高動態GNSS導航接收機中擴展卡爾曼跟蹤算法的研究

【摘要】針對高動態GNSS導航接收機跟蹤環節中動態性和噪聲性能的問題，該文提出一種基于信號參數估計結構的擴展卡爾曼跟蹤環。該文首先對高動態GNSS信號進行建模，使用擴展卡爾曼參數估計來實現載波跟蹤，并用載波多普勒輔助碼環，有效地提高了高動態導航接收機的跟蹤性能。仿真結果表明，相比傳統上的鎖頻環輔助鎖相環，該文提出的環路具有更小的跟蹤誤差以及更好的噪聲特性。

【關鍵詞】GNSS；高動態；載波估計；擴展卡爾曼；載波輔助

1.引言

全球衛星導航系統GNSS能夠提供全球范圍內全天候、準確可靠的三維定位和測速等信息，在軍事、導航、勘探、測量、通信授時等領域日益發揮著重要的作用。高動態GNSS導航接收機技術面對的不再是低動態、靜態環境，而是像導彈、火箭、衛星等相關的高動態環境。

此時載體的高速運動使接收信號載波多普勒隨時間變化非?？欤瑐鹘y的鎖相環或鎖頻環帶寬要足夠大才能容忍這種高動態性引起的頻率和相位的變化。然而環路帶寬越寬，引入了更多頻率和相位噪聲，環路的噪聲性能變差，容易失鎖，無法完成解調。

為了解決上述問題，[1-2]提出基于最大似然的信號參數估計算法（MLE）來進行信號的頻率估計。而[3-4]針對GNSS信號特性和MLE計算復雜度高的特點，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的方法對MLE進行優化，并在GNSS軟件接收機上實現驗證了其跟蹤性能。但考慮到DMLE計算量依舊過于復雜，難以實用于現有的接收機中，實際中高動態接收機一般使用鎖頻環輔助鎖相環的方式來進行載波跟蹤[5]。

但是，相比較鎖相環和鎖頻環環路帶寬固定的特性，引入卡爾曼環路增益，可以自適應地改變導航接收機的環路帶寬，使得環路特性能夠根據輸入信號的動態而改變，因此具有更好的跟蹤性能。文獻[6]中采用線性卡爾曼跟蹤環路的方法來跟蹤高動態信號。但是由于線性卡爾曼還是保留鎖相環機構中的鑒相器環節，使得其環路抗噪性能較差，只適用于信噪比較高的環境。而[2]提出了基于擴展卡爾曼的信號估計算法，只是對一般的載波信號進行開環參數估計，難以直接應用于實際的GNSS載波跟蹤。

基于此，本文提出了一種采用四階擴展卡爾曼的高動態跟蹤算法，針對實際中高動態GNSS信號特性進行建模，使用擴展卡爾曼參數估計的方法實現載波跟蹤，并使用載波輔助碼環的技術，將擴展卡爾曼濾波應用于高動態接收機的跟蹤環節。最后通過仿真測試，證實所設計環路優于傳統的跟蹤環路，具有更好的跟蹤精度和噪聲性能。

2.高動態GNSS信號

3.擴展卡爾曼跟蹤環

3.1 環路結構

基于EKF的參數估計環路如圖1所示：

3.2 載波環輔助碼環

5.結束語

針對高動態GNSS導航接收機設計過程中的信號跟蹤問題，本文提出一種基于擴展卡爾曼載波估計和載波輔助碼環技術的跟蹤環路。該環路將I、Q兩支路相干積分結果去符號后作為EKF的觀測向量，避免了鑒別器在低信噪比下性能的損失，并利用載波環輔助碼環，有效地提高了接收機的跟蹤性能。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，影響了環路的抗噪性能，需要進一步對提高環路在低信噪比下的穩定性進行研究。

參考文獻

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[6]付夢印，鄧志紅，閆莉萍.Kalman濾波理論及其在導航系統中的應用[M].北京：科學出版社，2000：155-171.

基金項目：高等學校博士學科點專門研究基金（項目編號：No.20110121120019）；中國福建省自然科學基金（項目編號：No.2011J01372）；中福建省高技術研究發展計劃（項目編號：No.2010HZ0004-1）。

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