[发明专利]基于导航信号空时处理与矢量跟踪相结合的卫星导航方法

摘要

本发明公开了一种基于导航信号空时处理与矢量跟踪相结合的卫星导航方法，包括以下步骤坐标系的建立；接收机对卫星导航信号进行接收；将接收到的卫星信号进行空时处理；空时相干约束，利用相干的本地合成载波和扩频信号，实现阵列的相干调向约束，相干调向约束后的数据送入滤波器组，最后提取观测量送至后端实现导航解算；卫星导航信号的捕获跟踪和矢量跟踪，利用空时联合相干约束，得到相对于载体坐标系原点的卫星信号，对该信号进行载波和码相位鉴相，则可获取该卫星信号的星历数据，利用该通道的EPL数据进一步获取载波和码相位，形成观测量，并可实现定位运算。本发明利用空时相干约束，解决由于阵列信号的空时处理造成的精度下降问题。

主权项

一种基于导航信号空时处理与矢量跟踪相结合的卫星导航方法，其特征在于：包括以下步骤：步骤一：坐标系的建立：设载体安装阵列P,共有N个理想全向点状天线阵元，建立载体坐标系b，则阵元n在载体坐标系中的坐标则阵列p在载体坐标系中的坐标记为：若某卫星信号si，在载体坐标系的入射方向为其中φ、θ分别为入射方位角和极距角，则其方向余弦为：则地心地固坐标系e中，阵列p的坐标为：在坐标系e中，载体坐标b的原点坐标为坐标系e旋转到载体坐标b的欧拉角为则：则坐标系e转换到坐标系b的转换矩阵为：则坐标系b转换到坐标系e的转换矩阵为：信号si若在e坐标系的方向余弦为则有：步骤二：接收机对卫星导航信号进行接收；对于卫星i发射的某导航信号si，设共有M个卫星，则对于卫星i，其发射的信号si的一般形式为：其中，Ai为信号幅度，di为导航数据，Ci为该信号的PRN码，ωi表示该信号的中心频率或载波频率；对于信号si,有一理想阵列p接收，则阵元pn接收到的卫星信号为延时后的si：为阵元pn接收到信号si幅度，为信号si的传输时延；对于阵元pn接收到的全部卫星信号及噪声可写为：步骤三：将接收到的卫星信号进行空时处理；1)载波信号空时处理若为信号si的载波信号，为波长，入射方向为ai(φi，θi)，则信号的波数为：其中ui为信号si的方向余弦，则该信号的阵列流行矢量：对于卫星导航信号，若剥离掉调制信号，则余留单频信号其带宽bs≈0，属于窄带信号，对于窄带信号，为了获取阵列处理增益，应将每个阵元输出补偿一个时移τi，使各个阵元输出的信号恢复到共同相位上，再进行信号相加，利用信号的空间相干特性实现阵列接收的调向，在期望信号方向上形成波峰，信号的延时补偿τn可用中心频率相移来实现；定义：其中，ks为期望的平面波波数，且若忽略各类噪声，阵列调向后接收到卫星信号的响应为：由公式可得总的频率‑波数响应为2)PRN码信号空时处理对于卫星导航信号si，若剥离掉载波信号则得到某种调制信号该信号由导航数据和PRN码共同构成，剥离掉导航数据，该信号具有PRN码的周期特性和相关特性，可以在更长时间和空间尺度上，实现相干处理；定义分别为已调制信号的等效频率、波长，和si具有相同信号到达方向，则信号的波数为：其中ui为信号si的方向余弦，则该信号的阵列流行矢量：对于PRN码信号是通过对每个阵元输出补偿一个时移，使各个阵元输出信号恢复到共同相位上，再进行信号相加，从而实现阵列接收的调向，在信号到达方向上形成一个波峰，若为期望的卫星信号方向或k空间的主响应轴，根据公式可得总的频率‑波数响应为：步骤四：空时相干约束通过剥离掉有用信号的载波和扩频码，使有用信号带宽从扩频码带宽降低到数据带宽，从而在后继的低通滤波和波数成形运算中，降低对滤波器的相位处理要求，抑制检测噪声，提高观测量质量和导航解算精度；在导航解算建立后导航信号到达方向已知的情况下，利用相干的本地合成载波和扩频信号，按照某个待接收卫星导航信号到达方向对阵列进行空时相干运算，实现阵列的相干调向约束，相干调向约束后的数据送入滤波器组，进行积分清洗或波束成形运算，最后提取观测量送至后端实现导航解算；步骤五：卫星导航信号的捕获跟踪和矢量跟踪接收机初始工作时，由于接收信号视距动态造成多普勒频移，而载波环路检测带宽较窄，需要遍历所有可能的多普勒频移带宽即频域搜索，由于接收机钟差未知，而码鉴相范围只有±0.5个码片，因此需要遍历所有码状态即时域搜索，实现对卫星信号的捕获，之后通过锁相环路实现信号的跟踪，这个过程包括载波和码相位的检测、环路滤波器、维特比算法等；利用空时联合相干约束，得到相对于载体坐标系原点的卫星信号si(t)，对该信号进行载波和码相位鉴相，得到IQ支路采样值对该数据进行VA符号同步判别和数据剥离，则可获取该卫星信号的星历数据，利用该通道的EPL数据进一步获取载波和码相位，形成观测量，并可实现定位运算；获取各阵元的卫星信号观测值后，期望建立观测值与阵元姿态直接的关系，以满足导航递推解算要求。