一种卫星基带信号跟踪方法

技术领域

本发明主要涉及到导航制导与控制技术领域，特指一种卫星基带信号跟踪方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS,Global Navigation Satellite System)主要包括美国的GPS(Global Positioning System)、俄罗斯的GLONASS(GLObal NAvigation SatellitesSystem)、欧洲的Galileo以及我国的北斗导航系统等，具有全球性、全天候、连续的、实时的精密三维导航与定位能力，且其误差不随时间发散，但是易受遮挡和干扰。

惯性导航系统(INS,Inertial Navigation System)是一种完全自主的导航系统，具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等优点，且能实时提供多种导航参数如位置、速度、姿态等。但INS存在陀螺仪、加速度计等器件误差，使得定位误差随时间而积累。根据INS和GNSS导航功能互补的特点，以适当的方法将两者组合来提高系统的整体导航精度及导航性能。

在高动态、超高动态的应用背景下，单独的GNSS接收机难以正常工作，其主要问题是接收机载波环路的动态性不足以跟踪高动态卫星载波信号的多普勒变化，甚至已跟踪的信号也会发生失锁。跟踪的动态性要求带宽越宽越好，这样就能够适应载体产生的大的速度、加速度以及加加速度的情况，而过大的带宽必然引入更大的噪声，使得信号的输出信噪比降低，从而降低了导航系统的跟踪灵敏度。

利用惯性信息辅助GNSS接收机的跟踪，可提高跟踪环路的动态性能，同时保证跟踪精度满足导航数据解码的要求，是解决接收机适应高动态以及超高动态需求的有效途径。目前惯性信息辅助的GNSS基带信号处理方法主要采用2阶或者3阶PLL跟踪载波信号，但是存在当惯性误差较大时，跟踪鲁棒性较差，难以满足航天、航空日益迫切的高高动态和高精度的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种原理简单、适用范围广、跟踪精度高的卫星基带信号跟踪方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种卫星基带信号跟踪方法，其步骤包括：

步骤S1：建立适用于高动态载波跟踪和码跟踪的联合状态空间方程；

步骤S2：建立观测方程，将鉴别器的输出δt

步骤S3：基于状态方程和观测方程，采用Kalman滤波器对状态进行最优估计；

步骤S4：使用载波相位和多普勒频移的最优估计值，并引入惯性辅助信息计算视线加速度，并计算载波NCO控制量

步骤S5：计算码NCO控制量。

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S1中，以码相位

作为本发明方法的进一步改进：所述载波跟踪和码跟踪的联合状态空间方程的状态矢量为：

其中，

作为本发明方法的进一步改进：所述载波跟踪和码跟踪的联合状态空间方程表示为：

其中，f

E(w

其中，Q

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S2中，将码相位、载波相位组合作为观测量，观测矩阵为：

鉴别器的输出δt

其中，Q

E(v

其中，观测噪声协方差阵R

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S3中，递推过程如下：

采用Kalman滤波器对码相位

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S4中，根据惯性信息计算载体-卫星视线加速度，得到多普勒变化公式为：

其中，

作为本发明方法的进一步改进：根据载波跟踪估计载波相位及多普勒频移以及惯性辅助信息计算的多普勒频移

其中，f

作为本发明方法的进一步改进：所述步骤S5中，根据最优估计值，码NCO控制量的计算公式为：

与现有技术相比，本发明的优点就在于：

1、本发明的卫星基带信号跟踪方法，是针对高动态、抗干扰等恶劣环境制导应用背景，所提供的一种利用惯性加速度信息辅助一体化导航制导与控制系统的卫星基带信号跟踪方法，具有原理简单、适用范围广、跟踪精度高等优点。

2、本发明的卫星基带信号跟踪方法，针对高动态和高抗干扰等恶劣应用背景，建立码和载波跟踪联合状态空间方程，使用码鉴别器的输出和载波鉴相器的输出作为观测量，采用Kalman滤波器估计出卫星信号码相位、载波相位和多普勒频移。该方法与传统的2阶、3阶或者4阶PLL相比，由于Kalman滤波器对应的等效环路带宽能够自适应的调整，因而具有鲁棒性强，跟踪精度更高等特点。

3、本发明的卫星基带信号跟踪方法，使用惯性信息对载波跟踪环进行辅助，采用了加速度辅助的方法，抵消了载体动态性能的影响，剩余的动态性能跟踪具强的鲁棒性，从而提高了载波跟踪的动态性能。而使用传统的速度辅助方法对惯导系统的精度要求更高，因此采用加速度辅助的方法降低了对惯导系统的要求。

4、本发明的卫星基带信号跟踪方法，有效解决了高动态载体接收机的动态性和抗干扰问题，应用本方法的载波和码跟踪环路具有动态性高、抗干扰能力强、鲁棒性好和跟踪误差小的优点，使GNSS接收机在高动态应用中具有更好的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种卫星基带信号跟踪方法，是一种利用惯性加速度信息辅助一体化导航制导与控制系统的卫星基带信号跟踪方法；首先，建立适用于高动态载波跟踪和码跟踪的状态空间方程，其中以码相位、码相位率、载波相位、多普勒频移、多普勒频移率、多普勒频移加速度作为状态变量，以鉴相器和码鉴别器的输出作为观测量；然后，使用Kalman估计码相位、载波相位及多普勒频移，用于计算载波NCO控制量和码NCO控制量；再次，为了抵消载体动态性能影响，引入惯性辅助信息计算视线加速度作为状态空间方程的输入量，用以抵消载体动态性能的影响。

如图1所示，本发明的一种卫星基带信号跟踪方法，其详细步骤包括：

步骤S1：建立适用于高动态载波跟踪和码跟踪的联合状态空间方程；

步骤S2：建立观测方程，将鉴别器的输出δt

步骤S3：基于状态方程和观测方程，采用Kalman滤波器可以对状态进行最优估计；

步骤S4：使用载波相位和多普勒频移的最优估计值，并引入惯性辅助信息计算视线加速度，并计算载波NCO控制量

步骤S5：码NCO控制量计算。

在具体应用实例中，所述步骤S1中，以码相位

载波跟踪和码跟踪的联合状态空间方程的状态矢量为：

其中，

载波跟踪和码跟踪的联合状态空间方程可表示为：

其中，f

E(w

其中，Q

在具体应用实例中，所述步骤S2中，将码相位、载波相位组合作为观测量，观测矩阵为：

鉴别器的输出δt

其中，Q

观测噪声表示为白噪声的形式：

E(v

其中，观测噪声协方差阵R

在具体应用实例中，在所述步骤S3中，其递推过程如下：

采用Kalman滤波器对码相位

在具体应用实例中，所述步骤S4中，使用载波相位和多普勒频移的最优估计值，并引入惯性辅助信息计算视线加速度，并计算载波NCO控制量

根据惯性信息计算载体-卫星视线加速度，得到多普勒变化公式为：

其中，

辅助信息的来源不局限于惯性信息，也可使用其它速度传感器输出信息辅助。

根据载波跟踪估计载波相位及多普勒频移以及惯性辅助信息计算的多普勒频移

其中，f

在具体应用实例中，所述步骤S5中，根据最优估计值，码NCO控制量的计算公式为：

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。