[发明专利]一种GNSS信号载波跟踪和导航解算紧组合的滤波方法

摘要

本发明属于导航接收机设备领域，涉及一种GNSS信号载波跟踪和导航解算紧组合的滤波方法，具体为：步骤1，接收机将接收到GNSS信号变为数字中频信号r(t)；步骤2，各通道NCO分别生成两路正交信号；步骤3，相关器进行相干积累；步骤4，将相关器的输出结果输至跟踪通道中的鉴别器进行处理；步骤5，本地载波跟踪滤波器进行滤波处理；步骤6，提取观测量；步骤7，导航解算滤波器进行滤波；步骤8，根据接收机中导航滤波器的解算结果，预测下一时刻各个通道中的NCO控制字；步骤9，将本地载波跟踪滤波器的滤波结果与导航解算滤波器的预测值进行紧组合，获得最终通道NCO的控制参数,将紧组合的结果用于控制通道NCO，并同步反馈到本地载波跟踪滤波器中。

主权项

1.一种GNSS信号载波跟踪和导航解算紧组合的滤波方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，接收机通过天线接收到GNSS信号后，GNSS信号经过接收机中的射频前端、AD转换器后变为数字中频信号r(t)，t表示接收时刻；步骤2，接收机中为每颗卫星分配一个跟踪通道，N颗卫星对应N个跟踪通道，每个跟踪通道中均含有一个本地载波生成装置NCO，用于生成频率控制字为fNCO的两路正交信号，分别为同相信号sI(t)和正交信号sQ(t)，每个通道中的两路信号具体为：sI(t)＝cos(2πfNCO·t)sQ(t)＝‑sin(2πfNCO·t)将数字中频信号分为相同的两路信号，一路信号与同相信号相乘混合为sI(t)·r(t)，另一路信号与正交信号相乘混合为sQ(t)·r(t)；步骤3，接收机跟踪通道中的相关器进行相干积累，设相干积分时间为Tc，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，故输出信号的积分区间为(k‑1)·Tc到k·Tc，得到相关值Ik和Qk，具体为：步骤4，将相关器的输出结果输至跟踪通道中的鉴别器进行处理，得到信号间的误差估计参数εk：其中atan2表示四象限反正切函数；步骤5，本地载波跟踪滤波器进行滤波处理，具体过程为：本地载波跟踪滤波器的系统方程为，Yk+1＝ΦY·Yk+wk其中Yk＝[fk,αk]T为本地载波跟踪滤波器的系统状态向量，fk,αk分别表示信号的多普勒和多普勒变化率，单位分别为Hz，Hz/s；wk＝[ωrf·wd；(ωrf/c)·wa]T为系统噪声，wd为由接收机中晶体振荡器引起的频率噪声，其噪声谱密度为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；ΦY是本地载波跟踪滤波器的系统状态转移矩阵，具体为：wk是系统过程噪声，QY是wk对应的过程噪声协方差矩阵，具体为：鉴频器的输出结果εk为本地载波跟踪滤波器的新息，其协方差矩阵为RY：其中C/N0为信号载噪比；本地载波跟踪滤波器的量测矩阵为HY，具体为：HY＝[1 ‑Tc/2]本地载波跟踪滤波器的滤波步骤如下：Step51：计算系统状态向量预测值及其预测协方差矩阵其中，PY,k‑1表示Yk‑1对应的协方差矩阵；Step52：计算本地载波跟踪滤波器增益矩阵KY：Step53：根据新息更新系统状态向量及其协方差矩阵：其中I表示单位矩阵；第k个历元NCO的控制参数fNCO,k为：fNCO,k＝Yk(1)其中Yk(1)表示系统状态向量的第一个元素；步骤6，提取观测量，从N个通道中获取导航解算所需要的多普勒测量结果，生成观测矢量其中为卫星i在第k个历元的多普勒频率测量结果，N为卫星总数，其协方差矩阵为R_z：其中为第i颗卫星信号本地载波跟踪滤波器中的系统状态协方差矩阵，通过步骤5中的step53获取，其第一行第一列对应的元素为多普勒测量结果的精度；步骤7，导航解算滤波器进行滤波，具体过程如下：导航解算滤波器系统方程为，Xk+1＝Φ·Xk+ωk其中Xk＝[vx,ax,vy,ay,vz,az,δf]为第k个历元时刻接收机的运动状态矢量，vx,vy,vz为ECEF坐标系下的三维速度结果，ax,ay,az为ECEF坐标系下的三维加速度结果，δf为接收机上时钟的频率误差，状态转移矩阵为Φ，具体为：其中Tb是导航解算滤波器的解算间隔；ωk是系统过程噪声，其协方差矩阵为Q，具体为：其中Qf＝Sf·TbS_a为加速度噪声功率谱密度，S_f为时钟频率变化噪声功率谱密度，根据步骤6中的观测量得到系统的测量方程为：其中H为测量矩阵，为为第k个历元时刻卫星的运动状态，上标s表示所有卫星的集合，其中为所有卫星在x方向上的速度值的集合，其元素个数为N个；导航解算滤波器测速解算的具体过程如下：Step71,计算接收机的运动状态矢量预测结果及其协方差矩阵Step72,计算导航解算滤波器的增益矩阵Gk：Step73,更新接收机的运动状态矢量及其协方差矩阵：其中I表示单位矩阵；步骤8，根据接收机中导航滤波器的解算结果，预测下一时刻各个通道中的NCO控制字，具体为：计算预测精度为：对于第i颗卫星，计算下一时刻NCO控制字的预测结果及精度为：其中表示向量的第i个元素,表示矩阵的第i行第i列元素值；步骤9，将本地载波跟踪滤波器的滤波结果与导航解算滤波器的预测值进行紧组合，具体为将步骤5所得结果Y_k(1)和步骤8所得结果进行线性加权，得到最终通道NCO的控制参数f_NCO,k，其中λ为组合权重，将紧组合的结果用于控制通道NCO，并同步反馈到本地载波跟踪滤波器中。