[发明专利]一种基于非相干鉴别器的北斗导航信号矢量跟踪方法

摘要

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。

主权项

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·CQPqs＝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S_r(t)间载波频率误差的估计，输出结果记为ε_f，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，H_k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，Rate_code为信号的伪码速率，RF_carr为信号的载波射频频率，c为光在真空中传播的速度。