一种高动态环境下gps弱信号跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及信号跟踪技术领域，特别设及一种高动态环境下GI^S弱信号跟踪方 法，特别适用于复杂环境下GI^S高动态和多路径情况。
【背景技术】
[0002] 近年来，GI^S凭借其全天候，高精度，连续性，成本低等优点，逐渐广泛应用于军事 和民用领域，GI^S-般通过接收机来接收卫星的信号，一般定位的过程包括信号捕获，信号 跟踪和导航解算，因此当捕获到卫星的信号之后要对GI^S信号进行跟踪，跟踪的效果直接 决定了GPS定位的精度。
[0003] 普通的GI^S接收机采用相互独立的跟踪通道跟踪不同的卫星，由于用单独的锁相 环在高动态的环境下很容易失锁.另外，GI^S定位主要是依赖卫星进行定位，但在一些环境 下，由于建筑物，数木等的遮挡会使GI^S不容易捕获到运些弱信号，另外GI^S可能处于高动 态环境下，因此面对运些复杂的环境，为了提高GI^S的定位精度，采用用载波频率辅助相位 结合UKF的算法来增强GI^S接收机对于高动态弱信号的跟踪。通过锁频环辅助锁相环结合 UKF可W较好的实现码跟踪和载波跟踪，很好的提高了跟踪精度和鲁棒性。
【发明内容】
[0004] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种适合高动态环境下 GI^S弱信号跟踪的方法。 阳0化]本发明的技术解决方案为：由锁相环、锁频环、UKF滤波器组成，通过锁频环辅助 锁相环和UKF进行组合来实现对高动态环境下微弱的信号进行跟踪的方法，通过下述步骤 实现：
[0006] (1)锁相环由鉴别器（1)，环路滤波器（2)，数控振荡器（3)组成，通过鉴别器（1) 鉴别出环路输出信号与输入信号之间的相位误差，实时调整本地信号的频率，进而实现本 地信号对输入信号的跟踪。
[0007] (2)锁频环也是由鉴别器（4)，环路滤波器巧），数控振荡器（6)组成，鉴别器（4) 主要是对信号频率进行鉴别，调整本地信号频率进行跟踪。
[0008] (3)通过锁相环和锁频环组合的方式提出一种锁频环辅助锁相环的方法代替传统 接收机中的锁频环或锁相环，扩大频率的捜索范围。通过锁频环实现对高动态环境下多普 勒频率更加鲁棒的跟踪，通过锁相环实现对多普勒频率更加紧密地跟踪。
[0009] (4)将信号用UKF滤波器来消除跟踪过程中的多路径效应，由UKF输出码相位补偿 值和载波相位补偿值通过环路滤波器送给锁相环的数控振荡器（3)和锁频环的数控振荡 器化），作为反馈调节值，对微弱信号进行锁定。
[0010] 1、中频信号和数控振荡器的输出信号进行结合，在和本地即时码结合通过积分清 除操作生成I和Q两路信号，I路信号和锁相环数控振荡器（3)输出信号结合通过锁相环 鉴别器（1)进行比较后，将输入信号相位和数控振荡器（3)输出相位进行转换，得到误差电 压，通过环路滤波器（2)消除高频噪声，用来控制数控振荡器（3)。
[0011] 2、Q路信号通过鉴别器（4)将输入信号的频率与数控振荡器（6)的频率进行转换， 得到误差电压，通过环路滤波器（5)消除高频噪声，用来控制数控振荡器化）。
[0012] 3、将I，Q路信号通过UKF滤波器，通过UKF滤波器代替锁相环回路鉴别器（1)和 锁频环回路的鉴别器（4)，UKF滤波器通过对位置、速度、时钟偏差、时钟频差进行估计对码 相位和载波频率相位进行估计。
[0013] 4、GI^S信号先通过二阶锁频环辅助S阶锁相环回路，解决信号处于高动态环境的 情况，再将信号作为UKF滤波器的量测信息，实现对前面锁频环辅助锁相环回路码相位和 载波频率的修正，从而实现对微弱信号的跟踪。。
[0014] 5、建立系统模型如下：
[0015] 选取位置和速度误差作为状态变量，记为5X和5V。设T为k和k+1之间的时间 长度，当T足够小时，速度差在该时间段内视为常数，由此得到速度和位置的误差模型：
[0016] 5Xw= 5Xk巧5Vk+nw
[0017] 5Vw= 5Vk+Vw 阳01引 nw和Vw是接收机位置和速度噪声，为零均值白噪声序列。
[0019] 时钟误差模型为：
[0020] Bw=Bk+TAtk 阳 02UDw=Dk+Atk 阳02引其中Bk和Dk分别代表时钟偏差和时钟频差，Atk在短时间内可W视为常数。Atk是局斯白噪声序列。记：Atk= 丫k。
[0023] 因此系统的状态方程可W表示为：
[0027] Wk为过程噪声。
[0028] 系统的量测方程为：
阳〇3引其中：au,k、aiy,k、3iz,k分别为第i通道X、y、Z方向上接收机相对于卫星第k时刻 的视线矢量。
【附图说明】
[0034] 图1高动态环境下GPS弱信号跟踪的结构图；
[0035] 图2锁相环路组成；
[0036] 图3锁相环路线性模型；
[0037] 图4 一阶环路滤波器；
[0038] 图5二阶环路滤波器；
[0039] 图6S阶环路滤波器；
[0040] 图7锁频环辅助锁相环结构。
【具体实施方式】
[0041] 下面结合附图对本发明做进一步详细说明。
[0042] 如图1所示，本发明由锁相环、锁频环和UKF滤波器组成。
[0043] 载波频率辅助相位
[0044] 载波跟踪主要实现本地复现载波同GI^S信号进行匹配，载波跟踪环路主要由锁相 环，锁频环，和UKF滤波器组成本发明采用二阶锁频环（FLL)辅助=阶锁相环（PLL)和UKF 滤波器组合的方式。
[0045] 锁相技术是进行同步跟踪的，是用来有效提取相位信息的，图2表示环路的基本 组成。鉴别器（1)是误差敏感元件，数控振荡器（3)是一个执行元件。通过鉴别器（1)比 较输入相位和输出相位，得到误差信号，所得到的误差信号混合了高频分量和宽带噪声，通 过环路滤波器（2)处理后，将输出的信号送给数控振荡器（3)，数控振荡器（3)产生频率偏 移，从而实现了输出相位对输入相位的跟踪。
[0046] 由于鉴别器（1)具有非线性的特点，因此锁相环是一个非线性的系统。但是当锁 相环回路处于锁定状态下的时候，由于此时的误差较小，鉴别器（1)此时又趋于线性，运是 可W把环路近似的看成是线性系统。图3为锁相环的线性模型。
[0047] 在图3中
[0048]
W例 K为环路增益；
[0050] 开环传递函数为
[0056] 相位抖动的均方值是谱密度在全频率内的积分
[0057]
[005引 P虎信号的功率，B。为环路单边等效噪声带宽
[0059] 环路的信噪比为
[0060]
[0061] 其中，NO为噪声单边谱密度。环路前的信道带宽为Bi，信道中的信噪比为Pi= pyN(jB1，所W环路的信噪比为
[0062]
[0063] 由此可W看见环路确实提高了信噪比。
[0064] 锁频环通过复现近似频率来完成载波的剥离过程。锁频环通过鉴别器（4)测量载 波相位固定时间间隔内的变化量，通过环路载波器（5)再控制数控振荡器（NC0) (6)产生合 适的本地载波解调信号，在信号捕获完成后实现频率锁定。一般锁频环噪声带宽比较大可 W跟踪局动态的f目号，但跟踪的精度不局。 W65]GPS接收机的锁频环必须对I和Q信号的180度翻转不敏感。因此，I和Q信号的 采样时间不应跨越数据位的过渡。在开始信号的捕获的时候，接收机并不知道数据过渡边 缘在哪里，在完