AltBOC导航信号跟踪方法研究

作者：付岐

来源：硕士, 哈尔滨工程大学, 2018.

• 卫星导航
• 信号跟踪
• AltBOC
• 扩展卡尔曼滤波
• 线性二次型高斯控制器

随着全球卫星导航系统的快速发展,为了提高卫星导航系统性能并合理利用有限的频带资源,越来越多样化的信号调制方式被使用。AltBOC（Alternate Binary Offset Carrier）信号作为一种BOC（Binary Offset Carrier）信号的衍生信号,不但保持了BOC信号良好的码跟踪精度和卓越的抗多径、抗噪声性能,而且其上下边带各搭载了两路正交信号成分实现四路信号在两个频点上的复用,此外还可以通过引入交调分量实现恒包络调制,目前Galileo导航系统的E5信号已经采用了AltBOC（15,10）调制方式。随着AltBOC信号的广泛应用,对AltBOC信号跟踪方法展开研究具有重要意义。信号跟踪是卫星导航接收机导航电文解调、多普勒频移获取及伪距测量的重要前提,本文以AltBOC信号为研究对象,通过对目前主流的AltBOC信号跟踪方法进行研究,设计基于扩展Kalman滤波的AltBOC信号跟踪方法,在此基础上提出基于LQG（Linear Quadratic Gaussian Regulator）控制器的AltBOC信号跟踪方法,并与受广泛认可的双环路估计跟踪方法进行性能对比。文章的研究内容如下:（1）论文首先研究了几种典型调制信号的结构和特性,主要包括:BPSK（Binary Phase Shift Keying）信号、BOC信号及AltBOC信号。重点从功率谱密度、自相关函数和码跟踪精度三方面对AltBOC信号进行性能分析。对采用AltBOC（15,10）调制的Galileo E5信号进行仿真。深入理解调制信号的结构是信号跟踪环路设计的基础。（2）对载波环和码环进行分析,并深入探究了目前主流AltBOC信号跟踪方法。首先研究了信号跟踪环路中用于载波跟踪的相位/频率锁定环技术及用于码跟踪的延迟锁定环技术。分析了AltBOC信号的BPSK-Like跟踪方法。重点研究了双环路估计跟踪方法,分析了该方法载波环、副载波环及码环的环路鉴别器,并对鉴别器性能进行探究。（3）通过建立系统模型设计基于扩展Kalman滤波技术（Extended Kalman Filter,EKF）的AltBOC信号跟踪方法,并在此基础上提出基于LQG控制器的AltBOC信号跟踪方法。推导建立了系统的量测模型和状态模型,对比分析了载波环辅助码环和载波环与码环相互独立的两种建模方式的优势及不足,设计了基于扩展Kalman滤波的AltBOC信号跟踪方法。在此基础上,深入分析了LQG控制器的原理,对LQ（Linear Quadratic）最优控制问题进行探究,研究了求取状态反馈矩阵方法,探讨了二次型性能指标函数中参数矩阵的设计方法,设计基于LQG控制器的AltBOC信号跟踪方法。（4）利用仿真数据和实际数据验证了AltBOC信号的扩展Kalman滤波跟踪方法和LQG控制器跟踪方法的可行性,并额外选择使用传统鉴别器的双环路估计法作为比较对象,对比分析三种跟踪方法的跟踪性能。为了对比分析实际环境中常见的载噪比突变场景下的跟踪性能,利用导航信号采集设备和实验车采集动态Galileo E5信号进行验证;为评估载体存在加速度场景下各跟踪方法的性能,利用MATLAB工具生成具有频率斜升场景的仿真中频E5信号进行验证。实验结果表明:实际测试的载噪比突变场景下,LQG控制器方法仍然能保持稳定跟踪,而扩展Kalman滤波方法的载波跟踪环与副载波跟踪环失锁,双环路估计跟踪方法载波环、副载波环与码环均失锁,LQG控制器方法码相位误差估计均值与方差小于扩展Kalman滤波方法一个至几个数量级;经仿真测试,在频率斜升场景下,LQG控制器方法载波相位及码相位跟踪误差估计方差小于双环路估计方法一个至几个数量级,优势较为显著。随着AltBOC信号及其他BOC衍生信号被各大导航系统广泛应用,本文对AltBOC信号跟踪方法的研究为其他BOC衍生信号跟踪方法研究起到一定参考意义,同时,提出的LQG控制器跟踪方法为提升信号跟踪环路的性能提供了参考。

• 出版日期2018
• 单位哈尔滨工程大学