基于改進自適應濾波算法的高超目標導航信號跟蹤方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于GI^定位導航領域，具體是一種基于改進自適應卡爾曼濾波算法的高 超聲速目標GPSf目號跟蹤方法。
【背景技術】
[0002]GPS由于能夠為用戶提供全天候位置信息服務，并隨著航空、航天技術的迅猛發 展，其在軍事上得到了廣泛應用，高超聲速環境下GI^系統的應用也日益受到人們的關注。 GI^系統所有權、控制權和運行權都屬于美國，在軍事、航空航天等敏感領域，為保障其國家 安全和維護其軍事強國的地位，國外的高性能產品和高新技術都是對我國實行封鎖和限制 的，而隨著國防現代化建設的進行、國防科技日新月異的發展形勢，突破運種技術壁壘刻不 容緩。高超聲速環境下目標接收到的GI^信號具有較大的多普勒頻移，傳統的基于鎖相環 的跟蹤環路無法進行跟蹤，解決運一問題目前主要由Ξ種方法。一是鎖頻環（FLL)輔助鎖 相環（PLL)進行跟蹤，需要根據經驗設定一個闊值在化L和化L之間進行切換來實現對高 超聲速目標GI^信號的跟蹤，運類方案較為復雜并缺乏靈活性；二是使用慣性系統進行輔 助跟蹤，雖然基本可W滿足應用要求，但是成本較高，并且結構也較為復雜；Ξ是采用參數 估計的方法進行跟蹤，基于改進自適應卡爾曼濾波算法的高超聲速目標GI^信號跟蹤方法 即是此類方法。
[0003] 文南犬（SunF,ZhangΗQ.ApplicationofanewAdaptiveKalmanFilitering algorithmininitialalignmentofINS[J].IEEEInternationalConferenceonMec hatronicsMutomation, 2011:2312-2316.)中提出一種基于簡化的Sage-Husa自適應卡爾 曼濾波組合導航GPS信號跟蹤方法，該方法利用簡化的Sage-Husa自適應卡爾曼濾波算法 對GI^信號的多普勒頻移和碼相位進行實時遞推估計，但該方法也存在缺點：只對觀測噪 聲的統計特性進行實時在線估計，而假設過程噪聲的統計特性已知，當過程噪聲的統計特 性偏差較大時，濾波效果會變差。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于提供一種基于改進自適應濾波算法的高超目標導航信號跟蹤 方法，該方法能夠對高超聲速目標接收到的GI^信號進行跟蹤，可W對高超聲速目標進行 定位并對其運動軌跡進行估計。
[0005] 實現本發明目的的技術方案為：一種基于改進自適應濾波算法的高超目標導航信 號跟蹤方法，步驟如下：
[0006] 第一步，設高超聲速目標接收到的編號為i衛星的GF>S信號為：Si(t) =C((l+n) (t-τi))D((l+n) (t-τi))cos2π(fiF+fdi)t+ni(t)，式中τ康示時間延遲，fIF為信號中頻 頻率，fdi多普勒頻移，η=fdi/fu，fu= 1575. 42MHz為GPS信號載頻，η1 (t)為噪聲項， C(t)為C/A碼，D(t)為導航數據碼；
[0007] 第二步，建立GPS信號跟蹤的卡爾曼濾波模型，其中狀態方程為：
式中Xk= [Xp,kXu,kXa,kXt,k]T為狀態變量；
為 狀態轉換矩陣
為輸入控制 變量，Tk,ki=山4X4為過程噪聲控制矩陣，Wkl為過程噪聲矩陣，Xp為真實載波和 本地復現載波相位差，X。是載波的多普勒漂移；X。是載波的多普勒漂移變化率，Xt為 碼相位偏差，AT為相鄰兩次處理時間間隔，是本地復現載波的角頻率偏移 在ωιρ基礎上的差，fc3,ki是本地復現碼傳輸速率在1.023MHz基礎上的差；觀測方程 為：
為觀測變量，來自鑒相器的輸出，
為觀測矩陣，
為觀測誤差向量，Vk為觀測誤差矩陣；
[0008] 第Ξ步，采用基于改進自適應卡爾曼濾波算法的高超聲速目標GI^信號跟蹤方法 對第一步中的GI^信號進行處理，估計出其中的多普勒頻移fdi和碼相位偏差，由碼相位偏 差得到時延τ1，然后對GI^信號進行解調解擴得到導航數據。
[0009] 第Ξ步所述對第一步中的GI^信號進行處理的步驟為：
[0010] 3. 1，建立GPS信號卡爾曼濾波模型，狀態方程：Xk=巫k,k而i+Wk,kiUk,ki+r、kiW ki，觀測方程：Zk=ΗιΛ+Mk+Vk。
[00川 3. 2,初始化k= 1，誤差方差矩陣P0=I4X4,狀態變量朽=[0卸.fl沖';
[0012] 3. 3,系統狀態變量預估計
式中南為過程噪聲 均值；
[0013] 3. 4,預估計誤差方差
式中Qki為過程噪聲 方差矩陣；
[0014] 3. 5,計算新息
式中f為觀測噪聲均值；
[0015] 3. 6,根據濾波最優原則計算遺忘因子
式中Rk為觀 測噪聲方差矩陣；
[0016] 3. 7,估計觀測噪聲統計特性，
，并估計誤差方差陣，Pk=
[1-K站Pk'ki;
[0020]3. 11，更新載頻和CA碼傳輸速率，將估計出來的i；代入Zk=ΗlA+Mk，可W 得到Zk的最優估計，利用Zk更新載頻和CA碼傳輸速率，
其中ka、化為可調參數，運里分別取0. 6和0. 9。判斷跟蹤過程是 否結束，結束就退出循環，否則k=k+1，返回步驟3. 1。
[0021] 本發明與現有的基于卡爾曼GI^信號跟蹤方法相比，其顯著優點為：本發明方法 能夠對噪聲的統計特性進行在線實時估計，具有較強的魯棒性。特別是當噪聲的統計特性 未知或偏差較大時，該方法具有更好的定位精度。
【附圖說明】
[0022] 圖1為超高聲速目標接收到的GI^仿真信號。
[0023] 圖2為解析基于改進自適應卡爾曼濾波算法的高超聲速目標GI^信號跟蹤的實驗 結果。（a)編號2號衛星跟蹤結果，化）編號2號衛星跟蹤結果局部放大效果圖，（C)編號 2號卡爾曼濾波輸出，（d)定位誤差，（e)目標運動軌跡。
【具體實施方式】
[0024] 下面結合附圖對本發明作進一步詳細描述。
[0025] 本發明為基于改進自適應濾波算法的高超目標導航信號跟蹤方法。本發明主要作 用在于超高聲速目標GI^信號跟蹤，具體實施步驟如下：
[002引第一步，設高超聲速目標接收到的編號為i衛星的GPS信號為：Siω=C((1+η) (t-τi))D((l+n) (t-τi))cos2π(fiF+fJt+ni(t)，式中τ康示時間延遲，fIF為信號中頻 頻率，fdi多普勒頻移，η=fdi化1，fu= 1575. 42MHz為GPS信號載頻，η1(t)為噪聲項， C(t)為C/A碼，D(t)為導航數據碼