一种基于空间域的联合非相干积分矢量跟踪方法
【技术领域】
[0001] 本发明适用于城市交通、航海等中低精度要求的导航定位技术领域，是为了达到 高精度、高可靠性以及大定位覆盖范围的导航定位要求，在传统GPS软件接收机技术的基 础上研究新的卫星信号跟踪技术，实现了在卫星信号微弱及高动态等环境中的无缝定位。
【背景技术】
[0002] 在高动态环境中（航天领域、运载火箭、卫星和导弹），GPS接收机处于高速运动状 态，且可能具有很大的加速度或加加速度，一般商用GPS接收机无法正常工作。在高动态环 境中，较高的接收机运动速度使得载波上存在较大的多普勒频移，此外，当接收机以很高的 加速度或加加速度改变运动状态时，将导致载波多普勒频移的剧烈变化。由高动态引起的 剧烈变化的多普勒频移会给GPS接收机的跟踪环路带来一些问题：
[0003] (1)需要尽快的完成捕获过程并进入跟踪过程，太大的多普勒频移会给初期的跟 踪带来很大的困难，此时跟踪环路只能采用带宽较宽的锁频环或锁相环。
[0004] (2)由于多普勒频移变化剧烈，因此积分时间必须很短，否则很容易超过锁相环或 锁频换的跟踪带宽，导致信号失锁。
[0005] (3)在高动态环境对信号跟踪进行跟踪时，因为载波多普勒频率变化剧烈，所以才 用了较短的积分时间和较大的滤波器噪声带宽，因此环路信噪比通常较低，跟踪精度较差。
[0006] 众所周知，在GPS接收机中，与传统的标量跟踪环路（ScalarTrackingLoop,STL) 相比，矢量跟踪环路（VectorTrackingLoop，VTL)有着很多优点，尤其是在弱信号和高动 态环境的中，VTL具有更好的跟踪灵敏度及重捕获速度。传统的GPS接收机在GPS信号信 噪比较高且载体动态性较低时可以很好的工作。然而，当传统GPS接收机处于高动态运动 状态或GPS信号信噪比较低时将会失去对GPS信号的锁定。与之相反，基于矢量跟踪环路 的GPS接收机对低信噪比和高动态环境具有比传统GPS接收机高的多的耐受能力，矢量跟 踪GPS接收机拥有比传统接收机更好的性能。
[0007] 然而，传统的矢量跟踪技术并没有充分的利用各通道信号的内在关系，还不能被 称为真正意义上的矢量跟踪。事实上，除了各通道信号的伪距、位居率具有内在耦合性以 外，各通道的鉴相器输出（伪距、位居率残差）也不是相互独立的。当我们处理微弱信号的 时候，也可以将这个内在的联系加以利用，以提高GPS接收机的性能。
[0008] 本发明以矢量跟踪思想为基础提出了一种新的矢量跟踪策略，用以进一步提高矢 量跟踪GPS接收机的性能。在新的矢量跟踪策略设计中舍弃了传统矢量跟踪环路中的鉴相 器/鉴频器，而是将各通道可见卫星的基带信号进行非相干积分后作为观测量，并使用EKF 估计其直接求解GPS接收机的位置、速度及钟差等。因为非相干积分运算的存在，当GPS卫 星信号较弱时，可以有效提高观测量的载噪比，提高跟踪灵敏度。
【发明内容】
[0009] 本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种新的GPS软件接收机 中的信号跟踪方法，该方法克服了传统软件接收机由于信号遮挡或载体高动态环境下定位 精度的欠缺，可以得到大量的预估计处理增益，有效提高观测量的载噪比，提高跟踪灵敏 度，提供覆盖范围更大、可靠性更高也更精确的弱信号和高动态环境下的定位服务。
[0010] 本发明为实现上述目的，采用如下技术方案：
[0011] -种基于空间域的联合非相干积分矢量跟踪方法，其特征在于包括以下步骤：
[0012] (1)通过GPS天线接收卫星信号，将各通道基带信号进行叠加，实现不同通道间信 号非相干积分，以提高低信噪比条件下的跟踪灵敏度；
[0013] (2)使用非相干积分后的结果作为观测值，使用扩展卡尔曼滤波器对导航状态参 数进行最优估计；
[0014] (3)根据估计结果预测各跟踪通道的码相位差和载波频率差，直接形成闭环跟踪 环路。
[0015] 所述的基于空间域的联合非相干积分矢量跟踪环路的跟踪周期为1秒。
[0016] 步骤1所述的联合相干积分为
[0017]
[0018]
[0019]
[0020] ：~-；=1
[0021] 其中，L为可见的GPS卫星数量，N为[k，k+l]时段内的积分点个数；nk+1为零均 值高斯白噪声。IP^k+1为[k，k+Ι]时段第1颗卫星即时信号相关积分结果；I P，k，k+1、Ie，k，k+1、 1^!^+1是GPS基带信号与本地复现信号的相干积分结果，我们选择他们作为跟踪环路的观 测量；4;|| =$(々十1)^/(^十1)，ajk+l)为k+Ι时刻的信号振幅，Ak+1是各通道信号振幅的平 均值，为一未知量，可作为跟踪环路的状态向量。
[0022] 步骤2中所述矢量跟踪环路系统卡尔曼滤波器的系统方程为
[0023]
本发明与现有技术相比的优点在于：
[0025] (1)基于矢量跟踪环路的GPS接收机对低信噪比和高动态环境具有比传统GPS接 收机高得多的耐受能力，矢量跟踪GPS接收机拥有比传统接收机更好的性能。
[0026] (2)在传统的GPS接收机中，跟踪模块包含数个功能一致且独立的跟踪环路，每个 跟踪环路对单独一路GPS卫星信号进行独立的跟踪和处理。与传统接收机不同，本发明中 矢量跟踪接收机只有一个被称为导航滤波器的跟踪模块，导航滤波器能够同时对所有通道 的GSP卫星信号进行跟踪处理，同时还完成接收机位置、速度解算的任务。由于矢量GPS接 收机将所有通道的卫星信号进行统一处理，对接收机的动态跟踪是由各通道信号联合完成 的，因此其具有很多优点。
[0027] (3)当使用传统的标量跟踪环路时，每个跟踪通道必须依靠其自身对一颗GPS卫 星信号的视向多普勒频率和码相位变化进行跟踪，因此当多普勒频率变化剧烈或者接收到 的信号能量过低时，该跟踪环路会失锁。但是在矢量跟踪过程中，由于集合了所有通道的能 量且导航滤波器可以根据载体的运动状态直接对各通道多普勒频率变化率进行直接反馈， 所以可以拥有更低的跟踪门限和更高的动态应力承受能力。
[0028] 本发明以矢量跟踪思想为基础提出了一种新的矢量跟踪策略，用以进一步提高矢 量跟踪GPS接收机的性能。在新的矢量跟踪策略设计中舍弃了传统矢量跟踪环路中的鉴相 器/鉴频器，而是将各通道可见卫星的基带信号进行非相干积分后作为观测量，并使用EKF 估计其直接求解GPS接收机的位置、速度及钟差等。因为非相干积分运算的存在，当GPS卫 星信号较弱时，可以有效提高观测量的载噪比，提高跟踪灵敏度。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的GPS接收机跟踪环路结构图；
[0030]图2为本发明的GPS接收机工作流程图；
[0031] 图3为本发明的GPS接收机结构原理；
[0032]图4为本发明的GPS接收机算法流程图；
【具体实施方式】
[0033] 在GPS接收机工作的过程中，为了得到各跟踪通道的伪距（距离）和伪距率（视向 速度），需要用接收到的GPS中频信号与各个跟踪通道的本地复现载波和复现伪随机序列 进行相关和积分运算。我们假设当前时刻为k时刻，下一时刻为k+Ι时刻，在跟踪过程中， 我们需要利用k时刻的数据估计下k+Ι时刻的信号参数。
[0034] 以第1颗卫星的跟踪通道为例，设当前时刻的伪随机码相位为τlk (单位：米）、伪 随机码频率fradeilk (单位：码片/秒）、GPS接收机的钟差为tbik (单位：米）、GPS接收机的 时钟漂移为t4k(单位：米/秒）、GPS接收机的位置为Pk、GPS接收机的速度为Vk、卫星的位 Psatel 1 i te，1，k、卫星的速度为 ^satellite, 1, k °
[0035]其中，
[0036] Pk= [XkYkZJT (1)
[0037] Vk= [Vx,kVy,kVz,k]T (2)
[0038] ^satellite, 1, k satellite, 1, k ^satellite, 1, k ^satellite, 1, k-1 (3)
[0039] ^satellite, 1, k [V x, satellite, 1，k Vy, satellite, 1，k Vz, satellite, 1，k] (4)
[0040]贝IJk时刻GPS接收机位置/速度与k+1时刻GPS接收机位置速度的关系为[0041] Pk+1=Pk+Vktkik+1+ δ Pk+1(5)
[0042]Vk+1=Vk+5Vk+1 (6)
[0043]
(7) (B)
[0045]其中，也i为k+1时刻GPS接收机位置预测值；4为k+1时刻GPS接收机速度的 预测值；δPk+1为k+Ι时刻GPS接收机位置预测值的误差；δVk+1为k+Ι时刻GPS接收机速 度预测值的误差。
[0046] 我们知道，GPS接收机跟踪环路的跟踪过程，实质上就是对接收到的GPS卫星信号 的码相位和载波多普勒频率的变化的跟踪过程。GPS接收机与GPS卫星相对位置的变化导 致了码相位的变化，GPS接收机与GPS卫星间相对速度的变化导致了多普勒频率的变化，且 他们之间满足如下关系：
[0049]其中，Δτi(k,k+Ι)为k到k+Ι时刻以米为单位的码相位的变化量；Psatelllte,lik为 [k，k+Ι]时段内卫星1的位