專利名稱：一種基于模糊控制的高動態(tài)gps接收機載波跟蹤環(huán)路的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于導航技術領域，涉及一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤 環(huán)路。
背景技術：
全球定位系統(tǒng)(GPS)是精密衛(wèi)星導航定位系統(tǒng)，它具有高精度、全天候、全球覆蓋 等優(yōu)點，在軍用及民用領域得到了廣泛的重視和應用。在GPS接收機中，穩(wěn)定地跟蹤衛(wèi)星信 號是系統(tǒng)正常工作的前提，也一直是接收機技術的研究重點。由于載體的高速運動使GPS 接收機接收到的載波信號附加了多譜勒頻移，而且這種頻移可能會伴有一定的加速度以及 加加速度，較大的頻移變化率將導致接收機載波環(huán)路跟蹤失鎖，無法達到本地載波與調(diào)制 載波精確同步的目的。因此，載波環(huán)路的設計是高動態(tài)導航接收機設計中的關鍵問題之一。目前高動態(tài)擴頻接收機載波跟蹤環(huán)路中廣泛應用的是高階Phase-Locked Loop (PLL)或Frequency-Locked Loop (FLL)輔助PLL跟蹤技術，通過設定閾值來控制PLL 與FLL的切換或選擇雙重預檢測積分時間，然而這些方法設置環(huán)路帶寬時，在抑制熱噪聲 和動態(tài)應力誤差之間存在矛盾減小帶寬會降低噪聲的影響，但同時會導致動態(tài)應力誤差 增大，所以傳統(tǒng)方法只能在跟蹤精度和動態(tài)性之間做折中處理，并且往往需執(zhí)行窄帶高階 PLL環(huán)路，系統(tǒng)的響應時間較長。為了克服上述矛盾，一些利用模糊理論設計的自適應帶寬PLL模型相繼被提出， 并采用卡爾曼濾波器對載波頻率偏移進行最優(yōu)估計，然而這些模型是建立在線性PLL的基 礎上的，當載體高動態(tài)運動時，PLL不再具有線性結構，將使頻移估計結果發(fā)散，最終導致穩(wěn) 態(tài)跟蹤精度較差甚至是跟蹤失鎖。因此，現(xiàn)有的自適應帶寬PLL并不能非常穩(wěn)定的工作于 高動態(tài)GPS接收機。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有高動態(tài)GPS載波跟蹤技術在協(xié)調(diào)動態(tài)性能和噪聲 抑制能力方面的不足，提出了一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤環(huán)路，該跟 蹤環(huán)路能夠自適應調(diào)節(jié)帶寬，實現(xiàn)對高動態(tài)載波信號快速、精確的跟蹤過程。一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤環(huán)路，主要包括偽碼數(shù)控振蕩 器、解擴器、混頻器、相關單元、鑒頻器、鑒相器、智能環(huán)路濾波器和載波數(shù)控振蕩器；偽碼數(shù)控振蕩器生成本地C/A碼序列，解擴器對C/A碼序列和GPS數(shù)字中頻信號 進行相關運算，剝離GPS數(shù)字中頻信號中調(diào)制的偽碼數(shù)據(jù)，得到解擴后的GPS數(shù)字中頻信 號；載波數(shù)控振蕩器產(chǎn)生正弦載波信號和余弦載波信號，解擴后的GPS數(shù)字中頻信號 與正弦載波信號進入混頻器進行混頻處理，得到正交信號Q，解擴后的GPS數(shù)字中頻信號與 余弦載波信號進行混頻處理，得到同相信號I ；相關單元對正交信號Q、同相信號I在預檢測積分時間內(nèi)進行累加、平均，濾除其中的高頻分量，然后輸出給環(huán)路鑒別單元；環(huán)路鑒別單元包括鑒頻器、鑒相器，鑒頻器通過下式得到本地載波頻率誤差Ok的 鑒別結果
權利要求
一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤環(huán)路，其特征在于，主要包括偽碼數(shù)控振蕩器、解擴器、混頻器、相關單元、鑒頻器、鑒相器、智能環(huán)路濾波器和載波數(shù)控振蕩器；偽碼數(shù)控振蕩器生成本地C/A碼序列，解擴器對C/A碼序列和GPS數(shù)字中頻信號進行相關運算，剝離GPS數(shù)字中頻信號中調(diào)制的偽碼數(shù)據(jù)，得到解擴后的GPS數(shù)字中頻信號；載波數(shù)控振蕩器產(chǎn)生正弦載波信號和余弦載波信號，解擴后的GPS數(shù)字中頻信號與正弦載波信號進入混頻器進行混頻處理，得到正交信號Q，解擴后的GPS數(shù)字中頻信號與余弦載波信號進行混頻處理，得到同相信號I；相關單元對正交信號Q、同相信號I在預檢測積分時間內(nèi)進行累加、平均，濾除其中的高頻分量，然后輸出給環(huán)路鑒別單元；環(huán)路鑒別單元包括鑒頻器、鑒相器，鑒頻器通過式(1)得到本地載波頻率誤差ωk的鑒別結果 <mrow><msub> <mi>ω</mi> <mi>k</mi></msub><mo>=</mo><mi>arctan</mi><mn>2</mn><mo>{</mo><mfrac> <mrow><mo>[</mo><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mi>Q</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>+</mo> <mo>)</mo></mrow><mi>Q</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow> <mrow><mo>[</mo><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mi>I</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mi>Q</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>)</mo></mrow><mi>Q</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow><mo>]</mo> </mrow></mfrac><mo>}</mo><mo>+</mo><msub> <mi>ω</mi> <mrow><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>k</mi> </mrow></msub><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>式中ωk為鑒別出的頻率誤差，取值范圍為( π，π)，ωn，k為噪聲引起的頻率誤差；I(k)和I(k 1)分別是第k和k 1時刻同相信號；Q(k)和Q(k 1)分別是第k和k 時刻正交信號；鑒相器通過式(2)得到相位誤差的鑒別結果式中為鑒別出的相位誤差，取值范圍為( π，π)，為噪聲引起的相位誤差；環(huán)路鑒別單元將鑒別產(chǎn)生的頻率誤差ωk和相位誤差輸送給誤差處理單元；智能環(huán)路濾波器包括誤差處理單元、模糊控制器、精度改善單元和JR濾波器，其中誤差處理單元對頻率誤差ωk和相位誤差的鑒別結果以π為單位進行模運算，初步去除由噪聲產(chǎn)生的誤差測量野值；誤差處理單元將處理后的頻率誤差ωk和相位誤差輸入到模糊控制器，模糊控制器依據(jù)控制經(jīng)驗離線生成模糊控制量集合，每一個頻率誤差ωk和相位誤差組成的二維誤差值坐標點對應集合中的一個模糊控制量，從而使在線模糊運算變成二維查表過程；模糊控制器根據(jù)輸入的二維誤差值坐標點，查詢模糊控制量集合后輸出距離輸入二維誤差坐標點最近的四個量化誤差值點所對應的模糊控制量，并將這四個模糊控制量送至精度改善單元；誤差處理單元還將處理后的頻率誤差ωk和相位誤差輸入到精度改善單元，精度改善單元包括插值模塊和論域變換模塊；插值模塊根據(jù)輸入的二維誤差值坐標點與其周圍四個量化誤差值點間的距離大小，調(diào)整四個模糊控制量的權值，計算出輸入二維誤差值坐標點所對應的實際模糊控制量值u(ωk，)，插值過程如下其中ωi 1≤ωk≤ωi，ui 1，j 1為量化誤差值點(ωj 1)所對應的模糊控制量值，ui 1，j為控制表中量化誤差值點(ωj)所對應的模糊控制量值，ui，j 1為控制表中量化誤差值點(ωj 1)所對應的模糊控制量值，ui，j為控制表中量化誤差值點(ωj)所對應的模糊控制量值；插值模塊將產(chǎn)生的模糊控制量u(ωk)輸出給論域變換模塊，論域變換模塊根據(jù)輸入頻率誤差ωk和相位誤差的動態(tài)情況，引入論域伸縮因子α自適應調(diào)整模糊控制量u(ωk)的論域范圍；論域變換模塊將精度改善后的模糊控制量值輸出給JR濾波器，JR濾波器進一步的去除輸入模糊控制量中的高頻成分，對本地載波信號實際的相位誤差做出精確估計，估計出的相位誤差量用來驅動GPS接收機內(nèi)部的載波數(shù)控振蕩器，載波數(shù)控振蕩器生成本地正弦載波信號和余弦載波信號，保持對輸入GPS數(shù)字中頻信號的跟蹤。FSA00000279252200012.tif,FSA00000279252200013.tif,FSA00000279252200014.tif,FSA00000279252200015.tif,FSA00000279252200016.tif,FSA00000279252200017.tif,FSA00000279252200018.tif,FSA00000279252200019.tif,FSA00000279252200021.tif,FSA00000279252200022.tif,FSA00000279252200023.tif,FSA00000279252200024.tif,FSA00000279252200025.tif,FSA00000279252200026.tif,FSA00000279252200027.tif,FSA00000279252200028.tif,FSA00000279252200029.tif,FSA000002792522000210.tif,FSA000002792522000211.tif,FSA000002792522000212.tif
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤環(huán)路，其特 征在于，所述的模糊控制器包括模糊產(chǎn)生器、模糊推理機、模糊規(guī)則庫和解模糊單元；模糊 產(chǎn)生器將任意的輸入頻率誤差和相位誤差代映射到輸入論域上，得到模糊輸入量，模糊 產(chǎn)生器將產(chǎn)生的模糊輸入量送至模糊推理機；模糊推理機根據(jù)模糊規(guī)則庫提供的模糊規(guī)則 進行模糊推理、決策，建立模糊輸入量和模糊輸出量間的對應關系，模糊推理機完成模糊推 理后將求解出的模糊輸出量輸送給解模糊單元；解模糊單元采用重心法對模糊輸出量進行 解模糊化處理，得到一個確定的模糊控制量值；模糊控制器根據(jù)輸入誤差論域內(nèi)所有量化的二維誤差值坐標，生成對應的模糊控制 量，并將它們離線制成模糊控制量集合存儲到計算機中，供查表使用。
3.根據(jù)權利要求2所述的一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤環(huán)路，其 特征在于，所述的模糊產(chǎn)生器對輸入頻率誤差和相位誤差外的模糊化過程采用的隸屬 度函數(shù)和語言值論域為輸入頻率誤差和相位誤差外采用梯形隸屬度函數(shù)，論域X = {-JI ,-JI/2,0, 31/2, 31}，相應的語言值負大NL、負中匪、零ΖΕ、正中ΡΜ、正大PL ；對于輸 出控制量u采用三角形隸屬度函數(shù)，論域Z = {-25，-16. 67，-8. 33，0，8. 33，16. 67，25}，相 應的語言值負大NL、負中匪、負小NS、零ΖΕ、正小PS、正中ΡΜ、正大PL。
4.根據(jù)權利要求2所述的一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤環(huán)路，其特 征在于，所述的模糊推理機的模糊推理過程選用Mamdani決策方式。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤環(huán)路，其特 征在于，所述的論域變換模塊采用比例指數(shù)型伸縮因子
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于模糊控制的高動態(tài)GPS接收機載波跟蹤環(huán)路，屬于導航技術領域，該結構利用模糊控制理論，在Costas載波跟蹤環(huán)路中引入模糊邏輯控制器和精度改善單元，模糊控制器能夠根據(jù)輸入頻率誤差和相位誤差的動態(tài)情況自適應調(diào)節(jié)環(huán)路帶寬，縮短環(huán)路響應時間；精度改善單元采用線性插值和論域變換的方法消除模糊控制過程中的震顫現(xiàn)象，提高穩(wěn)態(tài)跟蹤精度；精度改善后的模糊控制量驅動載波數(shù)控振蕩器生成本地正弦、余弦載波信號，以保持對輸入載波信號的跟蹤鎖定。本發(fā)明具有優(yōu)良的動態(tài)跟蹤性能和噪聲抑制能力，能夠快速穩(wěn)定的實現(xiàn)對高動態(tài)、低信噪比GPS載波信號的跟蹤過程，并維持良好的頻率跟蹤精度。
文檔編號G01S19/29GK101975957SQ20101028858
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權日2010年9月21日
發(fā)明者王新龍, 紀新春 申請人:北京航空航天大學