[发明专利]一种电离层闪烁下基于矢量跟踪的自适应卡尔曼滤波方法

说明书

本发明公开了一种在电离层闪烁情况下基于矢量跟踪的自适应卡尔曼滤波方法，对导航系统的状态方程及测量方程进行模型化估计，并用自适应卡尔曼滤波对所有信道的跟踪结果和导航解算结果进行联合相关处理，在此过程中，对系统噪声协方差和测量噪声协方差做最优滤波估计，并递推更新了误差协方差矩阵。基于当前状态估计计算时间更新方程得到下一步骤的PVT预估，降低了因电离层闪烁引起的系统模型误差，抑制滤波发散且提高滤波精度，系统的抗干扰能力和动态特性得以增强，且降低了捕获时所需的信号功率。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种电离层闪烁情况下基于矢量跟踪的自适应卡尔曼滤波方法。

背景技术

GPS信号从卫星传播到地球时会受到电离层闪烁的干扰，信号的幅值和相位会发生强烈抖动,这会导致GPS接收机的载波锁相环对信号失去锁定，锁相环滑移会使导航定位误差增大甚至导航中断。传统的STL(标量跟踪环)独自处理各自卫星的信号，最后结合所有信道的跟踪结果对导航结果进行解算。标量跟踪环的性能受环路参数如阶数和噪声带宽的影响，且STL忽略了不同信道数据之间的相关关系。

与STL不同，VTL(矢量跟踪环)有效结合了所有信道跟踪结果和导航解算之间的关系，提高了系统的抗干扰能力和动态稳定性。但由于所有信道信号相关，单一信道的失锁会影响整个系统的输出。且该方法要求动态变化的系统参数和测量模型是已知的，但在电离层闪烁的情况下这些变量难以精确求取。若系统的初始化参数不能正确的反应系统模型，则滤波的结果可能发散，此时对协方差矩阵的自适应估计显的必要且有效。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提出一种在电离层闪烁情况下基于矢量跟踪的自适应卡尔曼滤波方法，该方法在基于矢量跟踪环路的基础上对系统输出做自适应卡尔曼滤波，实时修正系统噪声和测量噪声的统计特性，达到降低因电离层闪烁引起的系统模型误差，抑制滤波发散且提高滤波精度的目的。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种电离层闪烁情况下基于矢量跟踪的自适应卡尔曼滤波算法：包括以下步骤：

步骤A，对导航系统做线性化处理，得到环路的状态方程和观测方程及其相关噪声的定义式；具体过程如下：

步骤A-1，在接收机相对运行速度较慢的情况下定义导航系统为二阶的线性方程，它的状态向量可用位置，速度，钟差及其钟漂表示：

其中，位置和速度都在ECEF坐标系内，系统的初始化状态用接收机初始状态值代入；

步骤A-2，根据卡尔曼滤波的定义求取状态转移矩阵：

其中，T为两相邻导航解算的时间间隔；

步骤A-3，计算环路输出的多普勒频移和码相位差得到所有卫星的伪距和伪距率，作为卡尔曼滤波器的观测量：

其中，N为视野范围内的卫星数量，且伪距可用如下方程式表达：

其中，δ_u(t)为用户的时钟，δ^k(t)为卫星的钟差，I^k(t)为电离层误差，T^k(t)为对流层误差，ε^k(t)为所有其它因素引起的误差；

对伪距方程求微分得伪距率：

其中，V^k为卫星k的速度，V_u为用户的速度，G为卫星到接收机距离的倒数；

步骤A-4，由上两式及其几何关系可知，系统的量测矩阵H为：