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专利名称：一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法
技术领域：
本发明涉及基于非线性滤波的卫星导航接收机跟踪环路失锁检测方法，其应用范围主要为基于软件接收机的卫星信号跟踪环路。
背景技术：
近年以来，卫星导航定位系统得到越来越广泛的应用，在高精度、实时性、全天候等方面取得了长足进步。通用卫星导航接收机已经可以输出较准确的位置、速度和时间信息，从而满足常规情况下的定位、导航和授时需求。然而，一些复杂环境和特殊载体应用场景要求接收机同时具备高灵敏度、高动态性和高抗干扰等性能，从而对接收机的信号处理能力尤其是信号跟踪能力提出了新的要求。普通的卫星信号跟踪环路由鉴别器和二阶或者三阶环路滤波器构成，通过数字振荡器控制本地通过数字振荡器控制本地估计信号来实现对输入中频数字信号的参数稳定估计，其缺点是无法兼顾灵敏度、动态性和抗干扰性；非线性滤波(包括但不限于扩展卡尔曼滤波和无味卡尔曼滤波)具有时间递推特性和良好的估计能力，可以同时将载波跟踪和码环路跟踪融合在一个滤波器当中，能同时估计码相位、多普勒频率、多普勒频率变化率、 信号幅度和载波相位等状态信息，有效解决跟踪环路非线性动态变化所产生的问题，在低信噪比、高动态和存在干扰情况下仍具有较好的跟踪特性和跟踪精度，因此能够满足卫星导航接收机在复杂环境下的多元化需求。衡量卫星信号跟踪环路的一个重要指标是环路是否稳定，即输出的状态估计量在误差允许范围之内，而通常把误差超出允许范围的现象称之为“失锁”，或一种故障。在普通卫星信号跟踪环路中失锁检测常由锁定检测器来完成，但这种方法并不适用于非线性滤波跟踪环路。针对非线性滤波器本身的故障检测方法已具有一定的研究历史，早在20世纪70 年代，Mehra R. K (Mehra R. K, Peschen. J. An Innovation Approach to Fault Detection and Diagnosis in Dynamic System[J]. Automatica 1971 (7) :637-640)就提出了基于滤 ^^^^WMUfiM^fS Brumback B. D(Brumback. B. D, Srinath. Μ. D. AChi-square Test for Fault-Detection in Kalman Filter[J]. IEEE Trans, on Automatic Control Vol. AC-32. 1987 :552-554)在此基础上又提出了基于滤波状态的检测机制，这些检测方法大都被应用在组合导航的信息融合容错性检测方面，而在卫星导航接收机跟踪环路的失锁检测领域从未被涉及，因此找到一种合适失锁检测方法已成为非线性滤波跟踪环路研制的关键问题。

发明内容
本发明的技术解决问题克服现有技术的不足，提供一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法，该方法利用环路输入观测量的新息的统计特性构造故障检测量，作为跟踪环路是否失锁的判断依据，能够及时发现非线性滤波跟踪环路的突变故障，从而提高了非线性滤波跟踪环路的容错性和鲁棒性。
本发明的技术解决方案一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法，在基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路中，利用环路输入观测量的新息的统计特性构造故障检测量，作为跟踪环路是否失锁的判断依据，通过恒虚警准则设定门限作为检测量比较的标准，当检测量大于门限认为该卫星导航跟踪环路将发生失锁，此时需要重置滤波器从而避免环路失锁造成状态量发散。上述检测方法以固定周期重复，包括以下步骤(1)确定卫星导航跟踪环路的状态量矩阵和观测量矩阵，其中所确定的状态量矩阵Xk为待跟踪卫尾信号的参数，包括码相位、多普勒频率、多普勒频率变化率、载波相位和载波幅度；所确定的观测量矩阵包括卫星信号和本地复现信号早码、及时码和晚码的相关结果；(2)建立以步骤(1)中状态量矩阵和观测量矩阵为未知量的状态方程xk+1 = f(xk) 和观测方程\ = h(xk)；其中状态方程和观测方程均为状态量矩阵的函数；(3)建立卫星导航跟踪环路，该跟踪环路由一个非线性滤波器所构成，非线性滤波器的输入为步骤(1)所确定的观测量矩阵，非线性滤波器输出为和步骤(1)所确定的状态量矩阵相对应的估计值，并在步骤( 所建立的状态方程和观测方程基础上构建滤波方程，滤波方程的目的是产生当前时刻的状态量估计更新值及估计误差协方差矩阵和下一时刻状态量估计的递推值及递推误差协方差矩阵，其中状态量估计更新值包含有观测量的信息，而递推值不包含观测量的信息；(4)在进行跟踪滤波与失锁检测之前预先设定检测门限，该检测门限由恒虚警准则确定，，然后根据故障检测量的概率密度函数计算在此虚警概率下的检测门限；(5)设定环路更新周期，开始进行跟踪环路滤波，其滤波方程由步骤C3)确定，每进行一次环路更新时根据滤波器所输出的观测量更新和滤波方程计算滤波过程的新息，进而计算新息的协方差矩阵；(6)设定失锁检测周期，所述检测周期为环路更新周期的整数倍，并不小于环路更新周期；设环路更新周期为tk，失锁检测周期td满足条件td = ntk, η > 1且η为整数，通常情况下td可以取Is或者2s。即在步骤( 执行的过程中当环路更新时刻t = mtd,m = 1,2,3...，在环路滤波的过程中进行失锁检测；否则不进行环路滤波检测；(7)当环路更新时刻满足失锁检测周期的整数倍时，在步骤(5)的执行过程中计算一次失锁检测量，并将失锁检测量与门限进行比较；(8)若失锁检测量大于门限，则重置环路滤波器；(9)若失锁检测量小于门限，则继续跟踪直到数据处理完毕。所述的步骤O)中的状态方程描述为状态量随时间变化的函数，即通过第k时刻的状态量矩阵的函数f (Xk)递推得到第k+Ι时刻的状态量矩阵；所述步骤O)中的观测方程描述为观测量矩阵是状态量矩阵的函数，即第k时刻的观测量矩阵由该时刻的观测方程所决定，该观测方程为第k时刻状态量矩阵h (Xk)的函数。所述的步骤(3)中的卫星信号跟踪环路所采用的非线性滤波器包括扩展卡尔曼滤波器和无味卡尔曼滤波器，该非线性滤波器所对应的滤波方程包括以下通用形式，具体描述为首先跟踪环路根据第k时刻的状态量协方差阵递推值斤、第k时刻的观测矩阵Hk 和第k时刻的观测噪声矩阵&计算出对应时刻的跟踪环路滤波增益Kk，表示为
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权利要求
1.一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路故障检测方法，其特征在于步骤如下(1)确定卫星导航跟踪环路的状态量矩阵和观测量矩阵，其中所确定的状态量矩阵 &为待跟踪卫星信号的参数，包括码相位、多普勒频率、多普勒频率变化率、载波相位和载波幅度；所确定的观测量矩阵包括卫星信号和本地复现信号早码、及时码和晚码的相关结果；(2)建立以步骤(1)中状态量矩阵和观测量矩阵为末知量的状态方程xk+1= f(xk)和观测方程\ = h(xk)；其中状态方程和观测方程均为状态量矩阵的函数；(3)建立卫星导航跟踪环路，该跟踪环路由一个非线性滤波器所构成，非线性滤波器的输入为步骤(1)所确定的观测量矩阵，非线性滤波器输出为步骤(1)所确定的状态量矩阵相对应的估计值，并在步骤( 所建立的状态方程和观测方程基础上构建滤波方程，滤波方程的目的是产生当前时刻的状态量估计更新值及估计误差协方差矩阵和下一时刻状态量估计的递推值及递推误差协方差矩阵，其中状态量估计更新值包含有观测量的信息，而递推值不包含观测量的信息；(4)在进行跟踪滤波与失锁检测之前预先设定检测门限，该检测门限由恒虚警准则确定，，然后根据故障检测量的概率密度函数计算在此虚警概率下的检测门限；(5)设定环路更新周期，开始进行跟踪环路滤波，其滤波方程由步骤C3)确定，每进行一次环路更新时根据滤波器所输出的观测量更新和滤波方程计算滤波过程的新息，进而计算新息的协方差矩阵；(6)设定失锁检测周期，所述检测失锁周期为环路更新周期的整数倍，并不小于环路更新周期；设环路更新周期为tk，失锁检测周期td满足条件td = ntk, η > 1且η为整数；(7)当环路更新时刻满足失锁检测周期的整数倍时，在环路滤波的过程中进行失锁检测；否则不进行环路滤波检测；(8)若失锁检测量大于门限，则重置环路滤波器；(9)若失锁检测量小于门限，则继续跟踪直到数据处理完毕。
2.根据权利要求1所述的一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法，其特征在于所述的步骤( 中的状态方程描述为状态量随时间变化的函数，即通过第k时刻的状态量矩阵的函数f (Xk)递推得到第k+Ι时刻的状态量矩阵；所述步骤O)中的观测方程描述为观测量矩阵是状态量矩阵的函数，即第k时刻的观测量矩阵由该时刻的观测方程所决定，该观测方程为第k时刻状态量矩阵h (Xk)的函数。
3.根据权利要求1所述的一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法，其特征在于所述的步骤(3)中的卫星信号跟踪环路所采用的非线性滤波器包括扩展卡尔曼滤波器和无味卡尔曼滤波器，该非线性滤波器所对应的滤波方程包括以下通用形式，具体描述为首先跟踪环路根据第k时刻的状态量协方差阵递推值/T、第k时刻的观测矩阵Hk和第 k时刻的观测噪声矩阵&计算出对应时刻的跟踪环路滤波增益Kk，表示为Kk =P^Hl [HkP-Hl+Rky在此基础上由第k时刻的状态量递推值&、第k时刻的观测量、和观测方程/ (《)求出第k时刻的状态量更新值毛
4.根据权利要求1所述的一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法，其特征在于所述的步骤中的故障检测量的概率密度函数具有如下形式
5.根据权利要求1所述的一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法，其特征在于所述的步骤(5)中的观测量新息协方差矩阵计算步骤为(a)在滤波过程中求出第k时刻的观测量的新息ek，即实际观测量^与利用状态量递推值和状态方程所求出的观测量估计)的差值，表示为
6.根据权利要求1所述的一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法，其特征在于所述的步骤(7)中的失锁检测量计算步骤为第k时刻的失锁检测量入&可计算为
7.根据权利要求1所述的一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法，其特征在于所述的步骤(8)中的滤波器重置方法包括(a)将上一次滤波结果作为跟踪滤波器的初始值，从上一时刻的数据开始再次进行跟踪；(b)对该时刻该通道的卫星进行重新捕获，将捕获的结果作为跟踪滤波器的初始值，再次进行跟踪。
全文摘要
一种基于非线性滤波的卫星导航跟踪环路失锁检测方法(1)确定卫星信号跟踪环路的状态量和观测量；(2)建立(1)对应的状态方程和观测方程；(3)在(2)的基础上建立卫星导航跟踪环路滤波器；(4)根据故障检测量的统计特性，设定虚警概率，确定在此情况下的检测门限；(5)设定环路更新周期，每进行一次环路更新时计算新息的协方差矩阵；(6)设定失锁检测周期，该检测周期为环路更新周期的整数倍，并不小于环路更新周期；(7)每进行一次检测时计算故障检测量，并将其与门限进行比较；(8)若故障检测量大于门限，重置环路滤波器。本发明给出了一种非线性滤波卫星导航跟踪环路的失锁检测方法，能够有效检测由观测量出现突变引起的跟踪环路失锁并及时重置滤波器，从而提高了非线性滤波卫星导航跟踪环路的容错性和鲁棒性。
文档编号G01S19/30GK102176032SQ20111000642
公开日2011年9月7日 申请日期2011年1月13日 优先权日2011年1月13日
发明者刘杨, 秦红磊, 金天 申请人:北京航空航天大学