基于鉴相器的矢量跟踪环设计.pdf

第4 4 卷第l 期 2 0 1 4 年1 月 航空计算技术 A 咖n t i c a lC o m p u t i n gT e c h n i q u e V 0 1 4 4N o 1 J 蚰2 0 1 4 基于鉴相器的矢量跟踪环设计 何航平，范胜林，刘建业，张慧 ( 南京航空航天大学自动化学院，江苏南京2 1 0 0 1 6 ) 摘要：基于鉴相器的矢量跟踪环是锁定导航卫星码和载波的一种跟踪算法，这种算法适合于在弱信号环境下进 行跟踪。矢量环不仅充分利用信号跟踪和导航状态解算之间的内在耦合关系，而且每一通道中采用鉴相器和锁频 环结合的方式，系统一步内完成信号跟踪和导航解算任务。反馈控制量N C 0 是由导航滤渡器和环路内部滤波器 共同产生。实验表明，矢量跟踪环具有快速重捕获特性，能够在弱信号的环境下运行，比起传统环路有更小的跟踪 误差。 关键词：矢量跟踪环；鉴相器；弱信号；重捕获 中图分类号：T N 9 6 7 1文献标识码：A文章编号：1 6 7 1 6 5 4 X ( 2 0 1 4 ) 0 1 ，0 0 5 6 0 5 D e s i g no fV e c t o rT r a c 硒n gL O 叩B a s e dO nD i s c r i m i n a t o r H EH a n g - p i n g ，F A NS h e n g - l i n ，U Uj i a n - y e ，Z H A N GH u i ( c o z 姆旷A 呦玎幻n ，够昭妇r s 妙矿A e r o m 叭洒口以A s t r o m l 上洒，口声酪2 1 0 0 1 6 ，c h i 舭) A h 瓣t ：T h eV e c t o rn a c k i n gl o 叩a l g o r i t I l mb 硒e do nd i s c r i m i n a t o ri sat r a c k i n ga l g o r i t h mo fk e e p i n g t r a c k0 fn 8 v i g a t i o ns a t e U i t e s p s e u d or a J l d D mc o d ea r I dc 枷e r T h i st r a c k i n ga l g o r i t h mi ss u i t a b l ef o rw e a k s i 即越e n v i r o n m e n t n l eV e c t o rt r a c k i n gn o to n l ym a 王【e sf u nn s eo fi n e m a lc o u p l j n gr e l a i o n s h i pb e t w e e n s i g I I a lt m c k i n ga n dn a v i g a t i o nm o d ec a l c u l a t i n g ，b u ta l s ou s e st l l ea r c h i t e c t u r a ls t y l e o fc o m b i n a t i o no f p h 鹊ed i s c r i m i n a t o ra n df k q u e n c y1 0 c k e dl o o pi ne a c hc h a I l n e l I tc a nf i n i s hs i g n a lt r a c k i n ga n dn a v 培a t i o nc o m p u t a t i o nt a s k si no n es t e p U s i n gt h i 3m e t h o d ，t r - a c k i n g I e e d b a c 王【N C Oi n p u ti sp m d u c e db yn a v i g a t i o nf i l t e r 锄dt h ei n t e m a ll o o pf i l t e r T h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt l l a tt l l ev e c t o r 昀c k i n gl o o pa 1 9 0 一 r i t h mb a s e do nd i s c r i m i n a t o rh a st l I ea b i l i t yo ff 酞tr e a c q u i s i t i o ns i g n a l I ti sa b l et om nu n d e r 出ee n v i r o n m e n t0 fw e a ks i g l l a le n 、r i m n m e n t ，a n dt I l i ss t m c t u r ea l s oh 船s m a l l e rt r a c k i n ge r m r st h a nt r a d i t i o n a Im e t h o d K e yw O r d s ：V e c t o rt r a c k i n gl o o p ；d i s c r i m i n a t o r ；w e a ks i g n a l ；r e a c q u i s i t i o n 引言 卫星导航是目前在全球应用最广的导航方法之 一，因此，有必要大力发展精确的导航解算算法。尽管 目前的导航卫星在大多数领域都能提供比较可靠的定 位信息，但是在G P S 信号比较微弱或者高动态的环境 下却并不能达到预期的跟踪效果。比如在一些山区的 偏远地区或者在室内，运用传统的方法得到的导航结 果精度太差，或者根本得不到导航结果。 传统G P S 接收机采用标量跟踪环来跟踪卫星 信号。标量跟踪环的每一个通道都相互独立工作，在 这个结构中，延迟锁相环( D L L ) 口1 跟踪卫星伪随机噪 声序列( P R N ) ，C o s t a s 环跟踪载波信号。在较好的载 波载噪比J 和低动态环境下，标量跟踪环能正常跟踪 卫星的码和载波信号，但在弱信号的环境下就无法达 到最佳的工作状态。传统跟踪环路对每一颗卫星的信 号都分配一个跟踪通道，每一通道是相互独立工作的， 这种典型的结构相对容易实现，通道误差也不会传递 到另外一个通道。 S p i l k e r 【4 1 首次提出了“矢量跟踪”1 的基本概念， 提出这个结构的初始思想是跟踪和导航解算可以结合 到一起，通过较强信号卫星来解算出用户的位置，同 时，根据解算出来的结果可以预测估计弱信号卫星的 信息。矢量跟踪环结构中的所有通道都是在同一个滤 波器中进行数据融合，由于其非线性的特性，采用扩展 收稿日期：2 0 1 3 一l 】一1 5 修订日期：2 0 1 3 1 2 1 9 基金项目：国家自然科学基金项目资助( 6 1 2 7 3 0 5 7 ，9 1 叭6 0 1 9 ) ；江苏高校优势学科建设工程项目资助；南航基本科研业务费专项科研项目资助 作者简介：何航平( 1 9 8 9 一) ，男，浙江东阳人，硕士研究生，主要研究方向为卫星接收机、惯性组合导航。 万方数据 2 0 1 4 年1 月何航平等：基于鉴相器的矢量跟踪环设计 5 7 卡尔曼滤波对状态量( 状态量主要包括用户的位置和 速度信息) 进行预测估计。所以，即使一部分卫星信号 非常微弱，接收机也可以通过其他卫星解算的导航结 果，仍然能够跟踪卫星信号。由于V D L L 结构有跟踪 弱信号的优点，使之成为在导航研究领域中最为热门 的技术之一。 本文对矢量跟踪环路进一步研究，采用基于鉴相 器的矢量跟踪环结构，这种算法采用E K F 作为导航滤 波器，滤波器预测估计跟踪环路的码相位误差，更新用 户的位置、速度等状态量。反馈量送至各个通道中去控 制本地伪码的发生。另外，在某单一通道中，卡尔曼滤 波器更新载波跟踪环路的载波相位误差和载波频率误 差，估计量反馈到载波N c O 控制本地载波的生成。基 于鉴相器的矢量跟踪环结构，可以充分发挥环路滤波 器的优势，使得环路误差控制在一个较小的范围之内。 在文献 6 中阐述了V D I J L 的优点。V D L L 与惯导的 组合导航研究在文献 7 中也有提及。本文实现了基 于鉴相器的V D I J L 对弱信号的跟踪能力。 1 传统标量跟踪环结构 传统G P s 接收机的跟踪环路主要采用标量跟踪 环模式，其码跟踪环路一般采用D L L ，在剥离载波之 后，进行码跟踪过程。码跟踪环路主要由相关器、鉴相 器、码N C O 和码发生器组成。如图1 所示，传统跟踪 环接收机有珏个通道，每个通道跟踪一颗卫星，各通道 之间互相独立，每一个通道的跟踪环都是闭环结构，如 果其中的某一条跟踪环路失锁也不会影响其他环路的 工作。 伪距、 通道1 伪始平 、天线 呼引黼I 输出 丫一 - 线波和码U 载波和_ 码1 导航 喀菊 发生器l lN c 0 I 滤波器 前端广 通勘 ： 伪距、 伪距率 酬瓣l 输出 匮弭痫 导航解舅 跟踪环路 圈1传统跟踪环的结构图 图1 中可知，信号从卫星天线发射，地面用户接收 机接收到卫星信号。在标量跟踪模式的条件下，接收 机信号处理一般采用两级处理。第一级进行信号跟 踪，即每个通道首先用相关器和鉴相器对信号进行相 关和鉴相运算，然后将估计得到的码相位、载波相位和 载波频率偏差值反馈到本地码载波发生器以形成闭 合跟踪环路，同时将码相位、载波相位和载波频率偏差 估计值转换为伪距和伪距率等信息输出。码跟踪环采 用D L L 来跟踪卫星的P R N 码，载波跟踪环采用P L L 来跟踪载波信号。每一个接收通道独立地跟踪相应的 卫星信号。第二级是导航滤波，根据得到的伪距伪距 率独立地输人到导航滤波器结构中，然后采用卡尔曼 滤波或者最小二乘法悼1 来进行用户位置和速度的解 算。整个信号传输方向由左至右，单向流动，没有反馈。 2 基于鉴相器的矢量跟踪环结构 2 1 总体构架 传统跟踪环路构架忽视了各个通道之间的内在联 系，这些联系本可以提高系统的跟踪效率，因此，本文 设计了基于鉴相器的矢量跟踪模型，分析其相对于传 统跟踪环路的优势。矢量跟踪环可以将各个通道联系 到一起，提高跟踪性能。基于鉴相器的矢量跟踪环结 构是运用非线性鉴相函数的输出和E K F 【9 1 的导航算法 来跟踪G P s 信号的，其集中统一完成卫星信号跟踪和 导航信息的( 用户位置和速度) 求解任务。 射频 蓊端 四蔼 | 医圈禹i ：I 滤波发生器广1 载波c o I ： 鉴相器 伪距误差 跟踪控 莉 导航 滤波器 图2 基于鉴相器的矢量跟踪环结构原理图 导航 解算 接收机矢量跟踪环结构采用集中式结构。如图2 所示，基于鉴相器的矢量跟踪环各个通道已经不再相 互独立，而是通过导航滤波器将各个通道联系到了一 起，E K F 将各个通道通过鉴相器测量得到的值结合起 来估计，得到实时的用户位置估计值，位置估计值和由 卫星星历和历书得到卫星位置形成多卫星联合的跟踪 误差信号，通过反馈环路，由此误差信号去控制本地码 的产生。导航滤波器对伪距进行预测估计，然后，每一 通道的伪距残差作为导航滤波器的观测量，更新接收 机的导航状态估计值( 用户的位置、速度误差) 。输出 的反馈控制信号直接调节码N C O ，这样就构成了一个 闭合跟踪环路。 另外，载波的跟踪过程在单一通道的内部完成，载 万方数据 5 8 航空计算技术第4 4 卷第1 期 波的跟踪用卡尔曼滤波代替了传统载波跟踪的科斯塔 斯环( c o s t a s ) ，这种算法能够很好地保证弱信号环境 下载波跟踪环路也能正常工作，载波跟踪滤波器之后 生成载波N C O 去控制本地载波的产生。在图2 中所 示的基于鉴相器矢量跟踪环结构中，导航滤波器反馈 的是各个通道共同的信息。通过导航滤波器将每个信