【摘要】針對高動態(tài)GNSS導航接收機跟蹤環(huán)節(jié)中動態(tài)性和噪聲性能的問題,該文提出一種基于信號參數(shù)估計結(jié)構(gòu)的擴展卡爾曼跟蹤環(huán)。該文首先對高動態(tài)GNSS信號進行建模,使用擴展卡爾曼參數(shù)估計來實現(xiàn)載波跟蹤,并用載波多普勒輔助碼環(huán),有效地提高了高動態(tài)導航接收機的跟蹤性能。仿真結(jié)果表明,相比傳統(tǒng)上的鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán),該文提出的環(huán)路具有更小的跟蹤誤差以及更好的噪聲特性。
【關(guān)鍵詞】GNSS;高動態(tài);載波估計;擴展卡爾曼;載波輔助
1.引言
全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)GNSS能夠提供全球范圍內(nèi)全天候、準確可靠的三維定位和測速等信息,在軍事、導航、勘探、測量、通信授時等領(lǐng)域日益發(fā)揮著重要的作用。高動態(tài)GNSS導航接收機技術(shù)面對的不再是低動態(tài)、靜態(tài)環(huán)境,而是像導彈、火箭、衛(wèi)星等相關(guān)的高動態(tài)環(huán)境。
此時載體的高速運動使接收信號載波多普勒隨時間變化非常快,傳統(tǒng)的鎖相環(huán)或鎖頻環(huán)帶寬要足夠大才能容忍這種高動態(tài)性引起的頻率和相位的變化。然而環(huán)路帶寬越寬,引入了更多頻率和相位噪聲,環(huán)路的噪聲性能變差,容易失鎖,無法完成解調(diào)。
為了解決上述問題,[1-2]提出基于最大似然的信號參數(shù)估計算法(MLE)來進行信號的頻率估計。而[3-4]針對GNSS信號特性和MLE計算復雜度高的特點,提出了迭代最大似然算法(DMLE),利用Levenberg-Marquardt和非線性最小均方估計的方法對MLE進行優(yōu)化,并在GNSS軟件接收機上實現(xiàn)驗證了其跟蹤性能。但考慮到DMLE計算量依舊過于復雜,難以實用于現(xiàn)有的接收機中,實際中高動態(tài)接收機一般使用鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)的方式來進行載波跟蹤[5]。
但是,相比較鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)環(huán)路帶寬固定的特性,引入卡爾曼環(huán)路增益,可以自適應地改變導航接收機的環(huán)路帶寬,使得環(huán)路特性能夠根據(jù)輸入信號的動態(tài)而改變,因此具有更好的跟蹤性能。文獻[6]中采用線性卡爾曼跟蹤環(huán)路的方法來跟蹤高動態(tài)信號。但是由于線性卡爾曼還是保留鎖相環(huán)機構(gòu)中的鑒相器環(huán)節(jié),使得其環(huán)路抗噪性能較差,只適用于信噪比較高的環(huán)境。而[2]提出了基于擴展卡爾曼的信號估計算法,只是對一般的載波信號進行開環(huán)參數(shù)估計,難以直接應用于實際的GNSS載波跟蹤。
基于此,本文提出了一種采用四階擴展卡爾曼的高動態(tài)跟蹤算法,針對實際中高動態(tài)GNSS信號特性進行建模,使用擴展卡爾曼參數(shù)估計的方法實現(xiàn)載波跟蹤,并使用載波輔助碼環(huán)的技術(shù),將擴展卡爾曼濾波應用于高動態(tài)接收機的跟蹤環(huán)節(jié)。最后通過仿真測試,證實所設(shè)計環(huán)路優(yōu)于傳統(tǒng)的跟蹤環(huán)路,具有更好的跟蹤精度和噪聲性能。
2.高動態(tài)GNSS信號
3.擴展卡爾曼跟蹤環(huán)
3.1 環(huán)路結(jié)構(gòu)
基于EKF的參數(shù)估計環(huán)路如圖1所示:
3.2 載波環(huán)輔助碼環(huán)
5.結(jié)束語
針對高動態(tài)GNSS導航接收機設(shè)計過程中的信號跟蹤問題,本文提出一種基于擴展卡爾曼載波估計和載波輔助碼環(huán)技術(shù)的跟蹤環(huán)路。該環(huán)路將I、Q兩支路相干積分結(jié)果去符號后作為EKF的觀測向量,避免了鑒別器在低信噪比下性能的損失,并利用載波環(huán)輔助碼環(huán),有效地提高了接收機的跟蹤性能。但本文所采用的去符號位的算法將線性白噪聲變成了有色噪聲,影響了環(huán)路的抗噪性能,需要進一步對提高環(huán)路在低信噪比下的穩(wěn)定性進行研究。
參考文獻
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基金項目:高等學校博士學科點專門研究基金(項目編號:No.20110121120019);中國福建省自然科學基金(項目編號:No.2011J01372);中福建省高技術(shù)研究發(fā)展計劃(項目編號:No.2010HZ0004-1)。
作者簡介:林文興(1988—),男,福建福州人,廈門大學信息科學與技術(shù)學院通信工程系碩士研究生在讀,研究方向:GNSS導航信號跟蹤算法。