北斗信號(hào)矢量跟蹤算法研究.pdf

1、在全球廣泛開展衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的研究的同時(shí)，我國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)也在快速組建，并開始從區(qū)域性服務(wù)向全球性服務(wù)拓展。衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)作為用戶端，隨著航空、航天、軍事等各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用對(duì)于導(dǎo)航系統(tǒng)性能要求的提升，始終是衛(wèi)星導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。矢量跟蹤是一種提高接收機(jī)在復(fù)雜應(yīng)用環(huán)境下可靠性的關(guān)鍵技術(shù)，同時(shí)是GNSS/INS深組合導(dǎo)航的核心技術(shù)之一。本文以北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)為研究背景，通過對(duì)現(xiàn)有的矢量跟蹤算法進(jìn)行研究，給出一種北斗信號(hào)分布式相干

2、VDFLL矢量跟蹤算法的設(shè)計(jì)，并對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試和分析。文章的主要研究?jī)?nèi)容如下:
　　(1)論文首先研究了北斗衛(wèi)星信號(hào)的結(jié)構(gòu)和特性，介紹基于軟件接收機(jī)的傳統(tǒng)北斗信號(hào)處理方法，主要包括:信號(hào)捕獲、跟蹤和導(dǎo)航解算。重點(diǎn)分析了北斗傳統(tǒng)標(biāo)量跟蹤(Scalar Tracking Loop，STL)的方法，包括載波鎖相環(huán)、載波鎖頻環(huán)和碼環(huán);在介紹載波環(huán)、碼環(huán)的基礎(chǔ)上，分析其環(huán)路噪聲來源以及跟蹤門限。傳統(tǒng)的北斗信號(hào)跟蹤和導(dǎo)航解算結(jié)果為矢量跟蹤提

3、供初始化信息。
　　(2)深入探討了北斗信號(hào)矢量跟蹤技術(shù)，闡明了標(biāo)量跟蹤與矢量跟蹤(Vector Tracking Loop，VTL)的區(qū)別，突出了矢量跟蹤在信號(hào)遮擋、弱信號(hào)、高動(dòng)態(tài)等環(huán)境下的優(yōu)越性。在此基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究了北斗矢量跟蹤環(huán)路的系統(tǒng)建模和參數(shù)確定的方法，證明了基于位置模型和偽距模型的兩種建模方法實(shí)現(xiàn)矢量跟蹤的可行性，并推導(dǎo)了這兩種模型的系統(tǒng)參數(shù)。針對(duì)矢量跟蹤環(huán)路的結(jié)構(gòu)，詳細(xì)分析了集中式相干矢量跟蹤、分布式相干矢量跟蹤和

4、非相干矢量跟蹤三種環(huán)路結(jié)構(gòu)，并對(duì)這三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)和對(duì)比。
　　(3)系統(tǒng)地設(shè)計(jì)了北斗信號(hào)分布式相干VDFLL(Vector Delay Frequency Lock Loop)矢量跟蹤算法。詳細(xì)推導(dǎo)了通道預(yù)濾波器的量測(cè)模型，給出了狀態(tài)量的選取與狀態(tài)模型的建立，實(shí)現(xiàn)了預(yù)濾波器的EKF處理算法，并展示了所設(shè)計(jì)的預(yù)濾波器的跟蹤結(jié)果與性能;在導(dǎo)航濾波器的建模中，設(shè)計(jì)了二階位置模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)建模和量測(cè)建模。針對(duì)通道預(yù)濾波器和導(dǎo)

5、航濾波器的量測(cè)噪聲陣受環(huán)路噪聲的影響，給出了矢量跟蹤中的載噪比估計(jì)方法，采用附加噪聲通道法(Additional Noise Channel Method，ANCM)實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤信號(hào)的載噪比估計(jì)，根據(jù)信號(hào)質(zhì)量調(diào)整濾波器的量測(cè)噪聲以實(shí)現(xiàn)環(huán)路的最優(yōu)跟蹤。最后，提出了采用標(biāo)量依次處理方法來優(yōu)化濾波器的量測(cè)更新;在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了量測(cè)信息故障檢測(cè)與隔離技術(shù)。這種量測(cè)更新優(yōu)化的方法，減少了系統(tǒng)運(yùn)算的負(fù)擔(dān)且可以從中充分利用量測(cè)信息實(shí)現(xiàn)測(cè)量殘余檢測(cè)的RA

6、IM算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)于量測(cè)故障的檢測(cè)和隔離。
　　(4)對(duì)所設(shè)計(jì)的分布式相干矢量跟蹤算法進(jìn)行試驗(yàn)和性能測(cè)試，包括靜態(tài)性能測(cè)試、橋接瞬時(shí)消失衛(wèi)星測(cè)試、量測(cè)信息故障檢測(cè)與隔離測(cè)試和動(dòng)態(tài)性能測(cè)試。結(jié)果表明:與傳統(tǒng)標(biāo)量跟蹤算法相比，所設(shè)計(jì)的分布式相干VDFLL矢量跟蹤算法水平靜態(tài)定位精度提高49.46％，天向靜態(tài)定位精度提高30.65％;水平靜態(tài)定速精度提高30.30％，天向靜態(tài)定速精度提高23.68％。同時(shí)，分布式相干VDFLL矢量跟蹤環(huán)路

7、具備橋接瞬時(shí)消失衛(wèi)星的能力，能夠?qū)崿F(xiàn)快速重跟，而傳統(tǒng)標(biāo)量跟蹤通道失鎖無法繼續(xù)跟蹤，只能進(jìn)行重新捕獲。本文所設(shè)計(jì)的測(cè)量殘余檢測(cè)算法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)量測(cè)故障的檢測(cè)和隔離，有效避免了矢量跟蹤環(huán)路容易受單通道過大的噪聲或錯(cuò)誤造成的系統(tǒng)污染的問題。在動(dòng)態(tài)性能方面，分布式相干VDFLL矢量跟蹤的水平動(dòng)態(tài)定位精度比傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤的水平動(dòng)態(tài)定位精度提高29.05％，天向動(dòng)態(tài)定位精度提高46.32％;水平動(dòng)態(tài)定速精度提高2.10％，天向動(dòng)態(tài)定速精度提高15.2