动态性能和计算量，系统状态量选为4维：

状态量依次为载波相位加速度误差

载波频率误差δf、载波相位误差δφ和码相位误差δτ。

系统状态方程为：

其中，β为弧度与码片的单位转换系数，f和λ为跟踪信号的频率和波长，w_a为视线加速度误差驱动噪声，w_d为钟漂驱动噪声，w_b为钟差驱动噪声，w_δτ为码跟踪误差驱动噪声。系统噪声方差阵由接收机动态以及接收机钟差、钟漂等参数确定。

系统观测量为：

Z＝[f_e φ_e ε]^T

其中观测量依次为载波鉴频器、载波鉴相器和码鉴相器的输出值。

系统观测方程为：

其中，v₁、v₂、v₃分别为载波鉴频器、载波鉴相器和码鉴相器的量测噪声。量测噪声方差阵由当前载噪比C/N₀确定。

步骤4：码/载波数控振荡器调整量计算

利用卡尔曼滤波器的状态估计量，计算得到相应的码和载波的数控振荡器调整量，控制产生本地载波信号和码信号，从而完成接收机信号的闭环跟踪。计算公式为：

其中，

分别为当前时刻的载波频率误差、载波相位误差以及码相位误差的状态估计值，

为前一时刻的载波相位误差状态估计值。

Claims (1)

1.一种基于卡尔曼滤波的卫星导航接收机跟踪环，所述的跟踪环包括混频模块、相关模块、相干积分模块、码鉴相器、载波鉴频器、载波鉴相器、载波数控振荡器和码数控振荡器，接收机下变频采样后的中频信号经过混频模块和相关模块处理得到基带信号，基带信号传输至相干积分模块，相干积分模块将得到的相干积分值分别传输至码鉴相器、载波鉴频器和载波鉴相器中，

其特征为：所述的跟踪环还包括卡尔曼滤波器，卡尔曼滤波器将码鉴相器、载波鉴频器和载波鉴相器得到的码、载波鉴别结果进行卡尔曼滤波，所得的滤波估计结果控制载波数控振荡器和码数控振荡器产生新的本地载波信号和码信号，实现信号跟踪功能；

卡尔曼滤波器对码鉴相器、载波鉴频器和载波鉴相器得到的码、载波鉴别结果进行卡尔曼滤波时，利用载噪比调节卡尔曼滤波增益，对于配置有噪声通道的接收机，采用相关器比较法计算载噪比；

采用非相干归一化超前减滞后幅值码鉴相器、点积比叉积的四象限反正切载波鉴频器和二象限反正切载波鉴相器计算得出码、载波鉴别结果；

通过以下公式进行卡尔曼滤波估计：

系统状态量选为4维：

状态量依次为载波相位加速度误差

载波频率误差δf、载波相位误差δφ和码相位误差δτ；

系统状态方程为：

其中β为弧度与码片的单位转换系数，f和λ为跟踪信号的频率和波长，w_a为视线加速度误差驱动噪声，w_d为钟漂驱动噪声，w_b为钟差驱动噪声，w_δτ为码跟踪误差驱动噪声；

系统观测量为：

Z＝[f_e φ_e ε]^T

其中观测量依次为载波鉴频器、载波鉴相器和码鉴相器的输出值；

系统观测方程为：

其中v₁、v₂、v₃分别为载波鉴频器、载波鉴相器和码鉴相器的量测噪声，量测噪声方差阵由当前载噪比确定；

控制载波数控振荡器和码数控振荡器的调整量通过以下公式计算：

其中，T为相干积分时间,

分别为当前时刻的载波频率误差、载波相位误差以及码相位误差的状态估计值，

为前一时刻的载波相位误差状态估计值，NCO_code为码数控振荡器调整量，NCO_carr为载波数控振荡器调整量。

Images