一种鲁棒GNSS矢量跟踪环

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1、航空学报Nov．252014V01．35No113106—3114ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaISSN1000．6893CN11-1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．CRhkxb@buaa．edu．cn一种鲁棒GNSS矢量跟踪环程俊仁1’2，刘光斌1’*，姚志成1，刘冬1，姚智颖31．第二炮兵工程大学控制工程系，陕西西安7100252．中国人民解放军96317部队，江西宜春3360003．驻骊山微电子技术研究所军事代表室，陕西西安7100

2、54摘要：复杂环境下导航接收机的连续可用性一直是卫星导航领域的研究重点。针对矢量跟踪环动态适应性不够和误差在通道间传播的问题，提出一种鲁棒全球导航卫星系统(GNSS)矢量跟踪环。基于各通道的伪距、伪距率和伪距加速度状态量构建扩展卡尔曼滤波器(EKF)，通过灵活设置过程噪声方差阵，实现跟踪通道的耦合与解耦；采用基于极大似然估计器(MLE)的鉴别器生成码延迟和载波频率偏差观测量；利用滤波值修正并预测伪距率来控制本地数控振荡器(NCO)，实现环路的闭合。仿真结果表明，本文设计的矢量跟踪环在保证环路相互辅

3、助的基础上，避免了衰减通道误差在通道间的传播，可以对被遮挡信号保持稳定跟踪，鲁棒性优于传统矢量延迟频率锁定环。关键词：全球导航卫星系统；矢量跟踪；扩展卡尔曼滤波；解耦；信号遮挡；鲁棒；极大似然估计器中图分类号：V448．2；TP98文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)11-3106—09全球导航卫星系统(GNSS)作为一种重要的空间基础设施和战略资源，在军事和民用领域发挥着越来越重要的作用，已经成为一个大国的重要标志。然而，随着GNSS接收机应用环境的日趋复杂，如在茂密的丛林和高

4、楼林立的城市导航中，卫星信号经常受到遮挡和阻塞；在高动态飞行器导航中，卫星信号的多普勒频移剧烈变化；这些都对GNSS接收机的可用性和鲁棒性提出了严峻挑战[14]。信号跟踪是接收机中最为关键也是最为薄弱的环节，传统接收机中普遍采用标量跟踪的方法，各接收通道相互独立地处理每一颗卫星的信号，其跟踪性能取决于所采用的鉴别器函数和环路滤波器，一旦该通道的信号质量下降，环路就容易失锁[5]。矢量跟踪是一种将接收机所有通道联合起来进行融合处理的技术，其主要特点是基于用户的导航解对环路进行控制，由于实现了各通道的

5、信息共享，矢量跟踪环(VTL)可以在不增加任何外部辅助(如惯导)信息的情况下，提供更好的低信噪比和动态跟踪能力邙。7]。Pany等[8。93介绍了矢量跟踪环相对标量环路的性能优势，将VTI。定义为基带信号处理和导航解算之间的深组合，但文中没有提及环路实现和滤波器结构设计的细节。Lashley等口”“1提出了一种矢量延迟／频率锁定环(VDFLL)，采用传统的延迟锁定环(DLL)和锁频环(FLL)鉴别器估计频率偏差，由于FLL存在一步延迟效应，高动态环境下鲁棒性不够，且文中未考虑信号衰减通道对其他通道

6、的不良影响。Liu等[12-13]提出了一种联合矢量位置跟踪环(JVPTL)，通过建立基带信号和导航参数之间的收稿日期：2013—12-13；退修日期：2014—01—20；录用日期：2014—04—14；网络出版时间：2014．04—1718：40网络出版地址：WWW．cnki．net／kcms／detail／10．7527／S1000—6893．2014．0055htmI基金项目：国家自然科学基金(61201120)；国家“863”计划(2010AA7010213)*通讯作者．Tel．：029

7、—84744111E—mail：Igb@epgc．net礅塌罄武IChengJR．LiuGB．YaoZC．eta1．ArobustGNSSvectortracking

8、oop!如．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2014。35(11)：3106-3114．程俊仁，刘光斌．姚志战．等一种鲁棒GNSS矢量跟踪环iJj航空学撮．2014．35(¨)：3106．3114i程俊仁等：一种鲁棒GNSS矢量跟踪环线性化模型，对导航参数进行直接估计。但其滤波器维数较高，计算

9、量大，且动态性能有限。由于实际应用环境复杂多变，矢量跟踪环的通道耦合在实现信息共享的同时，也会造成误差的互相传播L14’1引，严重时会造成所有环路失锁，大大降低环路的连续可用性。为此，本文提出一种鲁棒矢量跟踪环。从环路控制的角度出发，利用过程噪声阵实现各跟踪通道的耦合与解耦，隔离信号衰减通道的量测误差，引入基于极大似然估计器(MLE)的码和载波鉴别器[16

10、，提高环路的动态适应能力。最后利用GNSS信号模拟器生成仿真数据DT]，对环路性能进行测试验证。1系统模型1．1状态方程目前矢