调制码，作为锁相环（即载波跟踪环）的输入信号，经过锁相环跟 踪得到与输入信号同频的输出信号，由该输出信号的相位微分即可得到其频率。
[0068] 锁相环技术的核屯、就是反馈控制环路，主要包括=部分；鉴相器、环路滤波器、数 字压控振荡器。典型的锁相环结构如图5所示。
[0069] 图5中，Ui(t)为输入信号，u"(t)为压控振荡器输出的本地复现信号。通常情况 下，环路滤波器为低通滤波器。锁相环的原理是通过鉴相器对比输入信号与本地信号的相 位差值，然后由压控振荡器根据该差值实时闭环反馈调整本地复现信号，从而最终实现两 者频率和相位的精确同步。当两者精确同步时，本地复现信号u"(t)的频率和相位即为输 入信号Ui (t)的频率和相位，即完成了对目标载波的跟踪测量。
[0070] 4、导航卫星识别技术
[0071] 在通常的卫星导航中，是通过伪码匹配的方式来识别导航卫星的，但是无码载波 恢复技术仅能得到不同频移的单载波信号。由于用户卫星的初始轨道可认为是已知的，而 导航卫星的星历可W通过地面上注，所W可W计算得到一系列多普勒频移的先验值。本发 明将多普勒频移的实测值与先验值分别按照高低顺序排列成两组样本，分析了引起二者不 一致的因素，设计了一种不受该些因素影响的匹配策略。
[0072] 1)基于多普勒频移的导航星识别原理
[0073] 用户卫星接收机测量的导航卫星的多普勒频移可W表示为
[0074]
(8)
[0075] 式中，fd为测量的多普勒频移为载波波长；度为用户卫星至导航卫星的伪距率 真值；5f为用户卫星接收机时钟频率误差；e为多普勒频移的测量误差，一般是白噪声。
[0076] 已知用户卫星的初始轨道及地面周期上注的导航卫星的星历，可计算得到一系列 先验多普勒频移：
[0077]
(9)
[007引式中，为多普勒频移先验值，袁和i分别为用户卫星至导航卫星的含有用户星 初轨误差的距离和距离变化率；X和V分别为导航卫星的位置和速度矢量，由上注的导航 卫星星历计算获得；i和V分别为用户卫星的位置和速度矢量，由不精确的初始轨道计算得 到。
[0079] 由式巧）、（9)可知，不考虑先验根数及测量误差的影响，实测的多普勒频移fd与 先验估计的多普勒频移充之间的频率差就是用户卫星接收机时钟频率误差。
[0080] 假设某时刻有N颗可见导航卫星，将第n颗可见卫星信号的多普勒频移实测值 [1，闲）及先验值分别从低到高排列。由于接收机钟差的存在，二者有固定的 频率差，引入Af作为义的整体平移量，实现两组频率的一一对应。计算f4。与平移后的 元,,的频差绝对值，并求和得到匹配指标e，当e取最小值时认为两组频率已一一对应，该平 移量就是接收机频差的估计值。e取最小值可W表示为：
[0081]
(10)2)匹配计算方法
[0082] 接收机时钟频率误差是有界的，所W整体平移量Af的取值范围也是有限制的。 假设待平移的频率范围为4/e[-A/，A/]，捜索步长为那么覆盖平移范围的所有平移 点为：
[008引
（n)
[0084] 式中，j表示第j次捜索。
[0085] 对于上述遍历穷举式的计算方法，需要平移2A///,w+1个频率点，而且随着捜索 步长变小，匹配速度的速度越慢。
[0086] 因为在两组频率几乎对齐时e有一个最小值，所W提出采用=分法进行匹配计 算。算法如下：
[0087](1)待平移的频率范围是[4/pA/;]，选取区间的1/3、2/3处的坐标 巧二+[4^2 -a/i]/3，昨=4^2-[4/2 ，把整个区间分成；个小区间， 虹1，1112]，[心今/,]，使e最小的频率肯定会落在其中一个区间，S种可能的情况如图6的 (a)、化）、（C)所示；
[00能]似根据式（10)计算e(mi)、e相），若e(mi) >e相），则舍弃区间[a/|."!|]，令 =巧；否则舍巧"?2,4/2]，令么名=所2 ;
[0089] 做重复执行1)、2)，直到a/: -A式小于某一阔值即停止捜索，获得使e最小的接收 机频差估计值。
[0090] 采用=分法的执行次数与逐步改变Af相比，计算量大大减小，提高了导航星识 别和接收机频差估计的效率，还可W根据需要调整终止条件，获得更高的匹配精度。
[0091] 5、基于多普勒频移的高精度实时定轨算法
[0092] 性能优良的定轨算法是实现高精度定轨的又一重要方面，由于多普勒频移测量值 本质上是伪距率信息，所W需要研究动力学定轨算法，W扩展卡尔曼滤波器算法实现精密 定轨。
[0093] 采用卫星的位置和速度作为状态量，即
[0094]
U2)
[0095] 其中，0是待估计的状态量，X，y，Z为卫星的S轴位置，X，j，i为卫星的S轴速度。
[0096] 0的变化规律可W用如下的卫星轨道动力学方程来描述：
[0097] fj= ,/'(〇.F) (口）
[0098] 其中，F。为摄动力。多普勒测量为
[0099] (14)
[0100] 其中，fd是多普勒频移，^是波长，是某导航卫星的位置矢量，r,是某用户卫 星的位置矢量，即x，y，z，U。是某导航卫星的速度矢量，0,是某用户卫星的速度矢量，即 式，f。是接收机测量噪声，f是接收机的频移，可W表示为
[0101] / = /? (15)
[0102] 其中，n为接收机频差的驱动噪声。
[0103] 将式（13)和式（15)作为状态方程，将式（14)作为测量方程，利用扩展卡尔曼滤 波器实现轨道参数的精密估计，即可完成最终的定轨计算。
[0104] W上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能W此限定本发明的保护范围，凡是 按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围 之内。
【主权项】
1. 基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 对接收到的导航卫星信号经数字下变频后，采样得到数字中频信号，消除数字中频 信号的保密调制码，根据消码后的信号计算得到载波频率的估计值； (2) 将步骤（1)得到的载波频率的估计值作为载波跟踪环跟踪的初始频率，产生载波 跟踪环的本振信号，将步骤（1)中消码后的信号作为载波跟踪环的输入信号，恢复出载波 信号，并测量提取出各个导航卫星信号的多普勒频移； (3) 计算各个导航卫星信号的先验值，结合步骤（2)得到的多普勒频移的实测值，建 立含有接收机频差的多普勒频移实测值和先验值的识别匹配算法，完成导航星的识别与匹 配； (4) 利用统计定轨算法实现轨道测量，利用轨道动力学方程建立状态方程，利用载波相 位测量值建立相位差测量方程，再利用卡尔曼滤波器估计用户卫星的轨道参数。2. 根据权利要求1所述基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨方法，其特征在 于，步骤（1)中所述根据消码后的信号得到载波频率的估计值的具体步骤； (A) 选取合适的搜索步长，产生若干候选频率，对每一个候选频率产生一个载波相位调 整信号； (B) 将步骤（A)产生的载波相位调整信号分别与消码后的信号相乘，对每一个相乘后 的信号按照一定单位长度进行分块，累加分块数据，从而得到信号增强的新数据； (C) 对步骤⑶得到的新数据进行FFT运算，检查频谱结果，寻找超过门限的尖峰，对于 每一个尖峰，记录其对应的频率值，即为载波频率的估计值。3. 根据权利要求1所述基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨方法，其特征在 于，步骤（3)的具体步骤： (a) 根据步骤（2)恢复出的载波信号，由用户卫星的初始轨道和周期上注的导航卫星 星历计算出各导航卫星信号的多普勒频移先验值； (b) 将步骤（2)得到的多普勒频移实测值和步骤（a)得到的多普勒频移先验值分别按 照高低顺序排列成两组数据样本，引入待求解的整体平移量，该整体平移量用于将多普勒 频移先验值作整体平移； (c) 对各导航卫星信号的多普勒频移实测值与平移后的多普勒频移先验值的频差绝对 值求和得到匹配指标； (d) 求解在匹配指标取最小值时的整体平移量，将多普勒频移先验值作整体平移，实现 多普勒频移实测值与多普勒频移先验值的匹配，实现导航星识别。4. 根据权利要求3所述基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨方法，其特征在 于：在步骤（d)中，采用三分法求解在匹配指标取最小值时的整体平移量，其具体步骤： (I )假设某导航卫星信号的多普勒频移先验值作平移的频率区间是[4^，4/2]，选取该 区间的1/3、2/3处的坐柄，把整个区间分成 三个小区间I(II )分别计算在叫、m2处匹配指标e (m D、e (m2)，若e (Iii1) > e (m2)，则舍弃区间(Ill)重复步骤（I )-( II )，直到小于某一预设阈值时，即为整体平移量。5. 根据权利要求1所述基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨方法，其特征在 于：步骤（1)中，采用平方法消除数字中频信号的保密调制码。6. 根据权利要求1所述基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨方法，其特征在 于：步骤（1)中，采用交叉相关法消除数字中频信号的保密调制码。
【专利摘要】本发明公开了基于非合作导航卫星信号的无码多普勒定轨方法，通过接收机的射频前端将导航卫星信号转换为数字中频信号，对中频信号进行消码处理后得到连续载波信号，并估计载波信号的初始频率；将该频率值作为锁相环路跟踪的初值，恢复载波并测量提取出各个导航星信号的多普勒频移；然后采用基于多普勒频移特征的匹配算法寻找出某频移对应的导航星；建立高精度测量模型，结合轨道动力学模型，采用卡尔曼滤波器估计出高精度轨道参数。本发明能在明码信号不可用的情况下，利用卫星导航系统发送的加密导航信号，实现高精度定轨。
【IPC分类】G01S19/29
【公开号】CN104977594
【申请号】CN201510288915
【发明人】郁丰, 卢欢, 何真, 刘莹, 吴云华, 华冰, 康国华
【申请人】南京航空航天大学
【公开日】2015年10月14日
【申请日】2015年5月29日