多波段矢量跟蹤算法研究

解婧瑋

摘 要：本文在介紹矢量跟蹤算法的基礎(chǔ)上，討論了多波段矢量跟蹤算法在電離層閃爍情況下的設(shè)計(jì)和意義。為后續(xù)算法的設(shè)計(jì)提供了方向和理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)星導(dǎo)航；矢量跟蹤；卡爾曼濾波器；多波段

0 引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是一種相當(dāng)成熟的定位方式。用戶通過(guò)使用接收機(jī)接收衛(wèi)星信號(hào)，得到自己的地理坐標(biāo)。為了實(shí)現(xiàn)這一功能，研究人員開(kāi)發(fā)出了各種導(dǎo)航接收機(jī)算法，其中很關(guān)鍵的一個(gè)環(huán)節(jié)就是信號(hào)跟蹤。通過(guò)信號(hào)跟蹤，接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的擴(kuò)頻碼延遲、載波頻率偏移、載波相位等參數(shù)做出估計(jì)，用以作為后續(xù)位置計(jì)算的基礎(chǔ)。在傳統(tǒng)接收機(jī)設(shè)計(jì)中，各個(gè)跟蹤環(huán)路的跟蹤計(jì)算是獨(dú)立的，這種方式也叫做標(biāo)量跟蹤。矢量跟蹤的結(jié)果會(huì)被用作定位算法的輸入值，然后輸出導(dǎo)航結(jié)果，即對(duì)用戶位置、速度與時(shí)鐘偏差的估計(jì)。在標(biāo)量跟蹤算法中，如果信號(hào)出現(xiàn)衰減或者受到很大的干擾，相應(yīng)的跟蹤環(huán)常會(huì)失效，只能重新開(kāi)始獲取相應(yīng)衛(wèi)星的信號(hào)參數(shù)。

為了解決這一問(wèn)題，矢量跟蹤的概念在1980年被E.Copps 等提出，并被Spilker等于1995年命名和定義。這一算法把多個(gè)跟蹤環(huán)的信號(hào)參數(shù)估計(jì)，通過(guò)一個(gè)擴(kuò)展卡爾曼濾波器合并起來(lái)，并且產(chǎn)生導(dǎo)航結(jié)果。矢量跟蹤算法也可以用于將衛(wèi)星定位信號(hào)與慣性測(cè)量單元結(jié)合起來(lái)，得到更加穩(wěn)定的導(dǎo)航效果。在優(yōu)越性證實(shí)方面，Pany等通過(guò)在軟件算法中使用矢量延遲鎖定環(huán)（VDLL）和矢量頻率鎖定環(huán)（VFLL），證明了矢量跟蹤算法在較少可視衛(wèi)星條件下的優(yōu)越性。

電離層閃爍是一種太陽(yáng)風(fēng)、地磁場(chǎng)等變化導(dǎo)致的電離層不穩(wěn)定現(xiàn)象。它能夠使導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)強(qiáng)度衰減，也能影響接受到的信號(hào)的載波相位。本文在回顧矢量跟蹤技術(shù)的基礎(chǔ)上，討論了多波段矢量跟蹤作為這一現(xiàn)象解決方式的可行性。

1 矢量跟蹤

相比傳統(tǒng)標(biāo)量跟蹤算法，矢量跟蹤有兩個(gè)主要特點(diǎn)：其一是它使用一個(gè)統(tǒng)一的卡爾曼濾波器來(lái)把所有鎖定環(huán)結(jié)合起來(lái)，同步進(jìn)行跟蹤；其二是它將跟蹤與定位這兩個(gè)傳統(tǒng)算法中分開(kāi)的步驟合并在一起。

矢量跟蹤算法可以分為很多種：鎖定環(huán)設(shè)計(jì)，可以選擇相干或非相干方法；卡爾曼濾波器的狀態(tài)變量設(shè)定，可以選擇位置或者偽距狀態(tài)變量；考慮要估計(jì)的信號(hào)參數(shù)，可以分為矢量延遲鎖定環(huán)（VDLL）、矢量相位鎖定環(huán)（VPLL）、矢量頻率鎖定環(huán)（VFLL）或者矢量延遲及頻率鎖定環(huán)（VDFLL）。

相干鎖定環(huán)還可以分為分部或集成式的。集成式鎖定環(huán)中，相關(guān)器輸出的I和Q值被用來(lái)作為導(dǎo)航濾波器的輸入值，而在分布式中，會(huì)有一個(gè)初級(jí)跟蹤濾波器來(lái)對(duì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行預(yù)估計(jì)。在非相干鎖定環(huán)中，I和Q值被輸入鑒別器，結(jié)果則成為導(dǎo)航濾波器的輸入值。

位置狀態(tài)變量可以定義為由接收機(jī)的位置、速度、鐘差、鐘差偏移率，這種情況下?tīng)顟B(tài)變量的元素較少且數(shù)目確定。使用偽距作為狀態(tài)變量時(shí)，常用的設(shè)定是將接收機(jī)與各個(gè)可見(jiàn)衛(wèi)星的偽距和偽距變化率作為參數(shù)，這種情況下?tīng)顟B(tài)變量的元素較多，但本質(zhì)與前一種方法一樣。

VDLL、VFLL和VDFLL是比較常用的參數(shù)估計(jì)模式。前兩種可以獨(dú)立估計(jì)編碼延遲和載波多普勒頻移，后一種同時(shí)估計(jì)兩種參數(shù)。而VPLL在實(shí)際中很少使用，這是因?yàn)樗枰^高的信號(hào)能量水平來(lái)達(dá)到計(jì)算條件，而矢量跟蹤的優(yōu)勢(shì)則是在低信號(hào)能力水平下的穩(wěn)定跟蹤。

2 電離層閃爍與多波段矢量跟蹤

學(xué)界常用一個(gè)S4指數(shù)來(lái)描述電離層閃爍的強(qiáng)度，當(dāng)值是0時(shí)表示沒(méi)有電離層閃爍，0.5表示中等程度閃爍，1表示非常劇烈的閃爍現(xiàn)象。電離層閃爍對(duì)于不同頻率的電磁波有不同程度的影響，頻率越低受到的影響越大，與頻率成1.5次冪反比。

電離層閃爍對(duì)信號(hào)影響的另一個(gè)特征是，它對(duì)不同波段的信號(hào)影響并不是同步的。也就是說(shuō)當(dāng)在某個(gè)頻率上信號(hào)強(qiáng)度因電離層閃爍變得異常低時(shí)，其他頻率上的信號(hào)可能沒(méi)有受到同樣程度的影響?；谶@個(gè)特點(diǎn)，我們可以考慮使用多個(gè)波段的衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)來(lái)減弱電離閃爍對(duì)信號(hào)跟蹤的影響。GPS現(xiàn)有L1、L2和L5 3個(gè)波段，其他全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)也都有多個(gè)波段，因此這個(gè)方法值得去研究。

具體到跟蹤算法的設(shè)計(jì)，在多波段模式下，需要采用多個(gè)波段的信號(hào)共同作為卡爾曼濾波器的輸入值。有兩種方案可以考慮，一種是通過(guò)比較各波段的信號(hào)強(qiáng)度水平，選擇最強(qiáng)的那個(gè)波段作為該衛(wèi)星的輸入值；另一種是將所有可得的波段都放入濾波器中運(yùn)算，并基于該波段的信號(hào)能量水平來(lái)設(shè)定測(cè)量值的相關(guān)系數(shù)及權(quán)重矩陣，這種方法的缺點(diǎn)是引入了很多質(zhì)量較低的測(cè)量值，優(yōu)點(diǎn)是在可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)量較少的時(shí)候，可以保證測(cè)量值數(shù)量的充足，并且通過(guò)設(shè)定權(quán)重減少低水平信號(hào)對(duì)結(jié)果的影響。

3 結(jié)論

矢量跟蹤是一種先進(jìn)的跟蹤算法，它在信號(hào)微弱時(shí)具有相比傳統(tǒng)算法更穩(wěn)定的性能。本文簡(jiǎn)要介紹了矢量跟蹤技術(shù)，并討論了多頻率矢量跟蹤在電離層閃爍情況下的適用性，并得出這一方法值得進(jìn)行實(shí)施的結(jié)論。在這個(gè)基礎(chǔ)上，后續(xù)研究可以進(jìn)行展開(kāi)，具體設(shè)計(jì)并評(píng)價(jià)這個(gè)方法。

參考文獻(xiàn)

[1]羅雨，王永慶，羅海坤，等.基于擴(kuò)展卡爾曼濾波器的矢量跟蹤算法研究[J].電子與信息學(xué)報(bào)，2013，（6）：1400-1405.

（作者單位：武漢大學(xué)測(cè)繪遙感信息工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）