一种环路跟踪方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星导航应用领域，尤其是设及一种可用于高动态环境下的卫星信号 环路跟踪方法及系统。
【背景技术】
[0002] 随着国防军事的发展需求，导弹、战机等先进武器设备的动态越来越高，运使得传 统GI^接收机无法对其进行导航定位，必须对现有的环路跟踪方案加 W改进。高动态环境 下，接收机和卫星有着较大的相对速度、加速度甚至加加速度，例如近距格斗弹的过载能达 到40g，中距弹大概为20g，巡航导弹约几个g左右。
[0003] 在上述高动态环境下，GI^接收机接收到的GI^信号中包含很大的多普勒频移及 其变化率，如果采用传统的算法和跟踪环路进行跟踪，那么要想保持环路锁定就必须增加 环路滤波器的带宽，但运样会使得跟踪环路的噪声增大，造成跟踪环路失锁；如果不增加环 路滤波器的带宽，载波多普勒频移往往会超出环路的可跟踪范围，同样会导致环路失锁。
[0004] 因此，现有技术中，传统的GI^接收机无法在高动态环境下实现稳定有效的卫星 信号环路跟踪，难W有效的处理卫星信号，从而不能实现定位和导航。
【发明内容】
阳0化]为此，本发明的目的在于：提供一种可用于高动态环境下的卫星信号环路跟踪方 法及系统，解决传统的GI^接收机无法在高动态环境下实现稳定有效的卫星信号环路跟 踪、从而不能实现定位和导航的缺陷。
[0006] 本发明提供的技术方案如下：
[0007] 一种环路跟踪方法，包括：
[000引将接收到的卫星信号转换为数字中频信号；
[0009] 根据所述数字中频信号，计算即时支路、超前支路和滞后支路的相干积分值；
[0010] 将即时支路上的相干积分值输入载波环鉴相器，并将超前支路和滞后支路上的相 干积分值输入码环鉴相器；
[0011] 建立线性状态方程，将载波环鉴相器和码环鉴相器输出的结果作为观测向量进行 卡尔曼滤波。
[0012] 较佳的，所述将接收到的卫星信号转换为数字中频信号，包括：
[0013] 通过前置滤波器和前置放大器对所述卫星信号进行滤波和放大；
[0014] 将振荡器产生的正弦波本振信号与滤波放大后的卫星信号进行混频，得到中频信 号；
[0015] 将所述中频信号在模数转换器转换为离散时间的数字中频信号。
[0016] 较佳的，所述将接收到的卫星信号转换为数字中频信号，包括：
[0017] 分别计算并得到I支路和Q支路上的相干积分值。
[0018] 较佳的，所述的环路跟踪方法中：
[0019] 所述载波环鉴相器为二象限反正切函数鉴相器；
[0020] 所述码环鉴相器采用非相干超前减滞后幅值法。
[0021] 较佳的，所述的环路跟踪方法中：
[0022] 所述线性状态方程为4阶线性状态方程，真实码相位同本地复现码相位的差、真 实载波与本地复现载波的相位差、载波的多普勒漂移、W及载波的多普勒漂移变化率为卡 尔曼滤波的状态向量。
[0023] 较佳的，所述进行卡尔曼滤波还包括：
[0024] 对状态协方差阵进行单位上Ξ角阵和对角阵分解，利用单位上Ξ角阵和对角阵进 行更新迭代。
[00巧]较佳的，所述进行卡尔曼滤波之后，还包括：
[0026] 利用卡尔曼滤波得到的设定时段内观测量的最优估计，更新该设定时段内本地载 波和本地伪码频率控制字，将该频率控制字反馈至本地载波和本地C/A码发生器；
[0027] 本地载波和C/A码发生器分别根据各自的频率控制字，产生新的本地复制信号。 [002引本发明还提供了一种环路跟踪系统，包括：
[0029] 信号转换模块，用于将接收到的卫星信号转换为数字中频信号；
[0030] 相干积分值计算模块，用于根据所述数字中频信号，计算即时支路、超前支路和滞 后支路的相干积分值；
[0031] 载波环鉴相器，用于处理即时支路上输入的相干积分值；
[0032] 码环鉴相器，用于处理超前支路和滞后支路上输入的相干积分；
[0033] 卡尔曼滤波器，用于建立线性状态方程，并W载波环鉴相器和码环鉴相器输出的 结果为观测向量进行卡尔曼滤波。
[0034] 较佳的，所述的环路跟踪系统，还包括：
[0035] 更新迭代模块，用于对状态协方差阵进行单位上Ξ角阵和对角阵分解，利用单位 上Ξ角阵和对角阵进行更新迭代。
[0036] 较佳的，所述的环路跟踪系统，还包括：
[0037] 本地载波和C/A码发生器，用于利用卡尔曼滤波得到的设定时段内观测量的最优 估计，更新该设定时段内本地载波和本地伪码频率控制，并产生新的本地复制信号。
[0038] 本发明提供的环路跟踪方法和系统，相比于传统跟踪环路，通过对接收机的软件 改进，在不增加接收机硬件和能耗的基础上，采用卡尔曼滤波与传统跟踪环路的禪合，将码 环鉴相器与载波环鉴相器输出作为一个整体进行自适应处理，实现环路噪声带宽的动态调 节，使其能够随着环境的变化而实时的、自适应的得到调整，充分发挥卡尔曼滤波在动态数 据处理中的优势。
[0039] 该方案中，整个环路跟踪模块的线性化部分在码环鉴相器与载波环鉴相器中进 行，后续卡尔曼滤波过程为线性化过程，因此可直接采用标准的卡尔曼滤波算法，处理过程 简单，计算量少；该环路跟踪方法与传统跟踪环路相比，具有更高的鲁棒性和稳定性，能够 在高动态环境下实现稳定有效的卫星信号环路跟踪，从而能够实现跟踪精度更高的定位和 导航。
【附图说明】
[0040] 图1为实施例一提供的环路跟踪方法流程示意图；
[0041] 图2为实施例二提供的卡尔曼滤波算法方框图；
[0042] 图3为实施例Ξ提供的环路跟踪系统框架组成示意图。
【具体实施方式】
[0043] 为解决传统的GPS接收机无法在高动态环境下实现稳定有效的卫星信号环路跟 踪，从而不能实现定位和导航的缺陷，本实施例提供了一种可用于高动态环境下的卫星信 号环路跟踪方法及系统。
[0044] 如图1所示的环路跟踪方法流程示意图所示，结合图2所示的卡尔曼滤波算法方 框图，所述方法至少包括W下步骤： W45]步骤S101 :将接收到的卫星信号转换为数字中频信号；
[0046] 具体的可W通过如下方式进行转换：
[0047] (1)通过前置滤波器和前置放大器对所述接收机天线接收到的卫星信号进行滤波 和放大；
[0048] (2)将振荡器产生的正弦波本振信号与滤波放大后的卫星信号进行混频，得到中 频信号；其中所述振荡器可W为本地振荡器。
[0049] (3)将所述中频信号在模数转换器转换为离散时间的数字中频信号。
[0050] 步骤S102 :根据所述数字中频信号，计算即时支路、超前支路和滞后支路的相干 积分值；
[0051] 本步骤中，对输入的数字中频信号作相关、积分-清零等处理，分别得到I和Q支 路上的相干积分值le，Ip，L和Q e，Qp，Ql;其中I e和Q e为超前支路上的相干积分值，I P和Q P 为即时支路上的相干积分值，L和Ql为滞后支路上的相干积分值。
[0052] 步骤S103 :将即时支路上的相干积分值输入载波环鉴相器，并将超前支路和滞后 支路上的相干积分值输入码环鉴相器；
[0053] 本步骤中，所述载波环鉴相器可W为二象限反正切函数鉴相器；所述码环鉴相器 可W采用非相干超前减滞后幅值法。当然，可W选用其它具有类同功能的载波环鉴相器和 码环鉴相器。
[0054] 步骤S104 :建立线性状态方程，将载波环鉴相器和码环鉴相器输出的结果作为观 测向量进行卡尔曼滤波。
[0055] 本步骤中，所述线性状态方程可W为4阶线性状态方程。对应的，可W选取真实码 相位同本地复现码相位的差（τ，单位为C/A码码基个数），真实载波与本地复现载波的相 位差（Θ，单位为rad)，载波的多普勒漂移（f，单位为化/s)，载波的多普勒漂移变化率（f'， 单位为化八2)作为卡尔曼滤波的状态向量。
[0056] 由于其输入为相位值而非相位的Ξ角函数值，因此利用简单的线性卡尔曼滤波进 行时间更新和观测更新即可得到更优的性能。
[0057] 此外，为防止计算机有限字长导致卡尔曼滤波发散W及病态数值对卡尔曼滤波的 不利影响，在本实施例所述的环路跟踪方法中，在卡尔曼滤波中还可W引入平方根UD(单 位上Ξ角阵和对角阵分解）分解算法，通过对P阵（状态协方差阵）进行UD分解，利用U 阵和D阵进行更新迭代，保证P阵的正定性。
[0058] 基于UD分解的卡尔曼滤波环路跟踪方法，是一种状态空间的方法，它能体现系统 或信号的特征、特点和变化情况，状态变量能够反映信号的高动态特性。在该方案中引入平 方根UD分解，可有效防止计算机有效字长或病态数值引起的环路发散。
[0059] 为保证本地复制载波和本地伪码信号与接收信号相一致，本实施例中，所述进行 卡尔曼滤波之后，还可W包括：
[0060] 利用卡尔曼滤波得到的ATk时段内观测量的最优估计Δ Φ k和Δ τ k，进而更新 A Tw时段内本地载波和本地伪码NC0频率的控制字，将该频率控制字反馈至本地载波和 本地C/A码发生器；
[0061] 本地载波和C/A码发生器分别根据各自的频率控制字，产生新的本地复制信号， 返回到步骤S102重复执行，形成闭合环路，从而保证本地复制载波和本地伪码信号与接收 信号相一致。
[0062] 本实施例提供的环路跟踪方法，相比于传统跟踪环路，通过对接收机的软件改进， 在不增加接收机硬件和