新一代GNSS接收机的智能跟踪状态评估技术

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1、38中国空间科学技术ChineseSpaceScienceandTechnology2011年8月第4期新一代GNSS接收机的智能跟踪状态评估技术金力陆明泉冯振明(清华大学，北京100084)摘要新一代全球导航卫星系统的接收机需要根据用户所处环境，自适应地调整接收机内部参数以达到最稳健的导航效果。这就要求接收机在运行过程中通过评估跟踪状态去检测和分析用户场景。基于对传统接收机控制系统缺陷的分析，提出了智能接收机的概念、特点及系统框架；在此基础上设计、分析接收机的智能跟踪状态评估算法；最后通过仿真验证了所设计的算法可以有效地识别场景及场景间

2、的切换。关键词智能接收机跟踪自适应神经网络模糊推理系统全球导航卫星系统仿真DOI：lO．3780／j．issn．1000—758X．2011．04．006I引言随着全球导航卫星系统(GNSS)的发展，它的应用范围越来越广，也越来越受到各方面的高度关注和重视。在民用领域，随着人们对于导航定位服务的依赖性越来越强，GNSS接收机工作的环境也越来越复杂。用户总希望在每个场景及场景的切换中，都能得到较好的定位服务信息，避免因为接收机失锁而导致的长时间等待。但是，由于在室内、高楼林立的街道、峡谷等复杂环境下。GNSS信号通常非常微弱，而且容易受到多

3、径、相位噪声等不确定干扰因素的影响，传统接收机的工作状况将变得非常不稳定。新一代GNSS信号在原有数据通道的基础上增加了没有导航数据电文调制的导频通道，为接收机弱信号的捕获与跟踪提供了条件。如果接收机叮以快速地识别场景及场景的变化，就可以自适应地调整跟踪环路的相关参数(例如：预检测积分时间、环路等效噪声带宽等)，以达到稳健的跟踪效果。在此基础上，接收机就可以提供连续的导航定位服务信息，提高用户对于导航服务的综合体验感受。然而，传统接收机的控制流程过于简单，无法有效地发挥导频通道的优势，因此，迫切需要研制新一代的GNSS接收机控制系统。随着

4、自动化学科的发展．智能控制技术已经趋于成熟并且逐渐在各领域发挥作用，一些智能跟踪算法也越来越受到关注。文献[1]中给出了基于模糊控制器的锁相环设计，随后文献[23和[3]均提出了基于模糊控制器的GNSS钾能接收机的载波环设计，并在实际仿真中得到了不错的效果。文献[4]代表了同内目前智能接收机的研制情况。然而，目前智能接收机的研究都集中在对于传统载波跟踪环的改造上，还没有文献结合新一代GNSS信号的导频通道，将智能控制技术应用于接收机的控制系统中去．且智能接收机需求分析和概念结构都比较模糊。本文所设计的智能接收机及其算法主要目的是：1)在每

5、个应用场景下具有良好的跟踪性能；2)在场景切换时能够保持鲁棒。收祷日期：2011-03—18。收修改稿日期：2011一03—292011年8月中国空间科学技术2新一代GNSS信号中的导频通道新一代GNSS信号中的导频通道是没有导航数据电文调制的通道。其调制过程如图1所示。：一一一。一’一一一‘一。一一一：一一一一一一一一一。．l数据通道扩频序列．：厂]广]厂]i厂]厂]l导审文．{——————L——一l数据通道序列．11几厂]厂]n厂]厂一l卜迹一三三=；一器鼗簿⋯一⋯一{；导频通道扩频序列．：]厂—]厂]厂]图1导频和数据通道调制过程示

6、意图Fig．1ModulationprocessofdataandpilotchannelsGNSS射频信号通过低噪声放大器、下变频等射频模块后得到中频导航信号。接收机跟踪部分将在本地复现扩频序列以及载波，通过预检测积分运算，剥离中频信号中的扩频序列以及载波[5-6]。单卫星通道信号预检测积分后的输出【s’7]为(假设导频和数据通道载波相位相同)：E功=√如。(C／No)tsine(hAf,丁，)R(r，)D．cos(△庐，)+扩’)1。Q：D’=~／瓦了E万丽sinc(nAf,T。)R(r1)D。sin(A#，)+档’)l⋯EP’=、∥

7、石_℃刁丽sinc(nAf,T，)R(t)cos(A乒。)+叩∥)l’一。IQ，=√2口。(C／No)rsine(hAf,T。)R(r1)sin(△声．)+猫’)I式中口。和口，分别为数据通道和导频通道占总能量的比重，且满足口。+口，=1，通常，对于新一代GNSS信号，口．=口。=1／z；C／N。是跟踪环路的载噪比；t为预检测积分(也称相干积分)时间；△．f和△办为输入信号和本地复现的载波信号间的频差和相位差；尺(n)为输入信号和本地复现的扩频序列间的归一化互相关函数；D。为调制在数据通道上的导航电文；动D)、档’、功?’、描’为数据和导

8、频通道J路、Q路的热噪声，这些噪声项在能量上已经被归一化了，且两两之间都不相关。跟踪环路的信噪比为S／N=(C／N。)t(2)理论上，接收机信号处理过程是不会改变载噪比的。由式(2)可知，当预