成同步时，与相位锁定相比，更易于与卫星信号保持锁定。运是因为，锁频环 鉴别器（4)对某些I和Q信号的确跨越了数据位过渡不那么敏感。
[0066] 常用锁频环鉴别器（4)有S种：
[0070]其中dot=Ipi?Ip2+Qpi?Qp2,cross=Ipi?Qp2_Qpi?Ip2,Ipi、Qpi分别为I、Q通道 11 的下一计算时刻t2的采样。
[0071] 环路滤波器（2)的作用是降低噪声W便在其输出端对原始信号产生精确估计。环 路滤波器（2)的阶数和噪声带宽也决定了环路滤波器（2)对信号的动态响应。环路滤波器 的输出信号实际上是要与原始信号相减产生误差信号，误差信号再反馈回滤波器输入端形 成闭环过程。图4,图5,图6分别显示了一阶、二阶、=阶模拟滤波器框图。
[0072] 本发明针对在高动态环境下跟踪载波的多普勒频率具有较大的困难的问题，锁频 环虽然具有较好的动态性，但是跟踪信号不够紧密且跟踪精度不够高，而锁相环具有良好 的抗噪声能力跟踪信号紧密，但其动态性能较差。因此本发明为了实现对信号跟踪既具有 紧密型又具有良好的动态性采用二阶锁频环辅助=阶锁相环的方式，锁频环能较好地跟踪 高动态多普勒频率，使信号进入稳定跟踪状态，紧接着锁相环利用锁频环跟踪结果输出精 确载波相位测量值。
[0073] UKF算法跟踪GI^S微弱信号
[0074]本发明采用非线性卡尔曼滤波器来实现微弱信号的跟踪，使接收机能够处理低载 噪比的信号，实现码相位和载波相位的锁定。利用EKF来消除信号跟踪时的多路径效应，但 模型构造简单，不能有效跟踪微弱信号。EKF运算过程中雅克比方程可能会有非连续性，运 将导致信号跟踪的误差。本发明运用UKF来实现微弱信号的跟踪，由于EKF不用通过线性 化来改变本身的系统模型，可W有效避免上述缺陷。
[007引设连续线性系统带随机干扰下的微分方程式为：二.心+ 其 中A，G为时变量，W为白噪声过程且方差为Q，离散化的状态方程为Xw=OXk+Wk，其中
Wk的噪声序列方差为Qk
[0076]
[0077] 非线性离散系统由前面的推导可假设随机非线性离散系统为： W78] \=f(X,i) +r,Ai W79]Zk=h狂k+Vk)
[0080] 其中，Wk和Vk为零均值白噪声，其统计特性为E[WJ=0，E[WkW/r] =Qk*5k.i，E[Vk] =0,E[VkV.iT] =Rk*5 …E[WkVjT] = 0。
[0081] KF非线性滤波方法化lier和化Imann等提出了UKF非线性滤波方法，利用无迹变 换扣T)方法将一组逼近状态估计义,_1统计分布的采样点= 1，2,…，n，其中n为 采样点个数）直接代入非线性状态方程f(，）获得一组状态的变换点将直接 代入非线性观测方程h( ?)获得一组观测的变换点Zi,k/k1，再由变换点Xi,k/k1和Zi,k/k1的 前二阶矩统计特性获得状态预测值和状态预测协方差阵Pk/ki、观测估计值公和观 测协方差阵P,,kW及状态预测与观测之间的协方差阵Pu,k的近似值，然后按照卡尔曼滤波 方程进行递推计算。UKF方法不需要对非线性系统进行线性化近似，避免了计算化cobian 矩阵。
【主权项】
1. 一种高动态环境下GPS弱信号跟踪方法，其特征在于：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： (1) 锁相环由鉴别器（1)、环路滤波器⑵、数控振荡器（3)组成，通过鉴别器⑴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； (2) 锁频环也由鉴别器（4)、环路滤波器（5)、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； (3) 通过锁相环和锁频环组合的方式实现二阶锁频环辅助三阶锁相环的方法，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； (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 (6)，作为反馈调节值，对微弱信号进行锁定。2. 根据权利要求1所述的一种高动态环境下GPS弱信号跟踪方法，其特征是：中频信 号和数控振荡器（6)的输出信号进行结合，再和本地即时码结合，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)。3. 根据权利要求2所述的一种高动态环境下GPS弱信号跟踪方法，其特征是：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（6)。4. 根据权利要求1所述的一种高动态环境下GPS弱信号跟踪方法，其特征是：码相位 误差和锁频环辅助锁相环输出的载波频率误差转换为伪距和伪距率误差，作为UKF滤波器 的量测信息，通过UKF滤波器代替锁相环的鉴别器⑴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。5. 根据权利要求1所述的一种高动态环境下GPS弱信号跟踪方法，其特征是：GPS信号 先通过二阶锁频环辅助三阶锁相环回路，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。6. 据权利要求1所述的一种高动态环境下GPS弱信号跟踪方法，其特征是：建立系统 模型如下： 选取位置和速度误差作为状态变量，记为δ X和δ V，设T为k和k+Ι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：其中，nk+1和vk+1是接收机位置和速度噪声，为零均值白噪声序列； 时钟误差模型为：Dk+1= Dk+Atk 其中，1\和D k分别代表时钟偏差和时钟频差，△ t k在短时间内可以视为常数；△ 11<是 尚斯白噪声序列，记：Atk= γ k; 系统的状态方程表示为：其中，Fk,k+1为状态转移矩阵，Wk为过程噪声； 系统的量测方程为：量测矩阵H如下：其中，aix,k、aiy,k、aiZil^ v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。
【专利摘要】本发明提供一种高动态环境下GPS弱信号跟踪方法，本发明由锁相环、锁频环组成一种新型二阶锁频环（FLL）辅助三阶锁相环（PLL)的方式来完成GPS处于高动态环境时单独锁相环噪声带宽窄，容易失锁，单独锁频环噪声带较宽，容易引入过多噪声问题。同时结合UKF滤波的方式来跟踪微弱信号，采用非线性卡尔曼滤波器的方法可以使接收机能够处理低载噪比的信号，把前置锁相环和锁频环跟踪的信号，通过UKF滤波器，UKF滤波器对位置、速度、时钟偏差、时钟频差进行估计，进而修正码相位和载波频率。在GPS高动态，多路径等复杂环境下提供了一种新研究方法，具有很强的推广能力。
【IPC分类】G01S19/24
【公开号】CN105182373
【申请号】CN201510624772
【发明人】张涛, 杨书天, 徐晓苏, 李瑶, 朱永云, 王自强
【申请人】东南大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月25日