基于集体检测的GNSS多频多模矢量跟踪关键技术研究

Several problems limit the applications of satellites navigation vector tracking in weak signal, blocking and multi-path environments, for example, the channel tracking filter is unstable, robust control mechanism is not perfect and the system performance deteriorates easily. Thus the continuity and availability of the navigation solution cannot meet the requirement of practical application. To deal with these problems，the vector tracking algorithm based on collective detection is utilized in this study, which projects the signal power from all correlators from all satellites into the navigation domain. The final navigation solution is then obtained from the point in the navigation domain that has the most power. This study changes the situation that position determination can only be achieved after successful tracking by traditional algorithms. The study includes the following aspects: improve the reliability of maximum likelihood navigation solution with the multi-frequency multi-mode signals; establish an open-loop vector tracking architecture for effective tracking of weak signals; improve the stability of tracking by parallel genetic particle filter and relevance vector machine (RVM) based fault diagnosis method; achieve seamless switching of closed/open loop vector tracking by receiver autonomous environment awareness mechanism. This study provides a unified framework for the correlation-level integration of multi-frequency multi-mode GNSS signals, and it widens the range of applications by solving the bottlenecks of vector tracking for the satellite navigation terminals applied in challenging scenarios, such as indoor, foliage, canyon, etc. Also, this study provides the technical reserves for the construction of Beidou Navigation Satellite System.

卫星导航矢量跟踪算法在弱信号、遮挡、多路径环境下，存在通道跟踪滤波器不稳定、鲁棒控制机制不健全、系统性能易恶化等问题，导致其连续性和可用性无法满足实际需求。针对上述问题，本项目采用基于集体检测的矢量跟踪方法，将所有可见星的全部相关信号功率直接投射在导航域，以最大能量的栅格点确定接收机的真实位置，改变了传统算法只有对导航信号成功跟踪才能定位解算的局面。研究内容主要包括：采用多频多模信号提高极大似然导航解的可靠性，建立开环矢量跟踪架构实现弱信号的有效跟踪，利用并行遗传粒子滤波算法和相关向量机故障诊断方法提高跟踪的稳定性，通过接收机自主环境感知机制实现闭环/开环矢量跟踪的无缝切换。本研究为多频多模GNSS信号在相关器级别的联合提供了统一的架构，为涉及室内、丛林、城市峡谷等应用场景的卫星导航终端解决矢量跟踪中存在的瓶颈问题，拓宽了其工作环境和应用领域，为北斗卫星导航系统的建设提供技术储备。

传统卫星定位终端对于各个卫星信号的跟踪是独立进行的，多通道信号之间基于接收机位置和速度的相关性被完全忽略，没有实现信息的充分利用。矢量跟踪算法从信息论的角度建立数学模型，实现对多通道跟踪的融合滤波，可有效地抑制噪声，但闭环控制方法缺乏对有效的鲁棒性控制机制，在弱信号、遮挡、多路径环境下，存在通道跟踪滤波器不稳定和系统性能易恶化等问题，导致其连续性和可用性无法满足实际需求。针对上述问题，本项目研究了集体检测技术，该方法充分利用各卫星导航信号基于同一导航定位解而产生的几何相关性，将全部卫星的相关信号能量直接投射到导航域，以最大能量的栅格点确定接收机的真实位置，可实现弱信号环境下导航解的快速估计，改变了传统算法只有对导航信号成功跟踪才能定位解算的局面。基于集体检测给出的极大似然位置解，将开环和准开环控制理论引入到矢量跟踪技术中，增强了传统矢量跟踪技术的鲁棒性，使其能够应用于苛刻环境下的定位导航中。开环和准开环系统使用前馈机制代替传统闭环环路的反馈机制，从而能够极大地增强控制系统的鲁棒性。而前馈机制中所需要的额外前馈信息则能够通过导航卫星之间的矢量关系获得，从而将矢量跟踪技术和开环控制有机结合。本研究给出了基于集体检测的直接位置估计方法和性能评估，并提出基于集体检测的开环矢量跟踪架构，支持多频多模信号在相关器级别的联合，可实现闭环/开环矢量跟踪的无缝切换，可结合惯性单元实现超紧耦合导航信号联合滤波，实验表明，该跟踪方法能够在高动态、弱信号和可见星严重不足的环境下具有较好的跟踪精度和鲁棒性。本研究能够为涉及室内、丛林、城市峡谷等应用场景的卫星导航终端解决矢量跟踪中存在的瓶颈问题，对北斗全球导航卫星系统的建设提供支撑，对于我国航天器安全运行和国防安全也具有重要意义。此外，集体检测本质上是一种重要的数学思想，在卫星导航姿态解算、多通道联合数据处理以及雷达、声呐信号处理也有潜在的应用点。