基于四维UKF的高动态GNSS载波的开环补偿跟踪方法

摘要

基于四维UKF的高动态GNSS载波的开环补偿跟踪方法，它涉及一种全球导航卫星系统载波的跟踪方法。它解决了现有的GNSS载波跟踪方法跟踪精度低、环路跟踪稳定性差、受带宽限制严重而无法适应较大范围的多普勒频移的问题。其方法：捕获数字中频信号的码相位和频率偏移，将频率偏移给UKF滤波器赋初值，将码相位值给本地码跟踪环赋初值并进行本地码跟踪；两路本地载波信号与中频信号相乘后再与本地码跟踪结果进行相关积分，获得两路观测信号后送入UKF滤波器；调整滤波器参数，对高动态的载波信号过程进行跟踪；进行输出补偿，数据解调后进行下一时刻的载波跟踪和数据解调。本发明适用于高动态条件下的信号跟踪过程。

主权项

1.基于四维UKF的高动态GNSS载波的开环补偿跟踪方法，其特征是：它由以下步骤完成：步骤一：采用1ms的数据对数字中频信号进行码相位捕获，获得码相位值，采用10ms的数据对所述数字中频信号进行频率捕获，获得频率偏移值，将所述频率偏移值给UKF滤波器赋初值；同时将所得码相位值给本地码跟踪环赋初值并进行本地码跟踪，获得本地码跟踪结果；步骤二：将频率为f_c的本地载波信号分别同时经SIN映射和COS映射后获得两路信号，所述两路信号分别与数字中频信号相乘获得信号I和信号Q，所述信号I和信号Q的表达式分别为：所述P为本地载波信号的接收功率，D(t)为周期为20ms的导航电文，C_PRN(t)为扩频码，R_b为伪码速率，ξ为高动态引起的码速率偏移，τ为接收扩频码的相位延迟，w_c为本地载波频率，w_d为本地载波信号的多普勒频移，Φ₀为本地载波信号的初始相位，N(t)为高斯白噪声；步骤三：将步骤二获得的信号I和信号Q分别与步骤一中获得的本地码跟踪结果相乘，并对相乘后的结果进行积分清洗，累积积分时间至一个码周期后分别获得信号I_p和信号Q_p，所述信号I_p和信号Q_p的表达式为：I_p(t)＝AD(t)[sin(w_dt+Φ₀)]+N_p(t)Q_p(t)＝AD(t)[cos(w_dt+Φ₀)]+N_p(t)式中A为信号幅度，N_p(t)为经积分清洗后的加性高斯噪声；所述本地码跟踪为同步跟踪；步骤四：将步骤三获得的信号I_p和信号Q_p进行二倍相位转换，获得滤波器观测信号I_Y和Q_Y，所述信号I_Y和Q_Y的表达式分别为：I_Y＝A²D(t)²sin2(w_dt+Φ₀)+N_YQ_Y＝A²D(t)²cos2(w_dt+Φ₀)+N_Y式中，N_Y是经积分清洗后的加性高斯噪声N_p(t)进行二倍相位转换后的噪声； 步骤五：调整UKF滤波器的参数，对高动态的载波信号过程进行跟踪，所述参数为四个状态变量：载波相位θ、多普勒频移w_d、多普勒频移一阶变化率和多普勒频移二阶变化率步骤六：采用补偿器对UKF滤波器的四个状态变量进行输出补偿，获得补偿后的结果θ_k，并将补偿后的结果θ_k代入公式：D_k＝I_p，k sin(θ_k)+Q_p.k cos(θ_k)＝D(t_k)cos(Δθ)进行数据解调，获得解调结果D_k；式中，I_p，k是I_p路信号在当前时刻k下的采样值；Q_p，k是Q_p路信号在当前时刻k下的采样值；Δθ是相位误差；D(t_k)是t_k时刻下的解调结果；步骤五中调整UKF滤波器参数的方法是：UKF滤波器的状态变量为载波相位θ、多普勒频移w_d、多普勒频移一阶变化率和二阶变化率调整时间间隔dt为1ms，当前时刻为k，UKF滤波器中上述状态变量满足关系式：式中W为系统噪声；观测向量与上述状态向量的关系为：式中R为测量噪声；步骤六所述补偿器对UKF滤波器的四个状态变量的输出补偿是根据公式：进行的。