阅读说明：本技术 一种提高多普勒精度的方法 (Method for improving Doppler accuracy ) 是由 谭敏强 关威 于 2018-07-11 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种提高多普勒精度的方法,a、卡尔曼滤波,用载波相位作为滤波器观测量,建立动态模型,滤波得到相位率和相位二次变化率。b、超时补偿,对卡尔曼滤波得到的相位率进行补偿,即给相位率加上一个补偿值,使其适用于高动态下跟踪环路的短时间间隔特性。补偿值是利用滤波器的相位二次变化率乘以超前时间得到的。c、延时补偿,对相位率补偿,使其适用于高动态特性。以估计的相位二次变化率差分除以时间间隔作为滤波器输入,用一阶卡尔曼滤波器滤波得到相位三次变化率,再用相位率乘以时延得到补偿值。采用上述方案,能提高接收机载波相位率的精度,对噪声有很好的抑制能力,为高精度速度测量提供精确的观测信息。(The invention provides a method for improving Doppler accuracy, which comprises the steps of a, Kalman filtering, establishing a dynamic model by using a carrier phase as a filter observed quantity, and filtering to obtain a phase rate and a phase secondary change rate. b. And overtime compensation, namely compensating the phase rate obtained by the Kalman filtering, namely adding a compensation value to the phase rate to ensure that the phase rate is suitable for the short time interval characteristic of a tracking loop under high dynamic. The compensation value is obtained by multiplying the second-order rate of change of the phase of the filter by the lead time. c. Delay compensation, compensating for phase rate, makes it suitable for high dynamic characteristics. And dividing the estimated phase quadratic change rate difference by the time interval as filter input, filtering by using a first-order Kalman filter to obtain a phase cubic change rate, and multiplying the phase cubic change rate by the time delay to obtain a compensation value. By adopting the scheme, the accuracy of the carrier phase rate of the receiver can be improved, the noise suppression capability is good, and accurate observation information is provided for high-accuracy speed measurement.)

一种提高多普勒精度的方法

技术领域

本发明涉及卫星接收机中数字信号处理技术领域，尤其涉及的是一种提高多普勒精度的方法。

背景技术

在全球定位卫星系统(GNSS)中，速度测量通常有两种方式：一是由载波相位提取载波相位率进行计算，二是由接收机跟踪环路得到的瞬时多普勒原始观测量来计算。跟踪环路给出的载波相位比多普勒值精度高，大部分接收机采用载波相位提取载波相位率。采用滤波技术可以去除相位噪声，但是这样会造成大的输出时延，在高动态情况下，载波相位率变化很快，时延造成结果精度很差。因此，需要对滤波输出的相位率进行处理，得到高精度的多普勒值，再用于用户速度计算。

由跟踪环路处理得到的相位噪声标准差在0.001rad左右，在高动态环境下，噪声会更大。通过实验发现，对于速度精度要求为0.2m/s时，用于计算速度的相位率噪声标准差应该小于0.2rad/s。直接利用载波相位差分得到相位率进行速度计算，往往不能满足高精度的解算要求。因此需要对载波相位进行处理以获取高精度的相位率。

现有的技术有泰勒级数展开、最小二乘波形拟合、卡尔曼滤波、动态窗和非线性跟踪微分器。泰勒级数展开方法使用现有的相位数据差分计算相位的各阶导数，再用泰勒级数公式计算相位率。这种方法可以利用相位导数近似相位的快速变化，但是没有滤波功能，且导数的计算用到较多的旧相位值，计算结果有延时。最小二乘波形拟合方法把相位用采样间隔的多项式表示，用多次相位值得到使相位估计值方差最小的多项式系数，再用多项式系数计算相位率。这种方法具有较好的去噪效果，最小二乘估计的结果精度较高，但是要用到旧的相位值，结果有时延。卡尔曼滤波技术也是基于最小方差的技术，由于包含了对于观测值统计特性的数据，估计精度更高。但是这种方法随着状态量的增加计算量增大，同时系统的估值保存了旧相位估值，结果有时延。动态窗方法用最近的相位值与一个旧的相位值差分得到相位率，两个相位值的时间间隔动态变化，用相位差值计算出一个值与阈值比较，调整时间间隔。这种方法具有平均的效果，且能够调整时间满足动态变化的要求，但是需要较长的时间间隔才能使结果精度足够高，但是时延大。非线性跟踪微分器采用非线性函数逼近相位的二次变化率，再估计相位变化率，并补偿时延。这种方法可以很好地滤除噪声并包含相位的动态变化，但是非线性函数计算量大，不适宜实时计算。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明解决了如何从跟踪环路给出的载波相位获取高精度相位率的技术问题。本发明利用跟踪环路给出的载波相位获取高精度相位率的,现有技术存在不能满足动态环境、具有延时、计算量大等缺点。针对以上缺点，本发明提出一种基于卡尔曼滤波、时延补偿思想的获取高精度相位率的方法。用三阶卡尔曼滤波器获得相位率的最小方差估计，再用加速度估计值补偿滤波估计值的超前，然后用一阶卡尔曼滤波器对加速度差分值滤波，用估值补偿相位率估值的延时。这种方法兼顾滤除噪声和保留动态特性，计算量小，可以在高动态环境下获得高精度的相位变化率，相位变化率用于估计单位时间内的平均多普勒观测值以及多普勒的变化率，最终用于用户速度的测量。本方法也可以简单修改后用于平滑多普勒观测值，平滑多普勒观测值可以提高多普勒的精度、稳定性，并削弱其噪声，进而可以提高用户接收机的速度测量精度。

本发明的技术方案如下：

一种提高多普勒精度的方法，包括以下步骤：

步骤1：信号捕获跟踪，跟踪环路解调出载波相位和瞬时多普勒观测量；

步骤2：对跟踪环路给出的载波相位，运用平滑滤波去躁，提取高精度的多普勒观测值；

步骤3：用高精度的多普勒值，进行用户速度测量计算。

进一步而言，所述步骤2中还具体包括以下步骤：

步骤201：用三阶卡尔曼滤波器获得相位率的最小方差估计；

步骤202：用加速度估计值补偿滤波估计值的超前；

步骤203：用一阶卡尔曼滤波器对加速度差分值滤波，用估值补偿相位率估值的延时。

进一步而言，所述步骤201还包括：用三阶卡尔曼滤波器获得相位率的最小方差估计；即卡尔曼滤波，即用相位值作为观测量，相位、相位率、相位二阶变化率作为状态变量，估计状态变量的值；具体以公式(1)表示：

进一步而言，所述步骤202还包括：用加速度估计值补偿滤波估计值的超前；即超时补偿；用相位二阶变化率乘以超前时间补偿相位率的估值；具体以公式(2)表示：

进一步而言，所述步骤203还包括：用一阶卡尔曼滤波器对加速度差分值滤波，用估值补偿相位率估值的延时；即延时补偿，由于滤波器估值用到了旧的估值，相位率估值有时延；延时补偿的具体方法是，用相位二阶变化率的差值除以时间间隔作为观测量，用一阶卡尔曼滤波估计相位三阶变化率，再乘以时延，补偿相位率的延时，具体以公式(3)表示：

上述公式(1)(2)(3)中的参数描述为：k：中断的次数，同时也是计算的迭代次数；θ_k：由跟踪环路直接给出的载波相位，每个中断取一次值；

由卡尔曼滤波器预测的载波相位；

由卡尔曼滤波器预测的状态量，包括相位、相位率和相位二次变化率；

由卡尔曼滤波器估计的状态量；状态量的误差协方差的预测值；P_k：状态量的误差协方差的估计值；Φ_k：状态量的转移矩阵；Q_k：系统噪声协方差矩阵；R_k：观测噪声协方差矩阵；H_k：卡尔曼滤波器的观测矩阵；K_k：卡尔曼滤波器的增益矩阵；I：单位矩阵；

由卡尔曼滤波器估计的载波相位率；

由卡尔曼滤波器估计的载波相位二次变化率；t_h：系统超前时间；

一次补偿后的载波相位率；T：中断时间间隔；z_k：载波相位三次变化率的观测值；P′_k：第二个卡尔曼滤波器状态量的误差协方差的估计值；Q′_k：第二个卡尔曼滤波器系统噪声协方差矩阵；R′_k：第二个卡尔曼滤波器观测噪声协方差矩阵；K′_k：第二个卡尔曼滤波器的增益矩阵；载波相位三次变化率的估计值。

采用上述方案，利用卡尔曼滤波，超时补偿以及延时补偿等方法，有效地抑制了载波相位中的噪声，能很好地保持相位率的动态特性，计算量小，并且满足实时性。通过分析和仿真实验可知：该算法能提高接收机载波相位率的精度，对噪声有很好的抑制能力，为高精度速度测量提供精确的观测信息。只要对滤波器做少量改动，本方法也可以用于平滑多普勒观测值，同样可以在高动态条件下得到精确的速度估值。

附图说明

图1为本发明中相位处理方法示意图。

图2为本发明仿真系统结构示意图。

图3为本发明相位的三次变化率示意图。

图4为本发明相位误差示意图。

图5为本发明差分噪声示意图。

图6为本发明一次滤波结果噪声示意图。

图7为本发明修正后的残留噪声示意图。

图8为本发明相位的三次变化率示意图。

图9为本发明卡尔曼滤波器的相位率噪声示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。但是，本发明可以采用许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例。需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供一种提高多普勒精度的方法，

步骤1：信号捕获跟踪，跟踪环路解调出载波相位和瞬时多普勒观测量；

步骤2：对跟踪环路给出的载波相位，运用平滑滤波去躁，提取高精度的多普勒观测值；

步骤3：用高精度的多普勒值，进行用户速度测量计算。

如图1所示，其中步骤2中，提取高精度的多普勒观测值还具体包括以下步骤：

步骤201：用三阶卡尔曼滤波器获得相位率的最小方差估计；

步骤202：用加速度估计值补偿滤波估计值的超前；

步骤203：用一阶卡尔曼滤波器对加速度差分值滤波，用估值补偿相位率估值的延时。

步骤201：用三阶卡尔曼滤波器获得相位率的最小方差估计；即卡尔曼滤波，即用相位值作为观测量，相位、相位率、相位二阶变化率作为状态变量，估计状态变量的值；具体以公式(1)表示：

步骤202：用加速度估计值补偿滤波估计值的超前；即超时补偿，由于高动态条件下相位的三阶变化率没有包含在状态量中，相位的二阶变化率估值超前，这样滤波器能保持稳定。因此，用相位二阶变化率乘以超前时间补偿相位率的估值；具体以公式(2)表示：

步骤203：用一阶卡尔曼滤波器对加速度差分值滤波，用估值补偿相位率估值的延时；即延时补偿，由于滤波器估值用到了旧的估值，相位率估值有时延。延时补偿的具体方法是，用相位二阶变化率的差值除以时间间隔作为观测量，用一阶卡尔曼滤波估计相位三阶变化率，再乘以时延，补偿相位率的延时，具体以公式(3)表示：

上述公式(1)(2)(3)中的参数描述为：

1)k：中断的次数，同时也是计算的迭代次数；

2)θ_k：由跟踪环路直接给出的载波相位，每个中断取一次值；

3)

由卡尔曼滤波器预测的载波相位；

4)

由卡尔曼滤波器预测的状态量，包括相位、相位率和相位二次变化率；

5)

由卡尔曼滤波器估计的状态量；

6)

状态量的误差协方差的预测值；

7)P_k：状态量的误差协方差的估计值；

8)Φ_k：状态量的转移矩阵；

9)Q_k：系统噪声协方差矩阵；

10)R_k：观测噪声协方差矩阵；

11)H_k：卡尔曼滤波器的观测矩阵；

12)K_k：卡尔曼滤波器的增益矩阵；

13)I：单位矩阵；

14)

由卡尔曼滤波器估计的载波相位率；

15)

由卡尔曼滤波器估计的载波相位二次变化率；

16)t_h：系统超前时间；

17)一次补偿后的载波相位率；

18)T：中断时间间隔；

19)z_k：载波相位三次变化率的观测值；

20)P′_k：第二个卡尔曼滤波器状态量的误差协方差的估计值；

21)Q′_k：第二个卡尔曼滤波器系统噪声协方差矩阵；

22)R′_k：第二个卡尔曼滤波器观测噪声协方差矩阵；

23)K′_k：第二个卡尔曼滤波器的增益矩阵；

24)

载波相位三次变化率的估计值；

如图2所示，图2为本发明仿真系统的结构，对本发明的算法效果做出评估，步骤1、2的基本过程为：接收机数字源产生载波相位和无噪声精确多普勒，然后对载波相位加上噪声，再由本发明的滤波算法(如图1所示)对加噪的载波相位进行滤波处理，提取高精度的相位率，用高精度相位率和精确多普勒并行分析做对比，分析本发明的滤波结果精度。

本发明提出的算法主要是实现相位率提取，抑制由跟踪环路提供的载波相位的噪声。用于仿真的相位包括一阶、二阶和三阶变化率。噪声为均值0，标准差0.001的高斯白噪声。滤波器状态量初始值都为0。接收机的运动速度为300m/s到2700m/s，接收机和卫星相对运动产生多普勒频移，相位的三阶变化率如图3所示。

图4给出了由跟踪环路提供的相位的噪声误差。该误差取决于跟踪环路的性能，与接收机热噪声，动态应力误差等因素有关。对于高动态下速度的高精度要求，原始的相位观测量不能直接用于速度测量，必须对相位进行高精度提取处理，抑制其噪声，才能满足速度精度要求。因此本发明正好可以通过滤波平滑的方式抑制相位噪声，提高高动态环境下的测速精度。

图5给出了直接用相位差分得到的相位率。在平稳的部分，噪声幅值在-0.2到0.1之间，在变化大的部分，噪声幅值超过10。这样的相位率值既没有抑制噪声，也没有保留动态特性，不能满足高动态环境下高精度的速度解算要求。

图6给出了本发明一次滤波输出结果的噪声，对应算法步骤201。由于滤波器需要时间收敛，前3000个结果没有画出。滤波器去噪效果很好，比较直接相位差分得到的相位率(图5所示)有了明显改善，速度平稳部分噪声幅值在-0.05到-0.12之间，但是在运动状态变化大的部分，噪声幅值在-0.8到0.6之间，没有保留用户动态特性。

图7给出了本发明时延补偿结果后的噪声，对应算法步骤203。这里源产生数据的时间间隔为20ms，系统超时可以忽略不计，因此只画出一次滤波结果和时延补偿结果。补偿后，平稳部分噪声比一次滤波结果略有增加，在0到-0.2之间，但是动态变化大的部分噪声减小，在0到0.1之间，很好的保留了用户动态特性。

仿真中参数设置如表1：

表1仿真参数设置

P₀和P′₀是误差协方差矩阵的初始值。.

为了检验滤波器的鲁棒性，对不同的高动态场景仿真，仿真参数如表2。表中的速度、加速度、加加速度值很大，且变化很快，与实际的高速运动轨迹类似，如导弹、战斗机。仿真结果说明滤波器可以在不同的高动态环境下得到精确的速度估值。

表2仿真结果：

由于源的数据间隔为20ms，时间间隔较长，因此超前时间为0。为了说明超前时间补偿的作用，这里给出另一个仿真。

仿真时间间隔为0.5ms。仿真的相位由相位三次变化率积分得到。噪声与第一个仿真一致。相位三次变化率如图8。相位二次变化率的初始值为1.3rad/s，相位率的初始值为-2896rad。仿真参数与第一个仿真不同，两个滤波器的噪声矩阵R都为1，t_h为0.0005，t_d为0.012。仿真结果如图9，验证算法步骤202的作用和必要性。

图9中，最初3000点误差大是因为滤波器处于收敛过程，相位率初始值为0，与实际值偏差大。已经收敛部分，滤波器输出误差大，且误差曲线倾斜。超时补偿后，误差仍然大，但是曲线变平。延时补偿后，误差减小，但是误差抖动增大，这是由于相位三次变化率包含大量噪声。总之，经过两次补偿后，滤波的结果精度得到提高。

需要说明的是，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本发明说明书记载的范围；并且，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。