【摘要】針對高動態(tài)GNSS導(dǎo)航接收機(jī)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(jì)結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展卡爾曼跟蹤環(huán)。該文首先對高動態(tài)GNSS信號進(jìn)行建模，使用擴(kuò)展卡爾曼參數(shù)估計(jì)來實(shí)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(dǎo)航接收機(jī)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(jì)；擴(kuò)展卡爾曼；載波輔助

1.引言

全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS能夠提供全球范圍內(nèi)全天候、準(zhǔn)確可靠的三維定位和測速等信息，在軍事、導(dǎo)航、勘探、測量、通信授時(shí)等領(lǐng)域日益發(fā)揮著重要的作用。高動態(tài)GNSS導(dǎo)航接收機(jī)技術(shù)面對的不再是低動態(tài)、靜態(tài)環(huán)境，而是像導(dǎo)彈、火箭、衛(wèi)星等相關(guān)的高動態(tài)環(huán)境。

此時(shí)載體的高速運(yùn)動使接收信號載波多普勒隨時(shí)間變化非?？?，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(jì)算法（MLE）來進(jìn)行信號的頻率估計(jì)。而[3-4]針對GNSS信號特性和MLE計(jì)算復(fù)雜度高的特點(diǎn)，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(jì)的方法對MLE進(jìn)行優(yōu)化，并在GNSS軟件接收機(jī)上實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證了其跟蹤性能。但考慮到DMLE計(jì)算量依舊過于復(fù)雜，難以實(shí)用于現(xiàn)有的接收機(jī)中，實(shí)際中高動態(tài)接收機(jī)一般使用鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)的方式來進(jìn)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(yīng)地改變導(dǎo)航接收機(jī)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(xiàn)[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(jī)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(kuò)展卡爾曼的信號估計(jì)算法，只是對一般的載波信號進(jìn)行開環(huán)參數(shù)估計(jì)，難以直接應(yīng)用于實(shí)際的GNSS載波跟蹤。

基于此，本文提出了一種采用四階擴(kuò)展卡爾曼的高動態(tài)跟蹤算法，針對實(shí)際中高動態(tài)GNSS信號特性進(jìn)行建模，使用擴(kuò)展卡爾曼參數(shù)估計(jì)的方法實(shí)現(xiàn)載波跟蹤，并使用載波輔助碼環(huán)的技術(shù)，將擴(kuò)展卡爾曼濾波應(yīng)用于高動態(tài)接收機(jī)的跟蹤環(huán)節(jié)。最后通過仿真測試，證實(shí)所設(shè)計(jì)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(kuò)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(jì)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(dǎo)航接收機(jī)設(shè)計(jì)過程中的信號跟蹤問題，本文提出一種基于擴(kuò)展卡爾曼載波估計(jì)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(jī)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(jìn)一步對提高環(huán)路在低信噪比下的穩(wěn)定性進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn)

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

基金項(xiàng)目：高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專門研究基金（項(xiàng)目編號：No.20110121120019）；中國福建省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：No.2011J01372）；中福建省高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（項(xiàng)目編號：No.2010HZ0004-1）。

作者簡介：林文興（1988—），男，福建福州人，廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院通信工程系碩士研究生在讀，研究方向：GNSS導(dǎo)航信號跟蹤算法。