基于模糊控制的高動態(tài)gps接收機載波跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤方法，步驟如下：載波跟蹤環(huán)路運行情況判決因子計算：鎖相環(huán)的鑒別器輸出經(jīng)計算后作為環(huán)路運行情況的判決因子，該判決因子能夠準確反映跟蹤環(huán)路運行情況；模糊控制器設計：模糊控制器接收判決因子作為輸入，通過模糊化、模糊推理和解模糊輸出控制參數(shù)；環(huán)路濾波器接收FLL鑒別器輸出和PLL鑒別器輸出，分別乘以相應控制參數(shù)后用以控制接收機的本地載波數(shù)控振蕩器，以保持對輸入信號的穩(wěn)定跟蹤。本發(fā)明方法采用模糊控制算法建立環(huán)路判決因子和控制參數(shù)之間的非線性關(guān)系，動態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)路中鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)相對作用大小，顯著提高了接收機載波跟蹤環(huán)路在高動態(tài)環(huán)境下的跟蹤性能。
【專利說明】
基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤方法
技術(shù)領域
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星導航技術(shù)領域，特別是一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載 波跟蹤方法。
【背景技術(shù)】
[0002] GPS是全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)的簡稱，具有高精度、全天候、 全天時的優(yōu)點，被廣泛應用于軍事和民用領域。GPS是由美國國防部研制和建立的一種全球 導航系統(tǒng)，為全球用戶提供低成本、高精度的三維位置、速度和精確的時間信息。對于GPS接 收機而言，關(guān)鍵技術(shù)就是載波跟蹤技術(shù)，只有穩(wěn)定的跟蹤衛(wèi)星信號，接收機才能穩(wěn)定的輸出 導航信息。傳統(tǒng)的接收機載波跟蹤環(huán)路采用鎖相環(huán)技術(shù)，然而在高動態(tài)環(huán)境下，由于載體的 高度機動，會導致多普勒頻移變換過快，這樣接收機跟蹤環(huán)路尤其是載波跟蹤環(huán)路容易失 鎖，從而無法正常工作和進一步輸出導航信息。
[0003] 目前常用的GPS載波跟蹤環(huán)路采用鎖相環(huán)形式或者鎖頻環(huán)輔助鎖相環(huán)的形式，在 載體和衛(wèi)星視線矢量上加速度和加速度較小的環(huán)境下具有優(yōu)異的性能，然而在高動態(tài)環(huán)境 下無法正常工作。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種基于t旲糊控制的尚動態(tài)GPS接收機跟蹤方法，以提尚 GPS接收機在高動態(tài)環(huán)境下的跟蹤性能。
[0005] 解決本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤 方法，載波跟蹤環(huán)路包括PLL鑒別器、FLL鑒別器、載波環(huán)濾波器、相關(guān)器、混頻器、C/A碼發(fā)生 器、載波NC0和模糊控制器，具體步驟如下：
[0006] 步驟1，載波NC0產(chǎn)生正弦信號和余弦信號，解擴后的GPS數(shù)字中頻信號與正弦信號 進入第一混頻器進行混頻處理得到信號i(n)，解擴后的GPS數(shù)字中頻信號與余弦信號進入 第二混頻器進行混頻處理得到信號q(n);
[0007] 步驟2,信號i(n)與本地C/A碼發(fā)生器生成的即時碼通過第一相關(guān)器進行相關(guān)處理 得到信號。(1〇,信號q(n)與本地C/A碼發(fā)生器生成的即時碼通過第二相關(guān)器進行相關(guān)處理 得到信號％(1〇;
[0008] 步驟3,假設積分間隔內(nèi)，載波頻率差和相位差都不變，信號iP(n)、qP(n)分別在預 檢測積分時間內(nèi)累加求和得信號Ip、Qp;
[0009] 步驟4，PLL鑒別器對信號Ip、Qp進行處理得到本地載波相位誤差A 的鑒別結(jié)果， FLL鑒別器對信號Ip、Qp進行處理得到本地載波頻率誤差A 的鑒別結(jié)果；
[0010] 步驟5，PLL鑒別器輸出的本地載波相位誤差A (^經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為環(huán)路運行情況的 判決因子，判決因子通過模糊控制器處理得到環(huán)路控制參數(shù)a;
[0011] 步驟6，F(xiàn)LL鑒別器輸出的本地載波頻率誤差A fe乘以a得到調(diào)整后的本地載波頻 率誤差A f，PLL鑒別器輸出A 乘以2-a后輸入得到調(diào)整后的本地載波相位誤差A巾，A f、A (i)輸入載波環(huán)濾波器以控制載波NCO。
[0012] 進一步地，步驟4中所述PLL鑒別器對信號IP、QP進行處理得到本地載波相位誤差A 小e的鑒別結(jié)果，公式如下：
[0014] 式中：A (J)e的取值范圍為(-3I，JT);
[0015] FLL鑒別器對信號Ip、Qp進行處理得到本地載波頻率誤差A fe的鑒別結(jié)果，公式如 下：
[0017] S*:cross = Ip(k-l)Qp(k)-Ip(k)Qp(k-l)，dot = Ip(k-l)Ip(k)-Qp(k)Qp(k-l)，Ip (k-1)是第k-1時刻Ip的值，QP(k-l)是第k-1時刻Q P的值，A t是k-1時刻和k時刻之間的時間 間隔。
[0018]進一步地，步驟5所述PLL鑒別器輸出的本地載波相位誤差A (^經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為環(huán) 路運行情況的判決因子，具體如下：
[0019] e = cos[2 A <J)e]^；l
[0020] 式中，e為判決因子。
[0021] 進一步地，步驟5所述判決因子通過模糊控制器處理得到環(huán)路控制參數(shù)a，其中模 糊控制器包括模糊產(chǎn)生器、模糊規(guī)則和模糊消除器，處理步驟如下：
[0022] 模糊產(chǎn)生器將輸入的判決因子e映射到輸入論域上得到模糊輸入量;模糊輸入量 根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理，建立起模糊輸入和模糊輸出之間的模糊關(guān)系，完成模糊推理 之后將模糊輸出送至模糊消除器;模糊消除器對模糊輸出進行解模糊化處理，得到環(huán)路控 制參數(shù)a。
[0023] 進一步地，所述模糊產(chǎn)生器將輸入的判決因子e映射到輸入論域上得到模糊輸入 量，采用的隸屬函數(shù)和論域為:隸屬函數(shù)是三角形隸屬函數(shù)，論域X=[0.4,0.6,0.8，1.0]， 相應的語言值:小S，小中SM，中M，大B;模糊消除器對模糊輸出進行解模糊化處理，對于環(huán)路 控制參數(shù)a采用三角形隸屬函數(shù)，論域Y= [1.0,1.2,1.4,1.6]，相應的語言值:小S，小中SM， 中M，大B;模糊輸入量根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理，建立起模糊輸入和模糊輸出之間的模糊 關(guān)系，模糊關(guān)系為:輸入語言值為S，對應輸出值為B;輸入語言值為SM，輸出語言值為M;輸入 語言值為M，輸出語言值為SM;輸入語言值為B，輸出語言值為S。
[0024] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果是：（1)采用環(huán)路判決因子反映跟蹤環(huán)路運行 情況，根據(jù)環(huán)路判決因子的大小來調(diào)節(jié)鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)相對作用大小來提高環(huán)路跟蹤性 能；（2)采用模糊控制算法建立判決因子和控制量之間的非線性關(guān)系，動態(tài)調(diào)節(jié)環(huán)路中鎖相 環(huán)和鎖頻環(huán)相對作用大小，顯著提高了接收機載波跟蹤環(huán)路在高動態(tài)環(huán)境下的跟蹤性能。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發(fā)明基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤方法的原理框圖。
[0026]圖2是輸入模糊變量隸屬函數(shù)圖。
[0027]圖3是輸出模糊變量隸屬函數(shù)圖。
【具體實施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖及【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步詳細說明。
[0029] 在接收機載波跟蹤環(huán)路的設計中，高動態(tài)環(huán)境需要較大的跟蹤環(huán)路帶寬，而較大 的環(huán)路帶寬會導致更多熱噪聲的引入，也可能會導致環(huán)路失鎖，因此在提高傳統(tǒng)接收機動 態(tài)性能的同時需要解決熱噪聲的問題，需要在高動態(tài)和熱噪聲之間取一個折中。
[0030] 如圖1、2、3所示，本發(fā)明基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機跟蹤方法，載波跟蹤環(huán) 路包括PLL鑒別器、FLL鑒別器、載波環(huán)濾波器、相關(guān)器、混頻器、C/A碼發(fā)生器、載波NC0和模 糊控制器，具體實現(xiàn)如下：
[0031] 在理想狀態(tài)下GPS接收機射頻前端輸?shù)闹蓄l信號SIF(n)的數(shù)學模型為：
[0032] SIK (/?) = \2A D(/? - r) ? C{n - r) ? cosj cou.n + ^(/?)] (1)
[0033] 式中，A為信號強度，n表示時間，D(n)為導航電文，C(n)為C/A碼，t為傳輸過程中的 時間延遲，《 if為中頻信號SIF(n)的頻率，巾（n)為初始載波相位。
[0034]步驟1，載波NC0產(chǎn)生正弦信號和余弦信號，解擴后的GPS數(shù)字中頻信號與正弦信號 進入第一混頻器進行混頻處理得到信號i(n)，解擴后的GPS數(shù)字中頻信號與余弦信號進入 第二混頻器進行混頻處理得到信號q(n):
[0035] i{n) = -/2 cos [(0)w + Aco) n + ] (2)
[0036] ^(n) -V2sin[(?[F + A?)? + ^0] (3)
[0037] 式中，（《 if+ A ?)為本地振蕩器產(chǎn)生的載波頻率，A ?為本地載波頻率和輸入的 中頻信號頻率的差，巾〇為本地信號產(chǎn)生初始載波相位。
[0038] 步驟2,信號i(n)與本地C/A碼發(fā)生器生成的即時碼通過第一相關(guān)器進行相關(guān)處理 得到信號。(1〇,信號q(n)與本地C/A碼發(fā)生器生成的即時碼通過第二相關(guān)器進行相關(guān)處理 得到信號辦(1〇:
[0039] i.. (?) - 4A D(n - r) ? C{n - r) ? cos|~^(/?) - Aw/? J (4)
[0040] q.: [n) = -J A D{n-z)-C{n -r)-%\x\ \ 0^1)- A(0n - (j){) ] (5)
[0041] 式中，A為信號強度，n表示時間，D(n)為導航電文，C(n)為C/A碼，t為傳輸過程中的 時間延遲，巾（n)為初始載波相位，A ?為本地載波頻率和輸入的中頻信號頻率的差，(}>〇為 本地信號產(chǎn)生初始載波相位。
[0042] 步驟3,假設積分間隔內(nèi)，載波頻率差和相位差都不變，信號iP(n)、qP(n)分別在預 檢測積分時間內(nèi)累加求和得信號Ip、Q P:
[0045]式中，S為本地C/A碼超前滯后的間隔，T為預檢測積分時間，St為偽碼相位誤差，Sf 和#分別為積分間隔起始時刻本地參考信號與輸入信號之間的載波頻率差和載波相位 差，R(T)為C/A碼的相關(guān)函數(shù)。
[0046] 步驟4，PLL鑒別器對信號Ip、Qp進行處理得到本地載波相位誤差A c})e的鑒別結(jié)果， 公式如下：
(8)
[0048] 式中：A (J)e的取值范圍為(-3i，Ji);
[0049] FLL鑒別器對信號Ip、Qp進行處理得到本地載波頻率誤差A 的鑒別結(jié)果，公式如 下：
(9)
[0051]式中：cross = Ip(k-l)Qp(k)-Ip(k)Qp(k_l)，dot = Ip(k-l)Ip(k)-Qp(k)Qp(k_l)，Ip (k-1)是第k-1時刻Ip的值，QP(k-l)是第k-1時刻QP的值，A t是k-1時刻和k時刻之間的時間 間隔。
[0052]步驟5，PLL鑒別器輸出的本地載波相位誤差A (^經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為環(huán)路運行情況的 判決因子e，該判決因子能夠準確反映環(huán)路跟蹤情況，判決因子e計算公式如下：
(11)
[0054]判決因子通過模糊控制器處理得到環(huán)路控制參數(shù)a ;
[0055]通過模糊控制器處理得到環(huán)路控制參數(shù)，其中模糊控制器包括模糊產(chǎn)生器、模糊 規(guī)則和模糊消除器，處理步驟如下：
[0056]模糊產(chǎn)生器將輸入的判決因子e映射到輸入論域上得到模糊輸入量;模糊輸入量 根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理，建立起模糊輸入和模糊輸出之間的模糊關(guān)系，完成模糊推理 之后將模糊輸出送至模糊消除器;模糊消除器對模糊輸出進行解模糊化處理，得到環(huán)路控 制參數(shù)a。
[0057]所述模糊產(chǎn)生器將輸入的判決因子e映射到輸入論域上得到模糊輸入量，如圖2所 示，采用的隸屬函數(shù)和論域為:隸屬函數(shù)是三角形隸屬函數(shù)，論域X= [0.4,0.6,0.8,1.0]， 相應的語言值:小S，小中SM，中M，大B;模糊消除器對模糊輸出進行解模糊化處理，如圖3所 示，對于環(huán)路控制參數(shù)a采用三角形隸屬函數(shù)，論域Y= [1.0,1.2,1.4,1.6]，相應的語言值： 小S，小中SM，中M，大B;模糊輸入量根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理，建立起模糊輸入和模糊輸 出之間的模糊關(guān)系，模糊關(guān)系為:輸入語言值為S，對應輸出值為B;輸入語言值為SM，輸出語 言值為M;輸入語言值為M，輸出語言值為SM;輸入語言值為B，輸出語言值為S。
[0058]步驟6，F(xiàn)LL鑒別器輸出的本地載波頻率誤差A fe乘以a得到調(diào)整后的本地載波頻 率誤差A f，PLL鑒別器輸出A 乘以2-a后輸入得到調(diào)整后的本地載波相位誤差A巾，A f、A巾輸入載波環(huán)濾波器以控制載波NC0。
[0059]綜上所述，本發(fā)明方法采用模糊控制算法建立環(huán)路判決因子和控制參數(shù)之間的非 線性關(guān)系，動態(tài)調(diào)節(jié)鎖相環(huán)和鎖頻環(huán)相對作用大小，顯著提高了接收機載波跟蹤環(huán)路在高 動態(tài)環(huán)境下的跟蹤性能。
【主權(quán)項】
1. 一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤方法，其特征在于，載波跟蹤環(huán)路包 括PLL鑒別器、FLL鑒別器、載波環(huán)濾波器、相關(guān)器、混頻器、C/A碼發(fā)生器、載波NCO和模糊控 制器，具體步驟如下： 步驟1，載波NCO產(chǎn)生正弦信號和余弦信號，解擴后的GPS數(shù)字中頻信號與正弦信號進入 第一混頻器進行混頻處理得到信號i(n)，解擴后的GPS數(shù)字中頻信號與余弦信號進入第二 混頻器進行混頻處理得到信號q(n); 步驟2,信號i(n)與本地C/A碼發(fā)生器生成的即時碼通過第一相關(guān)器進行相關(guān)處理得到 信號iP(n)，信號q(n)與本地C/A碼發(fā)生器生成的即時碼通過第二相關(guān)器進行相關(guān)處理得到 信號qp(n); 步驟3,假設積分間隔內(nèi)，載波頻率差和相位差都不變，信號iP(n)、qP(n)分別在預檢測 積分時間內(nèi)累加求和得信號Ip、Qp; 步驟4，卩1^鑒別器對信號1[5、(^進行處理得到本地載波相位誤差八（})(3的鑒別結(jié)果^ 鑒別器對信號Ip、Qp進行處理得到本地載波頻率誤差A 的鑒別結(jié)果； 步驟5，PLL鑒別器輸出的本地載波相位誤差△ (^經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為環(huán)路運行情況的判決因 子，判決因子通過模糊控制器處理得到環(huán)路控制參數(shù)α; 步驟6，F(xiàn)LL鑒別器輸出的本地載波頻率誤差△ fe乘以α得到調(diào)整后的本地載波頻率誤差 Af，PLL鑒別器輸出Δ (J)e乘以2-α后輸入得到調(diào)整后的本地載波相位誤差Δ φ，Af、Δ φ 輸入載波環(huán)濾波器以控制載波NCO。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤方法，其特征在 于，步驟4中所述PLL鑒別器對信號Ip、Qp進行處理得到本地載波相位誤差△ Φβ的鑒別結(jié)果， 公式如下：(1)式中：Δ 的取值范圍為 FLL鑒別器對信號Ip、Qp進行處理得到本地載波頻率誤差Δ fe的鑒別結(jié)果，公式如下：(2) 式中：cross = Ip(k_l )Qp(k)-Ip(k)Qp(k-l)，dot = Ip(k-l)Ip(k)-Qp(k)Qp(k-l)，Ip(k_l) 是第k-1時刻Ip的值，QP(k_l)是第k-1時刻Qp的值，△ t是k-1時刻和k時刻之間的時間間隔。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤方法，其特征在 于，步驟5所述PLL鑒別器輸出的本地載波相位誤差△ 經(jīng)轉(zhuǎn)換后作為環(huán)路運行情況的判 決因子，具體如下： e = cos[2 Δ φβ]^1 (3) 式中，e為判決因子。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤方法，其特征在 于，步驟5所述判決因子通過模糊控制器處理得到環(huán)路控制參數(shù)α，其中模糊控制器包括模 糊產(chǎn)生器、模糊規(guī)則和模糊消除器，處理步驟如下： 模糊產(chǎn)生器將輸入的判決因子e映射到輸入論域上得到模糊輸入量;模糊輸入量根據(jù) 模糊規(guī)則進行模糊推理，建立起模糊輸入和模糊輸出之間的模糊關(guān)系，完成模糊推理之后 將模糊輸出送至模糊消除器;模糊消除器對模糊輸出進行解模糊化處理，得到環(huán)路控制參 數(shù)α〇5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機跟蹤方法，其特征在于，所 述模糊產(chǎn)生器將輸入的判決因子e映射到輸入論域上得到模糊輸入量，采用的隸屬函數(shù)和 論域為:隸屬函數(shù)是三角形隸屬函數(shù)，論域X= [0.4,0.6,0.8,1.0]，相應的語言值:小S，小 中SM，中M，大B;模糊消除器對模糊輸出進行解模糊化處理，對于環(huán)路控制參數(shù)α采用三角形 隸屬函數(shù)，論域Y= [1.0,1.2,1.4,1.6]，相應的語言值:小S，小中SM，中Μ，大Β;模糊輸入量 根據(jù)模糊規(guī)則進行模糊推理，建立起模糊輸入和模糊輸出之間的模糊關(guān)系，模糊關(guān)系為:輸 入語言值為S，對應輸出值為B;輸入語言值為SM，輸出語言值為M;輸入語言值為M，輸出語言 值為SM;輸入語言值為B，輸出語言值為S。
【文檔編號】G01S19/29GK105891855SQ201610225424
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年4月13日
【發(fā)明人】陳帥, 蔣長輝, 孔維, 孔維一, 陳克振, 韓乃龍, 薄煜明, 黃思亮, 韓筱
【申請人】南京理工大學