北斗信號矢量跟蹤算法研究.pdf

1、在全球廣泛開展衛(wèi)星導航系統(tǒng)的研究的同時，我國北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)(BDS)也在快速組建，并開始從區(qū)域性服務向全球性服務拓展。衛(wèi)星導航接收機作為用戶端，隨著航空、航天、軍事等各個領域的應用對于導航系統(tǒng)性能要求的提升，始終是衛(wèi)星導航領域的研究熱點。矢量跟蹤是一種提高接收機在復雜應用環(huán)境下可靠性的關鍵技術，同時是GNSS/INS深組合導航的核心技術之一。本文以北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)為研究背景，通過對現有的矢量跟蹤算法進行研究，給出一種北斗信號分布式相干

2、VDFLL矢量跟蹤算法的設計，并對其性能進行測試和分析。文章的主要研究內容如下:
　　(1)論文首先研究了北斗衛(wèi)星信號的結構和特性，介紹基于軟件接收機的傳統(tǒng)北斗信號處理方法，主要包括:信號捕獲、跟蹤和導航解算。重點分析了北斗傳統(tǒng)標量跟蹤(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)的北斗信號跟蹤和導航解算結果為矢量跟蹤提

3、供初始化信息。
　　(2)深入探討了北斗信號矢量跟蹤技術，闡明了標量跟蹤與矢量跟蹤(Vector Tracking Loop，VTL)的區(qū)別，突出了矢量跟蹤在信號遮擋、弱信號、高動態(tài)等環(huán)境下的優(yōu)越性。在此基礎上，重點研究了北斗矢量跟蹤環(huán)路的系統(tǒng)建模和參數確定的方法，證明了基于位置模型和偽距模型的兩種建模方法實現矢量跟蹤的可行性，并推導了這兩種模型的系統(tǒng)參數。針對矢量跟蹤環(huán)路的結構，詳細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)路結構，并對這三種結構的優(yōu)缺點進行總結和對比。
　　(3)系統(tǒng)地設計了北斗信號分布式相干VDFLL(Vector Delay Frequency Lock Loop)矢量跟蹤算法。詳細推導了通道預濾波器的量測模型，給出了狀態(tài)量的選取與狀態(tài)模型的建立，實現了預濾波器的EKF處理算法，并展示了所設計的預濾波器的跟蹤結果與性能;在導航濾波器的建模中，設計了二階位置模型對系統(tǒng)進行狀態(tài)建模和量測建模。針對通道預濾波器和導

5、航濾波器的量測噪聲陣受環(huán)路噪聲的影響，給出了矢量跟蹤中的載噪比估計方法，采用附加噪聲通道法(Additional Noise Channel Method，ANCM)實現對跟蹤信號的載噪比估計，根據信號質量調整濾波器的量測噪聲以實現環(huán)路的最優(yōu)跟蹤。最后，提出了采用標量依次處理方法來優(yōu)化濾波器的量測更新;在此基礎上設計了量測信息故障檢測與隔離技術。這種量測更新優(yōu)化的方法，減少了系統(tǒng)運算的負擔且可以從中充分利用量測信息實現測量殘余檢測的RA

6、IM算法，實現對于量測故障的檢測和隔離。
　　(4)對所設計的分布式相干矢量跟蹤算法進行試驗和性能測試，包括靜態(tài)性能測試、橋接瞬時消失衛(wèi)星測試、量測信息故障檢測與隔離測試和動態(tài)性能測試。結果表明:與傳統(tǒng)標量跟蹤算法相比，所設計的分布式相干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，分布式相干VDFLL矢量跟蹤環(huán)路

7、具備橋接瞬時消失衛(wèi)星的能力，能夠實現快速重跟，而傳統(tǒng)標量跟蹤通道失鎖無法繼續(xù)跟蹤，只能進行重新捕獲。本文所設計的測量殘余檢測算法，實現了對量測故障的檢測和隔離，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誤造成的系統(tǒng)污染的問題。在動態(tài)性能方面，分布式相干VDFLL矢量跟蹤的水平動態(tài)定位精度比傳統(tǒng)的標量跟蹤的水平動態(tài)定位精度提高29.05％，天向動態(tài)定位精度提高46.32％;水平動態(tài)定速精度提高2.10％，天向動態(tài)定速精度提高15.2