专利名称：一种基于自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路及其滤波方法
技术领域：
本发明属于GPS基带信号处理技术领域，具体涉及一种基于自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路及其滤波方法。
背景技术：
近年来，随着航空、航天技术的迅猛发展以及其在军事上的广泛应用，高动态环境下GPS系统的应用日益受到人们的关注。迄今为止，国外不断将高动态GPS的相关产品投入到实际的战争应用中。如战斧巡航导弹和斯拉姆导弹等都采用了高动态GPS接收机进行制导，其优越的可靠性和高精度性使美国在海湾战争和科索沃战争中获得了巨大的军事效应。目前，GPS系统的高动态应用领域仍然在不断拓展，美国的大部分军用飞机都将装备高动态GPS接收机，一些主要的精确制导弹药都将通过GPS制导来瞄准。因此，高动态环境下卫星定位导航系统的合理有效利用对于现代战争的成败将会起到关键性的作用。而在高动态环境下，由于载体的高速运动使接收信号载波多普勒频移随时间变化的非常快。此时，若采用普通的GPS接收机，载波跟踪环路带宽要能大到足够容忍这种动态引起的载波频率和相位的正常波动，以保证环路对信号的持续跟踪。然而，环路带宽越宽， 越多频率成分的噪声被允许进入环路，则环路的噪声性能越差，信号跟踪就越不准确，因此传统的锁相环是不能直接运用到高动态接收机上的。为了解决上述问题，近年来，一些研究者提出了使用卡尔曼滤波器或者扩展卡尔曼滤波器的载波跟踪环路，在系统模型建立准确和噪声统计特性已知的前提下，经过滤波器的递推可以获得较为精确的载波相位估计值， 从而提高跟踪精度。然而在载体运动条件比较复杂的环境下，有可能不能准确的获得必要的先验信息而致使滤波器发散，从而导致跟踪环路失锁。二阶卡尔曼滤波器最先是由Friedland提出解决线性系统的状态模型存在常量偏差时的估计方法，是一种并行算法，可以有效降低滤波器的计算量和增加滤波器的数值稳定性。最近有研究者将其推广到系统状态方程偏差项为随机量时的状态估计问题。但是当系统模型和偏差模型的噪声统计特性不准确时，往往会导致二阶卡尔曼滤波器发散。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的高动态环境下GPS载波跟踪环存在的问题，提出一种基于自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路及其滤波方法。本发明克服了传统卡尔曼滤波器在先验信息不准确时使滤波器发散，从而导致跟踪环路失锁的缺点。本发明提出一种基于自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路，包括本地载波发生器、积分清除器、载波环鉴相器、环路滤波器和自适应二阶卡尔曼滤波器。数字中频信号分别与本地载波发生器复现的载波及90°相移后的载波相乘后，再分别通过积分清除器提高载噪比，然后分别将每个积分清除器的相干积分结果均输出至载波环鉴相器，利用积分清除器输出的相干积分结果估算当前跟踪环路的载波相位差异，再将载波环鉴相器的输出载波相位差异作为自适二阶卡尔曼滤波器的观测值，经附带偏差的载波相位动态系统模型的自适应二阶卡尔曼滤波器递推出相位差异的估计值，相位差异的估计值输出至环路滤波器，经环路滤波器输出的控制信号使本地载波发生器实时调整。本发明提出一种基于自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路的滤波方法，包括自适应无偏差滤波和自适应偏差滤波两部分，具体包括以下几个步骤步骤一定义自适应二阶卡尔曼滤波的初始状态以及计算过程中的中间变量定义初始状态为
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权利要求
1.一种基于自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路，其特征在于包括本地载波发生器、积分清除器、载波环鉴相器、环路滤波器和自适应二阶卡尔曼滤波器；数字中频信号分别与本地载波发生器复现的载波及90°相移后的载波相乘后，再分别通过积分清除器提高载噪比，然后分别将每个积分清除器的相干积分结果均输出至载波环鉴相器，利用积分清除器输出的相干积分结果估算当前跟踪环路的载波相位差异，再将载波环鉴相器的输出载波相位差异作为自适二阶卡尔曼滤波器的观测值，经附带偏差的载波相位动态系统模型的自适应二阶卡尔曼滤波器递推出相位差异的估计值，相位差异的估计值输出至环路滤波器，经环路滤波器输出的控制信号使本地载波发生器实时调整。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路，其特征在于所述的环路滤波器采用二阶环路滤波器，环路带宽为7Hz 10Hz。
3.根据权利要求1所述的一种基于自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路，其特征在于所述的附带偏差的载波相位动态系统模型的状态方程具体为
4.一种基于自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路的滤波方法，其特征在于具体包括以下几个步骤步骤一定义自适应二阶卡尔曼滤波的初始状态以及计算过程中的中间变量定义初始状态为
全文摘要
本发明提出一种基于自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路及其滤波方法，该自适应二阶卡尔曼滤波器的载波跟踪环路包括本地载波发生器、积分清除器、载波环鉴相器、环路滤波器和自适应二阶卡尔曼滤波器。本发明克服了传统卡尔曼滤波器在先验信息不准确时使滤波器发散，从而导致跟踪环路失锁的缺点。本发明在系统模型不完整或其先验信息不准确时，通过渐消因子自适应的调节预测误差协方差矩阵，从而达到实时调整增益矩阵的目的，使滤波器接近最优，可以有效的抑制滤波器的发散，且本发明中渐消因子的估算方法计算简单，计算量小，适应性强，提高了滤波算法的可靠性。
文档编号G01S19/29GK102323602SQ201110141550
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月30日 优先权日2011年5月30日
发明者党超, 单志明, 吕东泽, 周宇, 徐定杰, 沈锋, 王兆龙, 盖猛, 贺瑞, 陈阳 申请人:哈尔滨工程大学