本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航和衛(wèi)星導(dǎo)航軟件接收機(jī)領(lǐng)域，特別是一種基于支持向量機(jī)的矢量跟蹤通道故障檢測(cè)方法。

背景技術(shù)：

GPS是由美國(guó)國(guó)防部開(kāi)發(fā)的天基導(dǎo)航系統(tǒng)，具有、全天候、高精度的特點(diǎn)。全世界的用戶(hù)使用接收機(jī)接收不少于4顆導(dǎo)航衛(wèi)星的信號(hào)就可以實(shí)時(shí)的獲得自身的位置、速度和時(shí)間信息。目前GPS廣泛應(yīng)用于武器制導(dǎo)、車(chē)輛導(dǎo)航、大地測(cè)量、地震預(yù)測(cè)、天氣預(yù)報(bào)方面。

新一代基于矢量跟蹤算法的接收機(jī)技術(shù)可以跟蹤弱信號(hào)，矢量跟蹤算法的導(dǎo)航濾波器采用卡爾曼濾波算法，這樣實(shí)現(xiàn)了所有通道衛(wèi)星信號(hào)的聯(lián)合跟蹤，同時(shí)具有更好的魯棒性，具有瞬時(shí)橋接信號(hào)的能力，但是任一通道的故障或者信號(hào)質(zhì)量較差會(huì)影響其它通道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高矢量跟蹤環(huán)路的容錯(cuò)能力和魯棒性的基于支持向量機(jī)的矢量跟蹤通道故障檢測(cè)方法。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種基于支持向量機(jī)的矢量跟蹤通道故障檢測(cè)方法，包括下列步驟：

步驟1，利用接收機(jī)的位置、速度、鐘差、鐘漂和衛(wèi)星星歷計(jì)算載波和碼NCO參數(shù)；

步驟2，鑒頻器和碼環(huán)鑒別器的輸出作為導(dǎo)航濾波器量測(cè)信息，用以估計(jì)接收機(jī)的位置、速度、鐘差和鐘漂誤差信息，用估計(jì)的信息修正接收機(jī)位置和速度，然后用修正過(guò)的接收機(jī)位置和速度結(jié)合衛(wèi)星星歷計(jì)算載波和碼NCO，以保持對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤；

步驟3，利用校對(duì)好的支持向量機(jī)檢測(cè)通道是否存在故障，支持向量機(jī)的輸入為導(dǎo)航濾波器對(duì)應(yīng)通道的新息序列，輸出為對(duì)應(yīng)通道是否正常。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：(1)采用支持向量機(jī)判斷通道是否故障，能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出存在故障的通道；(2)提高了矢量跟蹤環(huán)路的容錯(cuò)能力和魯棒性；(3)沒(méi)有增加計(jì)算量，不影響環(huán)路的實(shí)時(shí)性，應(yīng)用前景廣闊。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中容錯(cuò)矢量跟蹤結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明中支持向量機(jī)的示意圖圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明基于支持向量機(jī)的矢量跟蹤通道故障檢測(cè)方法，具體實(shí)現(xiàn)如下：

在不考慮噪聲的情況下，GPS接收機(jī)射頻前端輸出的中頻信號(hào)模型為：

式中，A為信號(hào)強(qiáng)度，D(t)為導(dǎo)航電文，C(t)為C/A碼，τ為傳輸過(guò)程中的時(shí)間延遲，ω_IF為信號(hào)中頻，φ(t)為初始載波相位，S_IF(t)為t時(shí)刻信號(hào)強(qiáng)度值。

本地振蕩器發(fā)生的兩路信號(hào)分別為：

式中，(ω_IF+Δω)為本地振蕩器產(chǎn)生的載波頻率，Δω為本地載波頻率和輸入的中頻信號(hào)頻率的差，φ₀為本地信號(hào)產(chǎn)生初始載波相位。I(t)和Q(t)分別為t時(shí)刻本地信號(hào)和接收信號(hào)的即時(shí)I支路值和Q支路值。

輸入的中頻信號(hào)與本地振蕩器發(fā)生的同相、正交信號(hào)相乘，濾除高頻成分后，兩支路的輸出為：

其中，S_IF(t)為t時(shí)刻信號(hào)強(qiáng)度值；兩個(gè)支路的輸出信號(hào)分別與本地偽碼發(fā)生器生成的即時(shí)碼(P)、超前碼(E)和滯后碼(L)相關(guān)，并在預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間內(nèi)累加求和。假設(shè)積分間隔內(nèi)，載波頻率差和相位差都近似不變，則取均值后的相關(guān)器輸出為：

式中，δ為本地C/A碼超前滯后的間隔，T為預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間，δτ為偽碼相位誤差，δf和分別為積分間隔起始時(shí)刻本地參考信號(hào)與輸入信號(hào)之間的載波頻率差和載波相位差，R(τ)為C/A碼的相關(guān)函數(shù)，I_P,Q_P為信號(hào)即時(shí)I支路值和Q支路值，I_E,Q_E為信號(hào)超前I支路值和Q支路值，I_L,Q_L為信號(hào)滯后I支路值和Q支路值。

結(jié)合圖1，本發(fā)明基于支持向量機(jī)的矢量跟蹤通道故障檢測(cè)方法，具體包括下列步驟：

步驟1，利用接收機(jī)的位置、速度、鐘差、鐘漂和衛(wèi)星星歷計(jì)算載波和碼NCO參數(shù)；

式中，V_k-1分別為k-1時(shí)刻解算得到的GPS接收機(jī)的速度，x⁽ⁿ⁾、y⁽ⁿ⁾、z⁽ⁿ⁾為衛(wèi)星號(hào)為n的GPS衛(wèi)星的位置，為接收機(jī)在地心地固坐標(biāo)系下的位置。為衛(wèi)星n與接收機(jī)之間的視線矢量，表示k衛(wèi)星n和用戶(hù)之間的距離；為k-1時(shí)刻通過(guò)星歷解算出來(lái)的衛(wèi)星n的速度；為k時(shí)刻的衛(wèi)星位置；是指k時(shí)刻的衛(wèi)星位置和k-1時(shí)刻衛(wèi)星n的位置的差值；分別為k時(shí)刻的碼相位、碼頻率和載波頻率預(yù)測(cè)值；為k-1時(shí)刻的碼相位解算值；c為真空中光速；t_d,k-1為k-1時(shí)刻的鐘漂；f_code為C/A碼的基準(zhǔn)頻率，為1.023MHz；f_carrier為載波L1的頻率，為1575.42MHz，t_k,k-1是k-1時(shí)刻預(yù)測(cè)的k時(shí)刻的鐘差，V_k-1分別為k-1時(shí)刻解算得到的GPS接收機(jī)的速度。

步驟2，鑒頻器和碼環(huán)鑒別器的輸出作為導(dǎo)航濾波器量測(cè)信息，用以估計(jì)接收機(jī)的位置、速度、鐘差和鐘漂誤差信息，用估計(jì)的信息修正接收機(jī)位置和速度，然后用修正過(guò)的接收機(jī)位置和速度結(jié)合衛(wèi)星星歷計(jì)算載波和碼NCO，以保持對(duì)輸入信號(hào)的跟蹤。

a)鑒頻器計(jì)算公式：

式中，z_carrier為載波頻率測(cè)量值，和分別為I通道和Q通道即時(shí)支路t₁時(shí)刻的采樣值，和分別為I通道和Q通道即時(shí)支路緊接著t₁時(shí)刻之后的t₂時(shí)刻的采樣值，t₁為k-1時(shí)刻的時(shí)間，t₂為k時(shí)刻的時(shí)間，sign(x)為符號(hào)函數(shù)，取值如下：

b)碼環(huán)鑒別器：

碼鑒別器選取歸一化的非相干超前減滯后模型，得到碼相位測(cè)量值z(mì)_code：

式中，I_E和Q_E分別為I通道和Q通道超前支路采樣值，I_L和Q_L分別為I通道和Q通道滯后支路采樣值。

c)導(dǎo)航濾波器模型的狀態(tài)方程：

式中，Φ_k,k+1為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，c為真空下光的速度，t_b,k和t_b,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻的接收機(jī)鐘差，t_d,k和t_d,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻的接收機(jī)鐘漂，δx_k、δy_k、δz_k為地心地固坐標(biāo)系下k時(shí)刻三軸位置誤差，δv_x,k、δv_y,k、δv_z,k為k時(shí)刻地心地固坐標(biāo)系三軸速度誤差，w_k是系統(tǒng)噪聲，δx_k-1、δy_k-1、δz_k-1為地心地固坐標(biāo)系下k-1時(shí)刻三軸位置誤差，δv_x,k-1、δv_y,k-1、δv_z,k-1為k-1時(shí)刻地心地固坐標(biāo)系下三軸速度誤差。

d)導(dǎo)航濾波器模型的觀測(cè)方程為：

觀測(cè)量選取各通道的碼相位測(cè)量值和載波頻率測(cè)量值，觀測(cè)量與狀態(tài)量之間的關(guān)系如下：

z_code＝h_xδx+h_yδy+h_zδz+c·t_b+w_code (21)

z_carrier＝h_xδv_x+h_yδv_y+h_zδv_z+c·t_d+w_carrier (22)

式中，w_code和w_carrier分別為碼相位跟蹤誤差噪聲和載波頻率跟蹤誤差噪聲，h_x,h_y,h_z分別為衛(wèi)星和用戶(hù)之間的視線矢量在x軸、y軸、z軸的投影分量；t_b為接收機(jī)鐘差，t_d為接收機(jī)鐘漂，δx、δy、δz為地心地固坐標(biāo)系下三軸位置誤差，δv_x、δv_y、δv_z為地心地固坐標(biāo)系三軸速度誤差。

e)導(dǎo)航濾波器計(jì)算如下：

P_k＝(I-K_kH_k)P_k,k-1(27)

其中，為k時(shí)刻狀態(tài)值，為狀態(tài)預(yù)測(cè)，K_k為濾波增益矩陣，P_k為k時(shí)刻協(xié)方差矩陣，Q為系統(tǒng)噪聲方差陣，R為量測(cè)噪聲方差陣，Φ_k,k+1為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，I為單位矩陣，P_k,k-1為協(xié)方差預(yù)測(cè)矩陣。

f)所述用估計(jì)的信息修正接收機(jī)位置和速度，具體如下：

位置和速度直接根據(jù)導(dǎo)航濾波器的估計(jì)誤差進(jìn)行修正：

其中，X_k為用戶(hù)k時(shí)刻的位置，為預(yù)測(cè)的用戶(hù)k時(shí)刻的位置，δX_k為k時(shí)刻的用戶(hù)位置的修正值；

碼相位、碼頻率和載波頻率根據(jù)修正后的位置速度以及導(dǎo)航濾波器估計(jì)的鐘差、鐘漂進(jìn)行修正：

其中，分別為k時(shí)刻的碼相位、碼頻率和載波頻率。

步驟3，利用校對(duì)好的支持向量機(jī)檢測(cè)通道是否存在故障，支持向量機(jī)的輸入為導(dǎo)航濾波器對(duì)應(yīng)通道的新息序列，輸出為對(duì)應(yīng)通道是否正常。

新息序列計(jì)算如下：

其中，δ_k為k時(shí)刻的導(dǎo)航濾波器的新息序列，z_k為k時(shí)刻的量測(cè)矩陣，H_k為k時(shí)刻的量測(cè)矩陣，為系統(tǒng)誤差預(yù)測(cè)矩陣

結(jié)合圖2，所述的支持向量機(jī)，具體如下：

假設(shè)已知訓(xùn)練樣本集：T＝{(x₁,y₁),(x₂,y₂),...,(x_n,y_n)}

分類(lèi)超平面表示函數(shù)：

其中，n為樣本數(shù)量，x_i為輸入，y_i是輸出；w為權(quán)值矢量，b為偏差，為非線性映射函數(shù)；

優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)：

約束條件：

其中i＝1,2,…,n，||w||²為結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)，ξ_i為松弛變量，C為懲罰系數(shù)；綜合優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)和約束條件可以求得分類(lèi)超平面；

支持向量機(jī)的輸入采用過(guò)去m個(gè)新息序列的值，輸出+1為正常，-1為故障。

綜上，本發(fā)明方法能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)出存在故障的通道，同時(shí)沒(méi)有明顯增加計(jì)算量，不影響環(huán)路的實(shí)時(shí)性，應(yīng)用前景廣闊。