复杂环境下导航接收机矢量跟踪技术研究
随着全球导航卫星系统(GNSS：Global Navigation Satellite System)的建设与发展，导航接收机的应用领域在不断扩大，用户对卫星导航定位产品的可用性要求越来越高。提高导航接收机在复杂应用环境下的稳健性，已经成为研究的热点。导航信号的跟踪处理技术作为导航接收机中的关键技术之一，对接收机的性能起着重要作用。论文以卫星导航接收机矢量跟踪技术为研究内容，以提升复杂环境下导航信号的跟踪性能为目标展开研究。论文首先对矢量跟踪模型存在跟踪偏差和计算负荷大的问题进行了完善和优化，然后针对含导频分量的现代化导航信号和间歇性导航信号的各自特点，对矢量跟踪技术的具体应用进行了深入研究。论文在矢量跟踪技术的模型完善与优化方面，取得了以下创新性成果： (1)矢量跟踪环路能够将接收机的位置、速度、时间(PVT：Position Velocity Time)信息反馈到接收机对各颗卫星信号的跟踪环节，提升信号的跟踪性能，但该过程是一个秩亏过程，导致矢量跟踪环路存在不唯一的收敛点，从而引起卫星信号的跟踪偏差。本文提出了一种基于对角加权矩阵的稳健无偏矢量跟踪环路，利用满秩的对角矩阵消除PVT信息反馈至各颗卫星信号跟踪环节出现的秩亏现象，保证矢量跟踪环路存在唯一的收敛点。 (2)矢量跟踪环路的计算负荷主要由两方面的因素决定，一是环路单次更新的计算负荷，二是环路的更新间隔。在不改变单次环路更新的计算负荷时，延长环路的更新间隔，可以降低单位时间内算法所需的计算负荷，但也会降低环路的动态性能，增大跟踪误差，因此需要对环路的更新间隔进行优化设计。本文提出了一种在给定信号动态条件下，以跟踪门限最低为优化目标的矢量跟踪环路更新间隔优化模型。以北斗系统B1I信号为算例，分析和计算结果表明，当接收机的最大动态不超过0.1g时，优化后的更新间隔可降低至0.3s，此时跟踪门限为20dB-Hz。相比传统更新间隔为20ms的矢量跟踪环路，优化后的算法在单位时间内的计算负荷降低至原来的1/15。 论文针对现代化导航信号和间歇性导航信号的特点，在矢量跟踪技术的具体应用方面，取得了以下创新性成果： (3)现代化导航信号普遍包含了有电文符号调制的数据分量和无电文符号调制的导频分量，以提升复杂环境下对导航信号的跟踪能力。矢量跟踪环路可以实现对信号载波频率和伪码相位的跟踪，但对载波相位的跟踪，需要标量载波跟踪环路的辅助。结合现代化导航信号的特点，首先提出了一种稳健的多速率卡尔曼滤波器(RMUKF：Robust Multiple Update-rate Kalman Filter)，用于对环路中多个不同速率的鉴别器结果进行滤波处理，通过引入三段式的抗差因子，RMUKF可以自适应的调整不同鉴别器结果对跟踪结果的贡献，提升信号跟踪的稳健性。实采数据处理结果表明，基于RMUKF的标量跟踪环路可以实现对室内低至13dB-Hz信号的稳定跟踪。进一步，基于RMUKF，提出了一种矢量和标量的载波混合跟踪环路(HTL：Hybrid Tracking Loop)，HTL将矢量跟踪环路输出的各卫星信号的误差估计结果和其他鉴别器结果以不同的速率输入到一个RMUKF中，利用RMUKF自适应地调整矢量跟踪环路结果和鉴别器结果对信号跟踪结果的贡献。当信号强度较低时，HTL输出的结果将以矢量跟踪环路的结果为主，从而具有跟踪门限低和信号重捕获性能好的优点，当信号强度较高时，HTL输出的结果将以标量跟踪环路的结果为主，从而实现对信号载波相位的稳定跟踪。 (4)间歇性导航信号广泛存在于采用静态功耗控制技术的导航基带芯片中，用于降低芯片的功耗。对于间歇性导航信号的处理，传统标量跟踪环路需要较长的收敛时间，且对环路初始误差敏感，而开环估计的方法存在估计精度不高的问题。本文提出了一种基于开环结构的间歇性卡尔曼滤波算法，用于跟踪间歇性导航信号，该算法首先采用对跟踪初值不敏感的开环估计器，获得信号的载波相位、频率以及伪码相位的粗估计结果，然后利用卡尔曼滤波器在相邻的间歇性导航信号的粗估计结果之间进行滤波处理，提高了信号的跟踪精度。进一步，将开环间歇性卡尔曼滤波算法扩展至矢量跟踪环路中，提出了一种用于间歇性导航信号的开环矢量跟踪与定位算法，该算法将各颗卫星信号的开环估计结果作为观测量，输入至矢量形式的间歇性卡尔曼滤波器中，可以获得导航接收机的PVT结果。该算法简化了接收机对间歇性导航信号的处理过程。实际采集数据的处理结果表明，开环矢量跟踪与定位算法在信号占空比低至2％时，其95％的三维定位误差仅增大到11.4m左右。 最后，对论文的研究成果进行了总结，介绍了研究成果的工程应用情况，并对下一步将要开展的工作进行了展望。
北斗卫星导航系统;接收机;矢量跟踪;卡尔曼滤波器;开环估计
国防科学技术大学
博士
信息与通信工程
欧钢;唐小妹
2018
中文
TN967.1
2020-04-22（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）