CN115808700B - 一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法,采用自回归模型对电离层闪烁进行拟合估计,能够将传播效应减弱;针对卡尔曼滤波测量噪声非白高斯,考虑用非线性的无迹卡尔曼滤波来取代鉴相器和环路滤波器,能够加强对时变相位的跟踪和对电离层闪烁噪声的抑制;同时,本发明还采用强跟踪因子和用载噪比估计器自适应更新滤波增益的方法加强对时变相位的跟踪和对电离层闪烁噪声的抑制,能够降低电离层闪烁噪声造成的测量噪声统计特性对滤波的影响;最后,本发明还采用自适应无迹卡尔曼滤波的方法实现对基带信号的载波频率和载波相位的跟踪,能够更好地捕获由非线性变换引起的高阶矩,不容易出错。
Description
技术领域
本发明属于导航接收机的载波同步技术领域,尤其涉及一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法。
背景技术
全球导航卫星系统(GNSS)为用户提供全天候、高精度的定位、导航和授时服务,广泛应用于社会生产生活各个领域。导航卫星通信接收机的大量使用正在挑战传统接收器架构的极限。传统的接收机最初设计用于在晴朗的天空、良性传播条件下工作,在恶劣的传播情况下,信号可能受到严重的高动态和电离层闪烁噪声的影响。传统的载波跟踪同步体系依赖于锁相环,但是在恶劣的传播条件下锁相环会因噪声抑制和动态跟踪能力的失衡而失锁,导致同步失败。
载波同步分为捕获和跟踪两个过程,载波跟踪主要是细化捕获阶段的参数的估计,过滤噪声并跟踪任何可能的时间变化。基于卡尔曼滤波的跟踪方法明显的解决了这种局限性。考虑到电离层闪烁噪声抑制的问题,卡尔曼滤波的主要缺点是在动态模型的选择上,只考虑了卫星与接收机之间的相对运动而产生的相位动力学,这导致了当前估计性能和抑制噪声干扰能力之间的矛盾,滤波器的设计应对时变的动态相位的能力强,将无法抑制传播效应,如电离层闪烁噪声;同时卡尔曼滤波在鉴相器输出处的测量噪声并不是白高斯,使相位估计精度受到了鉴相器非线性的限制,减弱了跟踪性能。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法,能够加强对时变相位的跟踪和对电离层闪烁噪声的抑制。
一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法,包括以下步骤:
S3:基于泰勒展开模型和自回归模型构建自适应强跟踪UKF-AR估计器,并采用自适应UKF-AR估计器实现对基带信号的载波频率和载波相位的跟踪。
进一步地,所述离散信号模型如下:
进一步地,所述自回归模型如下:
其中,自回归模型系数由Yule-Walker方程解算得到:
进一步地,所述泰勒展开模型如下:
进一步地,采用UKF-AR估计器实现对基带信号的载波频率和载波相位的跟踪具体为:
S31:构建UKF-AR估计器的状态向量如下:
其中,T表示转置;
S32:构建UKF-AR估计器的状态方程如下:
状态转移矩阵的计算方法如下:
S33:构建测量方程如下:
其中,C为信号载噪比,erf( )为误差函数;
S36:设定状态向量和状态向量协方差的更新规则如下:
S37:基于步骤S31~S36,采用自适应无迹卡尔曼滤波的方法实现对基带信号的载波频率和载波相位的跟踪。
进一步地,夹杂着电离层闪烁噪声的基带信号的获取方法为:
接收机接收到的GNSS信号分别以正弦的形式和余弦的形式剥离出载波,剥离出的载波分别作为同相采样数据和正交相采样数据,随后两组采样数据与码相关器作用剥离扩频码,再经过积分清零操作后,得到夹杂着电离层闪烁噪声的基带信号,其中,基带信号包括同相分量和正交相分量。
有益效果:
1、本发明提供一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法,采用自回归模型对电离层闪烁进行拟合估计,能够将传播效应减弱;针对卡尔曼滤波测量噪声非白高斯,考虑用非线性的无迹卡尔曼滤波来取代鉴相器和环路滤波器,能够加强对时变相位的跟踪和对电离层闪烁噪声的抑制。
2、本发明提供一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法,采用强跟踪因子和用载噪比估计器自适应更新滤波增益的方法加强对时变相位的跟踪和对电离层闪烁噪声的抑制,能够降低电离层闪烁噪声造成的测量噪声统计特性对滤波的影响。
3、本发明提供一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法,采用自适应无迹卡尔曼滤波的方法实现对基带信号的载波频率和载波相位的跟踪,能够更好地捕获由非线性变换引起的高阶矩,不容易出错。
附图说明
图1为一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法的流程图;
图2为电离层闪烁相位序列的偏相关系数;
图3为电离层闪烁相位序列的自相关系数;
图4为某场景下AR模型功率谱拟合情况示意图;
图5为自适应强跟踪UKF-AR跟踪基带时变载波相位的总体流程图;
图6为强跟踪衰落因子求解流程图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案,下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示,一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法,包括以下步骤:
夹杂着电离层闪烁噪声的基带信号的获取方法为:
接收机接收到的GNSS信号分别以正弦的形式和余弦的形式剥离出载波,剥离出的载波分别作为同相采样数据和正交相采样数据,随后两组采样数据与码相关器作用剥离扩频码,再经过积分清零操作后,得到夹杂着电离层闪烁噪声的基带信号,其中,基带信号包括同相分量和正交相分量。
需要说明的是,电离层闪烁噪声是因为电离层的传播路径对GNSS信号产生的扰动形成的,具体表现为振幅衰减和相位变化,可将GNSS信号建模为:
本发明的主要任务为电离层闪烁条件下的基带时变载波相位跟踪,在载波跟踪阶段的输入处,可以考虑简化并使用离散信号模型,具体的,本发明的夹杂着电离层闪烁噪声的基带信号的离散信号模型如下:
需要说明的是,实验表明,莱斯分布可以用来模拟电离层闪烁的包络,同时能够保持与经验数据的密切拟合。本发明引入一种合成真实闪烁时间序列的方法,称为康奈尔闪烁模型方法。
康奈尔闪烁模型需要指定两个参数,闪烁强度()和相关性()闪烁强度用闪烁指数表示,一般来说,越高,越低,闪烁越严重。其中,图1为相位闪烁序列的偏相关系数和自相关系数,从图1中可得,自相关系数收敛为0,偏相关系数呈现出截断的特性,符合自回归模型(AR模型)规律。
进一步地,本发明的自回归AR(p)模型根据实际序列可建模为:
其中,自回归模型系数由Yule-Walker方程解算得到:
相关参数计算如下:
噪声方差计算如下:
进一步地,对于卡尔曼滤波体系,载波相位由接收机动态应力引起的时变泰勒展开近似建模,泰勒展开的阶数由实际动态性决定。
S3:基于泰勒展开模型和自回归模型构建自适应强跟踪UKF-AR估计器,并采用自适应UKF-AR估计器实现对基带信号的载波频率和载波相位的跟踪,如图5所示,具体包括以下步骤:
其中,T表示转置;
S32:构建UKF-AR估计器的状态方程如下:
状态转移矩阵的计算方法如下:
综上:
S33:构建测量方程如下:
其中,C为信号载噪比,erf(·)为误差函数;
S36:设定状态向量和状态预测协方差的更新规则如下:
S37:基于步骤S31~S36,采用自适应无迹卡尔曼滤波的方法实现对基带信号的载波频率和载波相位的跟踪。
也就是说,本发明完成状态向量的更新后,再更新测量方程,并将更新后的测量噪声协方差加入到观测量协方差矩阵的求解中,通过的更新实现了自适应调节滤波增益,并对状态向量和协方差进行更新。
由此可见,本发明针对当前估计与抑制之间的矛盾,考虑将有关传播干扰的统计知识加入到系统模型中,采用AR模型对电离层闪烁进行拟合估计,因此能够将传播效应减弱;针对卡尔曼滤波测量噪声非白高斯,考虑用非线性的无迹卡尔曼滤波来取代鉴相器和环路滤波器,另外为了应对电离层闪烁噪声造成的测量噪声统计特性对滤波的影响,采用加入强跟踪因子和用载噪比估计器自适应更新滤波增益的方法加强对时变相位的跟踪和对电离层闪烁噪声的抑制。
当然,本发明还可有其他多种实施例,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然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 (2)
1.一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法,其特征在于,包括以下步骤:
S3:基于泰勒展开模型和自回归模型构建自适应强跟踪UKF-AR估计器,并采用自适应UKF-AR估计器实现对基带信号的载波频率和载波相位的跟踪;
所述离散信号模型如下:
所述自回归模型如下:
其中,自回归模型系数由Yule-Walker方程解算得到:
所述泰勒展开模型如下:
采用UKF-AR估计器实现对基带信号的载波频率和载波相位的跟踪具体为:
其中,T表示转置;
S32:构建UKF-AR估计器的状态方程如下:
状态转移矩阵的计算方法如下:
S33:构建测量方程如下:
其中,C为信号载噪比,erf()为误差函数;
S36:设定状态向量和状态向量协方差的更新规则如下:
S37:基于步骤S31~S36,采用自适应无迹卡尔曼滤波的方法实现对基带信号的载波频率和载波相位的跟踪。
2.如权利要求1所述的一种应对电离层闪烁的载波跟踪方法,其特征在于,夹杂着电离层闪烁噪声的基带信号的获取方法为:
接收机接收到的GNSS信号分别以正弦的形式和余弦的形式剥离出载波,剥离出的载波分别作为同相采样数据和正交相采样数据,随后两组采样数据与码相关器作用剥离扩频码,再经过积分清零操作后,得到夹杂着电离层闪烁噪声的基带信号,其中,基带信号包括同相分量和正交相分量。
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