[发明专利]一种用于GNSS信号的多速率组合卡尔曼载波跟踪环路及方法

摘要

本发明属于导航接收机设备研制领域，涉及一种用于GNSS导航接收机信号跟踪的多速率卡尔曼载波跟踪环路及方法。该方法步骤为：步骤1，使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，本地载波生成装置NCO产生频率控制字为f_NCO的两路信号，分别为同相信号s_I(t)和正交信号s_Q(t)，本地伪码生成装置产生导频支路伪码信号c_p(t)和数据支路伪码信号c_d(t)；步骤3，相关器进行相关处理；步骤4，鉴别器处理；步骤5，多更新速率卡尔曼滤波器MUKF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f_NCO。本发明还提供了一种用于GNSS信号跟踪的多更新速率卡尔曼跟踪环路，本发明解决了两种以上不同更新速率载波环路的组合问题。

主权项

1.一种用于GNSS信号跟踪的多更新速率卡尔曼载波跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，接收到的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，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)，具体为：sI(t)＝cos(2πfNCO·t)sQ(t)＝‑sin(2πfNCO·t)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)，再分别与导频支路伪码信号、数据支路伪码信号相乘混合后，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相乘混合为sQ(t)·r(t)，再分别与导频支路伪码信号、数据支路伪码信号相乘混合后，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，设定相干积分时间为Tc，对所述步骤2中的信号sI(t)·cp(t)·r(t)、sQ(t)·cp(t)·r(t)、sI(t)·cd(t)·r(t)、sQ(t)·cd(t)·r(t)分别进行相关处理得到输出信号分别为Ip,k，Qp,k，Id,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，故输出信号的积分区间为(k‑1)·Tc到k·Tc，具体结果如下：步骤4，鉴别器处理，鉴别器包括数据支路鉴相器，记为第一鉴别器，导频支路鉴相器，记为第二鉴别器，导频支路鉴频器，记为第三鉴别器，所述步骤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,θ,k；相关器输出信号Ip,k分别输入第二鉴别器和第三鉴别器，相关器输出信号Qp,k分别输入第二鉴别器和第三鉴别器，经第二鉴别器和第三鉴别器处理后分别输出为εp,θ,k和εp,f,k；具体各输出计算过程为：其中其中，Nd,θ，Np,θ，Np,f分别表示三个鉴别器的相干积累次数；步骤5，多更新速率卡尔曼滤波器MUKF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；所述MUKF滤波的具体过程为：步骤51，根据鉴别器的输出结果获取量测信息，所述量测信息包括MUKF的新息增量Yk,量测矩阵Hk，量测噪声矩阵Rk,当三个鉴别器的结果均有输出时，计算表达式为：Hd,θ，Hp,θ和Hp,f分别为三个鉴别器对应的量测矩阵，具体为：Rd,θ，Rp,θ和Rp,f分别为三个鉴别器输出结果的噪声方差，具体为：其中C/N0为信号载噪比，当某跟踪历元中仅有其中一个或两个鉴别器的结果输出时，Yk，Hk和Rk只取对应项的组合值；步骤52，MUKF跟踪滤波迭代过程，具体如下：滤波器的系统方程为：Xk+1＝Φ·Xk+wk其中Xk＝[θk,fk,αk]T，表示第k个历元时的系统状态向量，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·wbωrf·wd(ωrf/c)·wa]T表示系统噪声，wb和wd分别为由接收机中晶体振荡器的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表示光速；Φ是系统状态转移矩阵，具体为：Q是wk对应的系统噪声协方差矩阵，具体为：根据步骤51中获取的量测信息，MUKF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P_k‑1表示系统状态向量X_k‑1的协方差矩阵，表示系统状态向量X_k的协方差矩阵预测值；Step 3：若当前历元时刻无鉴别器结果输出，则转至Step6，若当前历元至少有一个鉴别器输出结果，则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Yk更新系统状态向量值Xk：Step 5：更新系统状态向量协方差矩阵Pk：Step 6：无鉴别器结果输出时，直接将预测结果作为当前历元的估计结果，即：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MUKF的滤波处理过程。