[发明专利]一种用于复合GNSS信号的稳健DUPLL载波跟踪方法

摘要

为了克服现有技术中不能实现在弱信号等挑战性环境下对信号进行稳健跟踪的缺陷，本发明在DUPLL的基础上提出了一种用于复合GNSS信号的稳健DUPLL载波跟踪方法，该方法利用分段函数的自适应因子对RDUPLL中不同信号进行加权的联合载波跟踪。本发明利用基于分段函数的自适应因子，可以自适应地调节复合信号中不同信号分量对RDUPLL环路的贡献，及时消除已经失锁或跟踪不稳定的信号对组合环路的影响，提升载波跟踪环路的稳健性。

主权项

1.一种用于复合GNSS信号的稳健DUPLL载波跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，GNSS信号依次经过接收机中的天线、射频前端、AD转换器后转变为数字中频信号r(t)；步骤2，通过本地载波生成装置NCO产生频率控制字为fNCO的两路信号，分别为同相信号sI(t)和正交信号sQ(t)：sI(t)＝cos(2πfNCO·t)sQ(t)＝‑sin(2πfNCO·t)通过本地伪码生成装置产生导频支路伪码信号cp(t)和数据支路伪码信号cd(t)；将数字中频信号r(t)分为相同的两路信号，一路信号与同相信号sI(t)相乘混合为sI(t)·r(t)，再将sI(t)·r(t)分别与导频支路伪码信号cp(t)、数据支路伪码信号cd(t)相乘混合后，得到信号为sI(t)·cp(t)·r(t)、sI(t)·cd(t)·r(t)；另一路信号与正交信号sQ(t)相乘混合为sQ(t)·r(t)，再将sQ(t)·r(t)分别与导频支路伪码信号cp(t)、数据支路伪码信号cd(t)相乘混合后，得到信号为sQ(t)·cp(t)·r(t)、sQ(t)·cd(t)·r(t)；步骤3，相关器进行相关处理，相关器用于将输入的接收信号进行相干积累，设相干积分时间为Tc；对步骤2中得到的四路信号sI(t)·cp(t)·r(t)、sI(t)·cd(t)·r(t)、sQ(t)·cp(t)·r(t)和sQ(t)·cd(t)·r(t)分别进行相关处理后得到的输出信号分别为Ip,k,Id,k,Qp,k,Qd,k，其中下标k表示跟踪环路中第k个跟踪历元，每个历元对应的时长为Tc，故输出信号Ip,k,Qp,k,Id,k,Qd,k的积分区间均为(k‑1)·Tc到k·Tc：步骤4，鉴别器处理，用于计算步骤3中输出信号中的误差参数，鉴别器包括数据支路鉴相器和导频支路鉴相器，数据支路鉴相器记为第一鉴别器；导频支路鉴相器记为第二鉴别器；将步骤3中的相关器输出信号Id,k,Qd,k输入第一鉴别器，经第一鉴别器处理后输出为εd,k，将步骤3中的相关器输出信号Ip,k,Qp,k分别输入第二鉴别器，经第二鉴别器处理后输出为εp,k：εd,k＝a tan(Qd,k/Id,k)M为第二鉴别器的相干积累次数；因此第一鉴别器在每个历元均有结果输出，而第二鉴别器每隔M个历元输出一次结果；步骤5，RDUPLL跟踪环路进行滤波处理，将滤波结果反馈至载波生成装置中用于更新频率控制字fNCO，其中RDUPLL跟踪环路进行滤波处理，包括以下步骤：步骤51，根据步骤4中两个鉴别器的输出结果获取量测信息，量测信息包括RDUPLL的新息增量Yk,量测矩阵Hk，量测噪声矩阵Rk；a.当第一鉴别器和第二鉴别器均有结果输出时，量测信息中RDUPLL的新息增量Yk,量测矩阵Hk，量测噪声矩阵Rk的表达式为：Hd和Hp分别为第一鉴别器和第二鉴别器对应的量测矩阵，分别表示为：第一鉴别器和第二鉴别器的输出结果的噪声方差自适应估计，分别表示为：其中N_w为自适应估计窗长度，和为自适应估计窗长度内ε_d,k和ε_p,k的均值，分别表示为基于分段函数的自适应因子的两鉴别器输出噪声方差计算，分别如下：Rp,k＝σp,k2其中αd,k为第一鉴别器的自适应方差因子；其中c₀和c₁为分段点，c₀＝0.3，c₁＝0.85；为归一化的第一鉴别器的标准差，具体为σs为第一鉴别器输出结果的最大值，第一鉴别器采用二象限反正切鉴别器或者四象限反正切鉴别器，第一鉴别器采用二象限反正切鉴别器时，σs＝0.144，第一鉴别器采用四象限反正切鉴别器时，σs＝0.289；b.当某跟踪历元中仅有第一鉴别器有结果输出时，Yk，Hk和Rk为步骤52，RDUPLL跟踪滤波器滤波迭代过程，如下：RDUPLL跟踪滤波器的系统方程为：Xk+1＝Φ·Xk+wk其中Xk＝[θk,fk,αk]T，分别为第k个历元时的系统状态向量，上标T表示矩阵转置运算符号；θk,fk,αk分别表示信号的载波相位、频率和频率变化率，单位分别为周、Hz和Hz/s；wk＝[ωrf·wb ωrf·wd(ωrf/c)·wa]T为系统噪声，其中wb和wd分别为由接收机中晶体振荡器引起的相位噪声和频率噪声，其噪声谱密度分别为qb和qd；wa是系统频率变化率噪声，其功率谱密度为qa；ωrf是载波频率；c为光速，取值为3×108m/s；Φ是系统状态转移矩阵，表示为：Q是wk对应的系统噪声协方差矩阵，具体为：结合步骤51中获取的量测信息，RDUPLL滤波过程为：Step 1：计算系统状态向量预测值Step 2：计算系统状态向量协方差矩阵的预测值Step 3：根据对应量测信息中的Rk，Hk计算卡尔曼滤波器增益Gk：Step 4：根据新息增量Yk更新系统状态向量值：Step 5：更新系统状态向量协方差矩阵：步骤53，根据系统状态向量Xk的估计结果，反馈输出至本地载波生成装置NCO用于更新频率控制字fNCO，即fNCO＝fk其中fk为向量Xk中的第二个元素，即信号载波频率；至此，完成了一次RDUPLL的滤波处理过程。