افزایش دقت ردیابی برداری سامانه موقعیت‌یاب جهانی (GPS) در شرایط سیگنال ضعیف مبتنی بر فیلتر کالمن تطبیقی ردیاب قوی

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی برق، دانشگاه علم و صنعت ایران

چکیده

در این مقاله یک روش جدید برای ردیابی برداری سیگنال­ ماهواره­های GPS در شرایطی که سیگنال ضعیف می‌باشد، ارائه شده است. در ردیابی برداری معمولاً از فیلتر کالمن توسعه یافته (EKF) استفاده می‌شود. یکی از مشکلات فیلتر کالمن مرسوم، واگرایی آن‌ است. برای جلوگیری از واگرایی فیلتر کالمن، از فیلتر کالمن تطبیقی استفاده می‌شود. روش مرسوم تطبیقی­کردن فیلتر کالمن در ردیابی برداری، استفاده از پنجره‌ای با طول محدود می‌باشد اما طول این پنجره نمی‌تواند از یک حدی بزرگتر باشد و از طرفی، بعد از گذشت مدت زمانی اندک، فیلتر کالمن دوباره واگرا می‌شود. همچنین، طول پنجره به­صورت تجربی و با توجه به خصوصیات آماری تعیین می‌شود که ممکن است به ازای یک مقدار خاص جواب ایده­آل حاصل شود و به ازای یک مقدار دیگر چنین نشود. از این‌رو، در این مقاله از فیلتر کالمن تطبیقی ردیاب قوی (STKF) استفاده شده است. نتایج شبیه­سازی‌ها نشان می­دهد که STKF تطبیقی نسبت به EKF تطبیقی در ردیابی برداری از دقت بالاتری برخوردار بوده و همچنین درصورتی­که پارامترهای STKF به­درستی تنظیم شوند، پیچیدگی محاسباتی ردیابی برداری پیشنهادی کمتر از روش مرسوم خواهد بود. همچنین، نتایج نشان می­دهد که در ردیابی برداری مبتنی بر STKF تطبیقی نسبت به ردیابی برداری مرسوم، خطای اندازه‌گیری فرکانس حامل، خطای اندازه­گیری موقعیت و سرعت به مقدار قابل توجهی کاهش یافته است.

کلیدواژه‌ها


[1]     M. R. Mosavi, M. Moazedi, M. J. Rezaei, and A. Tabatabaei, “Interference Mitigation in GPS Receivers,” Iran University of Science & Technology, 2015. (in persian)

[2]     E. Shafiee, M. R. Mosavi, and M. Moazedi, “Detection of Spoofing Attack Based on Multi-Layer Neural Network in Single-Frequency GPS Receivers,” Journal of Electronical & Cyber Defence, vol. 3, no. 1, 2015. (in persian)

[3]     B. Parkinson, J. Spilker, P. Axelrad, and P. Enge, “Global Positioning System: Theory and Applications,” American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington DC, 1996.

[4]     T. Pany, R. Kaniuth, and B. Eissfeller, “Deep Integration of Navigation Solution and Signal Processing,” Proceedings of the 18th International Technical Meeting of the Satellite Division of The Institute of Navigation (ION GNSS), pp. 1095-1102, 2005.

[5]     T. Pany, R. Kaniuth, and B. Eissfeller, “Testing a Vector Delay/Frequency Lock Loop Implementation with the Ipex Software Receiver,” In Proceedings of GPS/GNSS Symposium, 2005.

[6]     T. Pany and B. Eissfeller, “Use of a Vector Delay Lock Loop Receiver for GNSS Signal Power Analysis in Bad Signal Conditions,” In IEEE/ION PLANS, pp. 893-903, 2006.

[7]     J. H. Won and B. Eissfeller, “Effectiveness Analysis of Vector-Tracking-Loop in Signal Fading Environment,” In Satellite Navigation Technologies and European Workshop on GNSS Signals and Signal Processing, pp. 1-6, 2010.

[8]     M. Lashley, D. M. Bevly, and J. Y. Hung, “A Valid Comparison of Vector and Scalar Tracking Loops,” In IEEE/Ion Plans, pp. 464-474, 2010.

[9]     S. Zhao and D. M. Akos, “An Open Source GPS/GNSS Vector Tracking Loop-Implementation, Filter Tuning, and Results,” In Ion Itm, pp. 1293-1305, 2011.

[10]  J. Liu, X. W.  Cui, and M. Q. Lu, “A Vector Tracking Loop based on ML Estimation in Dynamic Weak Signal Environments,” in Proc. CSNC, Guangzhou, China, pp.   629-643, 2012.

[11]  L. T. Hsu, P. D. Groves, and Sh. Sh. Jan, “Assessment of the Multipath Mitigation Effect of Vector Tracking in an Urban Environment,” Proceedings of the ION 2013 Pacific PNT Meeting, 2013.

[12]  S. Zhao, S. Hrbek, M. Lu, and D. Akos, “Deep Integration of GPSINS Based on a Software Defined                       Receiver- Implementation and Test Results,” Proceedings of the 27th Internatiional Meeting of the ION Satellite, 2014.

    [13]  Y. Ng and G. X. Gao, “Advanced Multi-Receiver Vector Tracking for Positioning a Land Vehicle,” Proceedings of the 28th Internatiional Meeting of the ION Satellite, 2015.

[14]  Y. Song and B. Lian, “Combined BDS and GPS Adaptive Vector Tracking Loop in Challenge Environment,” International Conference on China Satellite Navigation, pp. 557-570, 2016.

[15]  M. Cuntz, A. Konovaltsev, and M. Meurer, “Concepts, Development, and Validation of Multiantenna GNSS Receivers for Resilient Navigation,” IEEE Magazines on Proceedings, vol. 104, no. 6, pp. 1288-1301, 2016.

[16]  Zh. Su, X. Wang, Sh. Feng, H. Che, and J. Zhang, “Design of an Adaptive GPS Vector Tracking Loop With the Detection and Isolation of Contaminated Channels,” GPS Solutions, vol. 21, no. 2, pp. 701-713, 2016.

[17]  F. Li, R. Wu, and W. Wang, “The Anti-jamming Performance Analysis for Vector Tracking Loop,” International Conference on China Satellite Navigation, pp. 665-675, 2016.

[18]  A. Tabatabaei, M. R. Mosavi, H. S. Shahhoseini, and K. Borre, “Vectorized and Federated Software Receivers Combining GLONASS and GPS,” GPS Solutions, vol. 21, no. 3, pp. 1331-1339, 2017.

[19]  G. Liu, R. Zhang, M. Guo, and X. Cui, “Accuracy Comparison of GNSS Vector and Scalar Tracking Loop,” IEEE Conference on Navigation and Control, pp. 1346-1351, 2014.

[20]  M. Lashley and D. M. Bevly, “Analysis of Discriminator Based Vector Tracking Algorithms,” Proceedings of the Institute of Navigation (ION), San Diego, pp. 570-576, 2007.

[21]  D. W. Lim, H. W. Kang, S. L. Cho, S. J. Lee, and M. B. Heo, “Performance Evaluation of a GPS Receiver with VDFLL in Harsh Environments,” International Global Navigation Satellite Systems Society IGNSS Symposium, 2013.

[22]  D. J. Jwo, Z. M. Wen, and Y. C. Lee, “Vector Tracking Loop Assisted by the Neural Network for GPS Signal Blockage,” Applied Mathematical Modeling, vol. 39, no.19, pp. 5949-5968, 2015.

[23]  Y. Song and B. Lian, “Combined BDS and GPS Adaptive Vector Tracking Loop in Challenge Environment,” International Conference on China Satellite Navigation, pp. 557-570, 2016.

[24]  D. H. Zhou and P. M. Frank, “Strong Tracking Kalman Filtering of Nonlinear Time-Vvarying Stochastic Systems with Colored Noise: Application to Parameter Estimation and Empirical Robustness Analysis,” International Journal Control, vol. 65, no. 2, pp. 295-307, 1996.

[25]  D. J. Jwo and S. H. Wang, “Adaptive Fuzzy Strong Tracking Extended Kalman Filtering for GPS Navigation,” IEEE Sensors Journal, vol. 7, no. 3, pp. 778-789, 2007.

[26]  X. Chen, C. Shen, W-b Zhang, M. Tomizuka, Y. Xu, and K.     Chiu, “Novel Hybrid of Strong Tracking Kalman Filter and Wavelet Neural Network for GPS/INS during GPS Outages,” Measurement Journal, vol. 46, no. 10, pp.     3847-3854, 2013.