一种GNSS信号的矢量和标量混合跟踪方法及跟踪环路与流程

本发明属于导航接收机设备研制领域，具体涉及一种gnss信号的矢量和标量混合跟踪方法及跟踪环路，其可运用在卫星导航系统中接收终端类设备的研制中。

背景技术：

随着卫星导航系统发展，新一代导航信号将逐渐为用户提供服务，针对新一代导航信号中含有多路导航信号，如导频支路和数据支路，对不同支路的信号，其相干积分可以设计的不同，以提高信号的跟踪性能。目前gnss信号的载波跟踪方法主要有两类，一类是基于标量跟踪环路(stl:scalartrackingloop)的载波跟踪方法,另一类是基于矢量跟踪环路(vtl:vectortrackingloop)的载波跟踪方法。stl方法对每颗卫星进行独立跟踪，该方法计算复杂度低，易于接收机实现，vtl方法对所有可见卫星进行联合跟踪，对弱信号有较强的跟踪能力，可以快速实现信号的重捕获，提高可用性，但计算复杂度相对较高。

技术实现要素：

针对新一代导航信号中导频和数据支路的特点，结合现有stl和vtl两种不同跟踪方法的特点，本发明提供了一种用于复合gnss信号的矢量和标量混合跟踪环路(htl：hybridtrackingloop)及跟踪方法。通过利用双速率卡尔曼滤波器(dukf：dualupdate-ratekalmanfilter)将stl和vtl组合在一起构成htl的信号载波跟踪方法。为实现上述目的，具体技术方案如下：

一种gnss信号的矢量和标量混合跟踪方法，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转换器后变为数字中频信号r(t)；

步骤2，接收机有n个跟踪通道，每个跟踪通道中的处理方法相同，对于任意跟踪通道i中的本地载波生成装置nco(numericallycontrolledoscillator，缩写nco)，其生成频率控制字为的两路信号，分别为同相载波信号和正交载波信号t表示时间，i＝1,2,…,n，n为正整数，具体为：

步骤3，接收机跟踪通道i中的本地信号生成装置包括数据支路信号生成装置和导频支路信号生成装置，数据支路信号生成装置接收同相载波信号和正交载波信号分别与数据支路本地伪码cd(t)相乘，产生数据支路的本地同相信号和正交信号导频支路信号生成装置接收同相载波信号和正交载波信号分别与导频支路的本地伪码cp(t)相乘，产生导频支路的本地同相信号和正交信号信号称为本地复制信号，具体为：

步骤4，接收机跟踪通道i中的相关器进行相关处理，用于将本地复制信号分别与数字中频信号r(t)相乘后的混合信号进行相干积累，设相干积分时间为tc，对任意通道i，输出相关值为其中下标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5，接收机跟踪通道中的鉴别器装置对所述步骤4中输出的相关值进行处理，用于获得本地复制信号和数字中频信号间的误差估计参数，所述鉴别器包括数据支路鉴相器和导频支路鉴频器，经过鉴相器和鉴频器处理后，鉴相器输出误差估计参数为鉴频器输出误差估计参数为

其中，

其中atan表示反正切函数，atan2表示四象限反正切函数；np为导频支路相干积累次数；鉴相器的相干积分时间为tc，鉴频器的相干积分时间为np·tc，故鉴相器的结果每tc时间有效一次，而鉴频器的结果每np·tc时间输出一次结果。公式中i1，i2，q1，q2，m均表示计算过程中的中间量符号。

步骤6，接收机中的矢量频率跟踪环路(vectorfrequencylockloop，简称vfll)对各个通道中鉴频器输出结果进行处理，获得精度更高的频率误差估计结果其精度分别为

所述矢量频率跟踪环路处理过程包括步骤：

步骤61，根据各个通道中鉴频器的输出结果获取量测量zk及其噪声协方差矩阵rz，其中n为接收到的卫星通道数；

vfll的量测方程为：

其中为第k个跟踪历元接收机的运动状态，δvx,δvy,δvz为ecef坐标系下的三维速度误差，δax,δay,δaz为ecef坐标系下的三维加速度误差，δf为接收机上时钟的频率误差；h^v为测量矩阵，它由接收机到卫星的空间几何构型决定；为量测噪声，其协方差矩阵为其中diag()表示对角矩阵算子，为导频支路通道i中鉴频器输出结果的噪声方差，具体为：

其中cⁱ/n0表示通道i对应的信号载噪比，即信号功率与噪声的功率谱密度的比值；

步骤62，vfll的迭代过程，具体描述如下：

系统方程为

其中φ^v为状态转移矩阵，具体表示为

其中

tb＝np·tc，为vfll的更新间隔；

是统过程噪声，其协方差矩阵为q^v，具体为：

其中

qf＝sf·tb

sa为加速度噪声功率谱密度，sf为时钟频率变化噪声功率谱密度。

根据步骤61中获取的量测信息，得到vfll的滤波步骤如下：

step1,计算接收机状态矢量预测值及其协方差值

为对应的协方差矩阵；

step2，计算vfll的增益矩阵

step3，更新接收机状态矢量及其协方差阵

其中i表示单位矩阵；

step4,计算各个通道频率估计误差

其估计精度满足

这样对于任意i通道而言，频率估计误差为估计精度为表示向量的第i个元素,表示矩阵的第i行第i列元素值

步骤7，接收机任意通道i中的dukf装置，用于获得本地信号载波频率估计参数，将载波频率估计参数输入本地载波生成装置，更新频率控制字；

所述dukf装置获得本地信号载波频率估计参数的步骤为：

步骤71，根据步骤5中鉴别器的输出结果和步骤6中vfll的输出结果获取dukf新息增量量测矩阵量测噪声矩阵当两种鉴别器的结果均有效时，计算公式如下：

其中为步骤5中鉴相器的输出结果,为步骤62输出的频率误差估计结果，hd和hp分别为两种不同量测量对应的量测矩阵，具体为

hp＝[01-(np-2)·tc/2]

为数据支路鉴相器输出结果的噪声方差，具体为

为步骤62输出的频率误差估计精度。

当只有数据支路鉴相器有效时，只取鉴相器对应的项即可。

步骤72，对于任意通道i而言，其dukf的迭代过程，具体描述如下：

dukf的系统方程为

其中为第k个跟踪历元通道i系统状态向量，分别为信号的载波相位，多普勒频率和多普勒频率变化率，单位分别为周，hz，hz/s；wk＝[ωrf·wb；ωrf·wd；(ωrf/c)·wa]^t为系统噪声,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表示载波频率，c为光速；φ是系统状态转移矩阵，具体为

wk为系统过程噪声，q是wk对应的过程噪声协方差矩阵，具体为

e[·]表示求均值符号；

结合步骤71中获取的新息信息，dukf的滤波过程可以描述为

step1：计算系统状态向量预测值

为第k-1个跟踪历元时刻的通道i系统状态向量；

step2：计算系统状态向量预测值的协方差矩阵

为的协方差矩阵；

step3：根据vfll是否有结果输出获得量测信息若只有数据支路鉴相器有输出时，只取鉴相器对应项的数值；

step4：计算dukf的增益矩阵

step4：根据新息更新状态估计结果：

step5：更新状态估计协方差矩阵：

步骤73，根据状态估计结果获得载波nco的频率控制字即

其中，表示向量的第2个元素，至此，完成了一次dukf的滤波处理过程。

本发明还提供了一种gnss信号的矢量和标量混合跟踪环路，包括n个跟踪通道模块1和1个矢量频率跟踪环路2；所述n个跟踪通道模块具有相同的结构，包括本地载波生成装置11、本地信号生成装置12、第一乘法器13、第二乘法器14、第一相关器15、第二相关器16、鉴别器17，18和dukf装置19；所述本地信号生成装置包括数据支路信号生成装置和导频支路信号生成装置，用于产生导频支路和数据支路的伪码信号，并生成本地复制信号；所述鉴别器包括鉴相器17和鉴频器18，用于获取本地复制信号和接收信号之间的误差估计参数；

所述本地载波生成装置11根据输入的频率控制字，产生同相载波信号和正交载波信号；所述数据支路信号生成装置和导频支路信号生成装置的输入端分别与本地载波生成装置的输出端相连；

所述数据支路信号生成装置的输出端连接第一乘法器13的输入端，并将混合信号输出至第一相关器15的输入端；

所述导频支路信号生成装置的输出端连接第二乘法器14的输入端，并将混合信号输出至第二相关器16的输入端；

所述第一相关器15的输出端连接鉴相器17的输入端；鉴相器的输出端连接dukf转置19的输入端；所述dukf装置的输出端连接本地载波生成装置11；

所述第二相关器16的输出端连接鉴频器18的输入端；鉴频器的输出端连接所述矢量频率跟踪环路2的输入端；

所述矢量频率跟踪环路2的输出端分别输出至每个跟踪通道模块中的dukf装置19的输入端。

采用本发明获得的有益技术效果：本发明通过利用dukf滤波器，将不同更新速率下的标量跟踪环路和矢量跟踪环路了组合在一起，构成混合跟踪环路，对复合型gnss信号进行联合跟踪。相比单独的标量跟踪环路而言，本发明混合跟踪环路具有较好的信号重捕获性能，相比单独的矢量跟踪环路而言，通过降低混合跟踪环路中矢量跟踪滤波器的更新频度，可以降低算法的计算复杂度。

附图说明

图1本发明方法流程示意图；

图2为vfll装置的处理过程示意图；

图3为双速率卡尔曼滤波器(dukf)的滤波过程示意图；

图4为本发明跟踪环路结构示意图；

图5为实施例中某场景下的gps卫星星空图；

图6为实施例中某场景下本发明与现有技术对信号的跟踪结果对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为本发明流程图。本发明实施例给出了一种gnss信号的矢量和标量混合跟踪方法，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转换器后变为数字中频信号r(t)；

步骤2，接收机有n个跟踪通道，每个跟踪通道中的处理方法相同，对于任意跟踪通道i中的本地载波生成装置nco(numericallycontrolledoscillator，缩写nco)，其生成频率控制字为的两路信号，分别为同相载波信号和正交载波信号t表示时间，具体为：

步骤3，接收机跟踪通道i中的本地信号生成装置包括数据支路信号生成装置和导频支路信号生成装置，数据支路信号生成装置接收同相载波信号和正交载波信号分别与数据支路本地伪码cd(t)相乘，产生数据支路的本地同相信号和正交信号导频支路信号生成装置接收同相载波信号和正交载波信号分别与导频支路的本地伪码cp(t)相乘，产生导频支路的本地同相信号和正交信号信号称为本地复制信号，具体为：

步骤4，接收机跟踪通道i中的相关器进行相关处理，用于将本地复制信号和数字中频信号r(t)进行相干积累，设相干积分时间为tc，对任意通道i，输出相关值为其中下标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5，接收机跟踪通道中的鉴别器装置对所述步骤4中输出的相关值进行处理，用于获得本地复制信号和数字中频信号间的误差估计参数，所述鉴别器包括数据支路鉴相器和导频支路鉴频器，经过鉴相器和鉴频器处理后，鉴相器输出误差估计参数为鉴频器输出误差估计参数为

其中

其中atan表示反正切函数，atan2表示四象限反正切函数；np为相干积累次数；鉴相器的相干积分时间为tc，np为相干积累次数，鉴频器的相干积分时间为np·tc，故鉴相器的结果每tc时间有效一次，而鉴频器的结果每np·tc时间输出一次结果。

步骤6，接收机中的矢量频率跟踪环路(vectorfrequencylockloop，简称vfll)对各个通道中鉴频器输出结果进行处理，获得精度更高的频率误差估计结果其精度分别为

图2给出了vfll装置的处理过程示意图，其具体步骤包括：

步骤61，根据各个通道中鉴频器的输出结果获取量测量zk及其噪声协方差矩阵rz，其中n为接收到的卫星通道数；

vfll的量测方程为：

其中为第k跟踪历元接收机的运动状态，δvx,δvy,δvz为ecef坐标系(earth-centered,earth-fixed,缩写ecef)下的三维速度误差，δax,δay,δaz为ecef坐标系下的三维加速度误差，δf为接收机上时钟的频率误差；h^v为测量矩阵，它由接收机到卫星的空间几何构型决定；为量测噪声，其协方差矩阵为其中diag()表示对角矩阵算子，为导频支路通道i中鉴频器输出结果的噪声方差，具体为

其中cⁱ/n0表示通道i对应的信号载噪比，即信号功率与噪声的功率谱密度的比值；

步骤62，vfll的迭代过程，具体描述如下：

系统方程为

其中φ^v为状态转移矩阵，具体表示为

其中

tb＝np·tc，为vfll的更新间隔；

是系统过程噪声，其协方差矩阵为q^v，具体为：

其中

qf＝sf·tb

sa为加速度噪声功率谱密度，sf为时钟频率变化噪声功率谱密度。

根据步骤61中获取的量测信息，得到vfll的滤波步骤如下：

step1,计算接收机状态矢量预测值及其协方差值

为对应的协方差矩阵；

step2，计算vfll的增益矩阵

step3，更新接收机状态矢量及其协方差阵

其中i表示单位矩阵；

step4,计算各个通道频率估计误差

其估计精度满足

这样对于任意i通道而言，频率估计误差为估计精度为表示向量的第i个元素,表示矩阵的第i行第i列元素值

步骤7，接收机任意通道i中的dukf装置，用于获得本地信号载波频率估计参数，将载波频率估计参数输入本地载波生成装置，更新频率控制字；

图3为dukf滤波器的处理过程示意图，dukf装置获得本地信号载波频率估计参数的步骤为：

步骤71，根据步骤5中鉴别器的输出结果和步骤6中vfll的输出结果获取dukf新息增量量测矩阵量测噪声矩阵当两种鉴别器的结果均有效时，计算公式为

其中为步骤5中鉴相器的输出结果,为步骤62输出的频率误差估计结果，hd和hp分别为两种不同量测量对应的量测矩阵，具体为

hp＝[01-(np-2)·tc/2]

np为导频支路的相干积累次数；

为数据支路鉴相器输出结果的噪声方差，具体为

为步骤62输出的频率误差估计精度。

当只有数据支路鉴相器有效时，只取鉴相器对应的项即可。

步骤72，对于任意通道i而言，其dukf的迭代过程，具体描述如下：

dukf的系统方程为

其中为第k跟踪历元通道i系统状态向量，分别为信号的载波相位，多普勒频率和多普勒频率变化率，单位分别为周，hz，hz/s；wk＝[ωrf·wb；ωrf·wd；(ωrf/c)·wa]^t为系统噪声,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表示载波频率；c≈3×10⁸m/s，为光速；φ是系统状态转移矩阵，具体为

wk为dukf系统过程噪声，q是wk对应的过程噪声协方差矩阵，具体为

实施例中qb和qd通常取qb＝2×10^-14，qd＝2×10^-15；e[·]表示求均值符号；

结合步骤71中获取的新息信息，dukf的滤波过程可以描述为

step1：计算系统状态向量预测值

为第k-1个跟踪历元时刻的通道i系统状态向量；

step2：计算系统状态向量预测值的协方差矩阵

为的协方差矩阵；

step3：根据vfll是否有结果输出获得量测信息若只有数据支路鉴相器有输出时，只取鉴相器对应项的数值；

step4：计算dukf的增益矩阵

step4：根据新息更新状态估计结果：

step5：更新状态估计协方差矩阵：

步骤73，根据状态估计结果获得载波nco的频率控制字即

其中，表示向量的第2个元素，至此，完成了一次dukf的滤波处理过程。

如图4所示，为本发明提供的gnss信号的矢量和标量混合跟踪环路结构示意图，包括n个跟踪通道模块1和1个vfll(2)；所述n个跟踪通道模块具有相同的结构，包括本地载波生成装置11、本地信号生成装置12、第一乘法器13、第二乘法器14、第一相关器15、第二相关器16、鉴别器17，18和dukf装置19；所述本地信号生成装置包括数据支路信号生成装置和导频支路信号生成装置，用于产生导频支路和数据支路的伪码信号，并生成本地复制信号；所述鉴别器包括鉴相器17和鉴频器18，用于获取本地复制信号和接收信号之间的误差估计参数；所述本地载波生成装置11根据输入的频率控制字，产生同相载波信号和正交载波信号；所述数据支路信号生成装置和导频支路信号生成装置的输入端分别与本地载波生成装置的输出端相连；所述数据支路信号生成装置的输出端连接第一乘法器13的输入端，并将混合信号输出至第一相关器15的输入端；所述导频支路信号生成装置的输出端连接第二乘法器14的输入端，并将混合信号输出至第二相关器16的输入端；所述第一相关器15的输出端连接鉴相器17的输入端；鉴相器的输出端连接dukf转置19的输入端；所述dukf装置的输出端连接本地载波生成装置11；所述第二相关器16的输出端连接鉴频器18的输入端；鉴频器的输出端连接所述vfll(2)的输入端；所述vfll(2)的输出端分别输出至每个跟踪通道模块中的dukf装置19的输入端。

如图5为某仿真场景下的gps卫星星空图，其中共有8颗可见卫星，卫星prn号分别为4，9，14，18，19，21，22，24。

如图6为本实施例在图4星空图下，利用标量跟踪环路和混合跟踪环路对4号卫星的跟踪结果，其中所有可见卫星在在前20s内信号强度为35dbhz，从20s到60s内，4号星和9号星的信号强度降至5dbhz，60s后恢复正常，从40s到80s内14号和18号星的信号强度降低至5dbhz，80s后恢复正常。图中du-stl(10,20)表示采用双速率标量跟踪环路，数据支路环路更新间隔为10ms，导频支路环路更新间隔为20ms，du-htl(10,20)表示采用双速率混合跟踪环路(本发明方法)，数据支路环路更新间隔为10ms，导频支路更新间隔为20ms，同样的du-htl(10,50)和du-htl(10,100)分别对应导频支路更新间隔为50ms或100ms的双速率混合跟踪环路。从图中的跟踪结果可以看出在20s到60s，du-stl和du-htl两种方法均无法保持对载波相位的正常锁定，但是从图中信号载波频率的跟踪误差结果可以看出，对于du-htl方法而言，通过利用其中的vfll环路，可以使得信号的载波频率的跟踪误差保持在一定范围内，使得信号处于频率锁定状态，但是对于du-stl方法而言，依然无法保证信号的载波频率处于锁定状态，当信号在60s的时候恢复至35dbhz时，du-htl方法可以快速重新锁定信号的载波相位，但是此时du-stl方法却依然误差正常跟踪该卫星信号，从而验证了du-htl比du-stl方法具有更好的信号重捕获和跟踪连续性能。对比不同参数下的du-htl跟踪结果可以看出，当vfll的更新间隔越大，其频率跟踪误差也越大。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书界定的范围为准。