高動態(tài)GNSS導航接收機中擴展卡爾曼跟蹤算法的研究

【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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[6]付夢印，鄧志紅，閆莉萍.Kalman濾波理論及其在導航系統(tǒng)中的應用[M].北京：科學出版社，2000：155-171.

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。