一种惯性辅助的跟踪环路频偏自适应补偿方法与流程

本发明属于卫星导航技术领域，特别涉及一种惯性辅助的跟踪环路频偏自适应补偿方法。

背景技术：

卫星导航接收机是目前应用最广泛的定位系统之一，跟踪环路正常工作是卫星导航接收机正常工作的前提。跟踪环路由载波跟踪环路和码跟踪环路两部分组成，其中载波跟踪环路用于跟踪接收信号的载波，使本地载波样本信号与接收载波信号尽力保持一致。

当卫星导航接收机处于高动态环境下时，卫星导航信号的多普勒频移随时间变化很快，本地样本信号难以跟踪接收信号的载波频率，样本信号与接收信号的频率偏差甚至超出载波环路的环路带宽，进而导致载波跟踪环路失锁。为了适应更高的动态，接收机可以增加载波环路带宽，但是这样会引入额外的环路噪声，降低环路跟踪的灵敏度；也可以采用高阶跟踪环路，然而高阶环的设计较为复杂，且在实际应用中也不可能将阶次设计的太高。

利用惯性导航系统(ins)提供的速度和加速度测量信息来补偿接收机跟踪环路频率偏差是提高跟踪环路动态适应能力的一种非常有效的手段。在ins的辅助下，高动态卫星导航接收机的跟踪环路带宽可以设计的很窄，也可以降低跟踪环路的环路阶次和设计复杂度。但是ins提供的辅助测量信息通常是离散化的，常用的ins测量信息的更新频率约为100hz，辅助信息的更新速度与接收机的处理速度难以匹配，而且ins的测量结果也存在一定地随机测量误差，这些因素都会制约高动态环境下ins辅助的效果。

技术实现要素：

针对目前存在的问题，提出一种惯性辅助的跟踪环路频偏自适应补偿方法，收机首先利用α-β滤波器对ins提供的速度和加速度信息进行预测滤波，同时在滤波过程中根据滤波输出结果自适应地调整α-β滤波器的滤波增益，在高动态环境下提高ins辅助信息的准确性，最后利用滤波输出的速度信息对载波跟踪环路的频率偏差进行精确补偿，达到有效改善跟踪环路的动态适应能力和稳定性的目的。

为了实现这一目的，本发明采取的技术方案是：

一种惯性辅助的跟踪环路频偏自适应补偿方法，利用α-β滤波器对ins测量的载体速度以及加速度信息进行预测和滤波，在滤波过程中，接收机根据前一段时间滤波输出结果的均方误差对滤波器的滤波增益进行自适应调整，最后将滤波得到的速度信息经视距投影转化为各个卫星通道载波跟踪环路的频偏补偿值，对载波环路数字振荡器进行补偿，

步骤一、ins将k时刻测量所得的载体三维速度矢量和三维加速度矢量传输给卫星导航接收机，其中k≥0且为整数；

步骤二、卫星导航接收机利用α-β滤波器对接收到的速度和加速度按照公式(1)和公式(2)进行滤波平滑，滤波器增益设定为α＝[pxpypz]^t，β＝[qxqyqz]^t，且满足0＜px＜1，0＜py＜1，0＜pz＜1，0＜qx＜4-2px，0＜qy＜4-2py，0＜qz＜4-2pz：

其中状态量为k时刻的状态先验估计值，状态转移矩阵k＝[αβ/t]^t，t为相邻时刻间隔，表示k时刻的速度先验估计值，表示k时刻的加速度先验估计值，表示k时刻的滤波器输出状态量，为k时刻滤波器输出速度矢量，为k时刻滤波器输出加速度矢量；

步骤三、利用视距投影将滤波器输出的速度估计值换算成载波nco补偿量，对载波环路进行补偿，补偿方法如公式(3)所示：

其中fi,k为k时刻本地载波nco的频率，fi,k-1为k-1时刻本地载波nco的频率，vs,k＝[vs,x,kvs,y,kvs,z,k]^t为k时刻卫星的运动速度，pk＝[px,kpy,kpz,k]^t为k时刻载体坐标位置，ps,k＝[ps,x,kps,y,kps,z,k]^t为k时刻卫星坐标位置，fc卫星导航信号的载波频率，c表示光速；

步骤四、重复步骤一到三，在滤波器工作n个采样观测时刻之后，按照公式(4)对滤波器输出的加速度方差进行估计：

其中*代表矩阵的哈达玛乘积。随后根据公式(5)得到增益调整因子γ：

其中为ins速度测量值的方差；

步骤五、根据步骤四所得的增益调整因子γ来更新滤波增益α和β，滤波增益更新方法如公式(6)至公式(11)所示：

px＝((γ(1)+4γ(1)^1/2)/2)((1+4(γ(1)+4γ(1)^1/2))^1/2-1)

qx＝2(2-px)-4(1-px)^1/2

py＝((γ(2)+4γ(2)^1/2)/2)((1+4(γ(2)+4γ(2)^1/2))^1/2-1)

qy＝2(2-py)-4(1-py)^1/2

pz＝((γ(3)+4γ(3)^1/2)/2)((1+4(γ(3)+4γ(3)^1/2))^1/2-1)

qz＝2(2-pz)-4(1-pz)^1/2

其中γ(1)、γ(2)、γ(3)分别表示增益调整因子γ的第1、2、3个元素；

步骤六、重复步骤一到步骤五，直至卫星导航接收机完成本次定位解算任务。

本发明的有益效果为：

本发明通过自适应α-β滤波器来改善高动态环境下ins所提供的速度和加速度辅助信息的准确性，并利用滤波输出的速度信息来对跟踪环路的载波nco进行补偿，能够有效提高接收机跟踪环路动态应力和稳定性的目的。

附图说明

图1是本发明的流程框图。

具体实施方式

本发明具体实施例如下：

一种惯性辅助的跟踪环路频偏自适应补偿方法利用α-β滤波器对ins测量的载体速度以及加速度信息进行预测和滤波，在滤波过程中，接收机根据前一段时间滤波输出结果的均方误差对滤波器的滤波增益进行自适应调整，最后将滤波得到的速度信息经视距投影转化为各个卫星通道载波跟踪环路的频偏补偿值，对载波环路数字振荡器(nco)进行补偿可以通过以下步骤来具体实现：

步骤一、ins将k时刻测量所得的载体三维速度矢量和三维加速度矢量传输给卫星导航接收机，其中k≥0且为整数。

步骤二、卫星导航接收机利用α-β滤波器对接收到的速度和加速度按照公式(1)和公式(2)进行滤波平滑，滤波器增益设定为α＝[pxpypz]^t，β＝[qxqyqz]^t，且满足0＜px＜1，0＜py＜1，0＜pz＜1，0＜qx＜4-2px，0＜qy＜4-2py，0＜qz＜4-2pz：

其中状态量为k时刻的状态先验估计值，状态转移矩阵k＝[αβ/t]^t，t为相邻时刻间隔，表示k时刻的速度先验估计值，表示k时刻的加速度先验估计值，表示k时刻的滤波器输出状态量，为k时刻滤波器输出速度矢量，为k时刻滤波器输出加速度矢量。

步骤三、利用视距投影将滤波器输出的速度估计值换算成载波nco补偿量，对载波环路进行补偿，补偿方法如公式(3)所示：

其中fi,k为k时刻本地载波nco的频率，fi,k-1为k-1时刻本地载波nco的频率，vs,k＝[vs,x,kvs,y,kvs,z,k]^t为k时刻卫星的运动速度，pk＝[px,kpy,kpz,k]^t为k时刻载体坐标位置，ps,k＝[ps,x,kps,y,kps,z,k]^t为k时刻卫星坐标位置，fc卫星导航信号的载波频率，c表示光速。

步骤四、重复步骤一到三，在滤波器工作n个采样观测时刻之后，按照公式(4)对滤波器输出的加速度方差进行估计：

其中*代表矩阵的哈达玛乘积。随后根据公式(5)得到增益调整因子γ：

其中为ins速度测量值的方差。

步骤五、根据步骤四所得的增益调整因子γ来更新滤波增益α和β，滤波增益更新方法如公式(6)至公式(11)所示：

px＝((γ(1)+4γ(1)^1/2)/2)((1+4(γ(1)+4γ(1)^1/2))^1/2-1)(6)

qx＝2(2-px)-4(1-px)^1/2(7)

py＝((γ(2)+4γ(2)^1/2)/2)((1+4(γ(2)+4γ(2)^1/2))^1/2-1)(8)

qy＝2(2-py)-4(1-py)^1/2(9)

pz＝((γ(3)+4γ(3)^1/2)/2)((1+4(γ(3)+4γ(3)^1/2))^1/2-1)(10)

qz＝2(2-pz)-4(1-pz)^1/2(11)

其中γ(1)、γ(2)、γ(3)分别表示增益调整因子γ的第1、2、3个元素。

步骤六、重复步骤一到步骤五，直至卫星导航接收机完成本次定位解算任务。