周泓伯，孫　旭，葉紅軍

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；

2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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組合導航裝備性能評估技術研究

周泓伯1，孫旭1，葉紅軍2

(1.北京跟蹤與通信技術研究所，北京 100094；

2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要組合導航具有高精度抗干擾的特點使其應用領域不斷拓展，但由于其結合了衛星導航和慣性導航2類技術體制，傳統單一測試手段難以對其進行科學全面的測試評估，需要針對組合導航技術的特點進行針對性的研究。據此，通過對組合導航機理的分析，提出了能夠對組合導航進行兼容測試評估的方法，探索設計了基于模擬器的組合導航測試評估系統并進行了仿真驗證。對實驗模擬系統基本架構進行分析，利用該系統進行仿真實驗,實驗結果表明，本模擬器能夠對模擬的加速度50 g、速度8 km/s的高動態載體性能進行很好的評估，與實際測試相比相差無幾，該模擬系統可對組合導航終端的測試提供參考價值。

關鍵詞組合導航；信號模擬器；測試評估；衛星導航

Study on Performance Evaluation Technology for

Integrated Navigation Equipment

ZHOU Hong-bo1,SUN Xu1,YE Hong-jun2

(1.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationTechnology,Beijing100094,China;

2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe application domain of GNSS/INS integrated navigation system is continuously expanded due to its high-precision anti-interference.As it combines such two navigation systems as satellite navigation and inertial navigation,it is difficult to implement test and evaluation by using traditional single test methods,and it is required to perform the corresponding research for integrated navigation technology.By analyzing integrated navigation mechanism,this paper proposes a compatible test and evaluation method for integrated navigation,and designs an integrated navigation test and evaluation system based on simulator for simulation and verification.The basic framework of simulation system is analyzed.This paper uses this system for simulation experiment.The results show that this simulator can simulate high-speed carrier with acceleration of 50 g and velocity of 8 km/s.This system can evaluate carrier’s performance and the result is similar with that of practical test.Therefore the simulation system has referential value for integrated navigation terminal test.

Key wordsGNSS/INS integrated navigation;signal simulator;test and evaluation;satellite navigation

0引言

目前，在精確制導裝備中基于衛星導航和慣性導航的組合導航應用日益廣泛，其融合了衛星導航長時間高精度和慣導不受信號環境影響的特點，有效地提高了導航裝備的精度、抗干擾性能和可靠性，并且伴隨技術的不斷發展，組合導航的處理也從松組合發展到緊深組合，但對組合導航的性能評估研究尚不夠深入，沒有形成統一的標準[1]。

傳統的無線電跟蹤測量系統難以滿足組合導航高動態、高精度和低成本的性能測試需求，測量誤差往往過大；每次都進行實際場景測試，又花費大量的時間、財力，并且效率比較低，因此需要研究建立與技術體制相適應的測試手段。本文通過對衛星導航模擬器進行改進，通過數學仿真模型，建立精確的誤差模型，并且將實際環境中可能產生的誤差加載其中，然后將模擬生成仿真軌跡加載到衛星導航模擬器中，對載體上的INS/GNSS組合導航性能進行測試，尤其是高動態環境下載體運動，為這一領域的測試提供了一個新的思路。

1緊深組合導航技術機理

組合導航將衛星導航和慣性導航2種方式進行結合實現組合導航，將二者的信息進行融合，利用衛星導航的高精度觀測數據適時對慣導的數據進行校正，同時用慣導的數據輔助衛星導航的捕獲跟蹤，達到既提高裝備導航定位精度又增強了衛星導航接收機抗干擾能力的目的，起到優勢互補的作用。

按照組合方式的不同，組合導航可分為松組合、緊組合和深組合3種，其中松組合處理方式衛星導航和慣性導航相對獨立且比較成熟，目前研究較多的是緊組合和深組合，對其測試評估需要從其機理進行研究分析。緊深組合導航的原理如圖1和圖2所示。

圖1　緊組合導航原理

圖2　深組合導航原理

緊組合方式根據衛星導航接收機收到的星歷信息和慣導輸出的位置和速度信息，計算得到相應于慣導位置的偽距、偽距率，并將其與衛星導航接收機測量得到的偽距和偽距速率相比較，它們的差值作為組合系統的觀測量[2,3]。通過卡爾曼濾波對慣導的誤差和衛星導航接收機的誤差進行最優估計，然后對衛星導航進行輸出或者反饋校正。由于不存在濾波器的級聯，觀測信息不相關，并可對衛星導航接收機的測距誤差進行建模，因此這種偽距、偽距率組合方式比位置、速度組合具有更高的組合精度。

深組合相對于緊組合是更復雜的組合方式，深組合除了需要完成緊組合方式處理工作以外，還可將慣導的量測信息反饋給接收機，或直接利用慣導量測信息輔助衛星導航的碼跟蹤環和載波跟蹤環，從而使接收機不僅從信道中，還可從慣導信息中校正多普勒頻移導致的誤差，降低了接收機沿信號傳播方向的動態，增強接收機對信號的跟蹤鎖定能力，從而提高組合系統整體的魯棒性、跟蹤能力和導航精度。由于深組合是一個較新的概念，有學者將深組合方式定義為從衛星定位信息中更新到卡爾曼濾波器使用的是中頻處理中的同向信號或正交信號的采樣值，而在實際用中普遍認為，只要慣導能夠輔助衛星信號的跟蹤和捕獲，就將二者之間的組合方式認為是深組合[4,5]。

由上述分析可知,通過組合處理的方式，接收機的抗干擾能力得到了一定的提升，深組合的抗干擾能力是最強的。

2組合導航性能測試評估內容及方法分析

組合導航測試評估內容是進行組合導航測試評估系統設計的依據。由對組合導航的機理分析可以看出，不同組合處理方式對應的性能評估內容也有所不同，與單純對衛星導航接收機進行測試不同的是，還需要把對慣導的評估特別是協同處理下的評估包括在內，其涉及的典型內容如下[6]：

① 載噪比(C/N0)：一般可通過信噪比(S/N)來表征接收機接收到的信號質量。但由于噪聲功率N與帶寬成正比，且衛星導航接收機的延遲鎖定環(DLL)、載波跟蹤環(PLL)和數據鑒別器的帶寬均不相同。因此可將信噪比歸一化到1 Hz 的帶寬上，用信號與噪聲功率密度比C/N0來表征到達接收機內部的信號質量[7]；

② 定位測速精度：無論采用何種組合處理方式，最終目的都是要獲得高的導航定位測速精度，因此導航定位測速精度是其綜合評估目標；

③ 跟蹤靈敏度：表征終端在捕獲信號后，能夠保持穩定輸出并符合定位精度要求的最小信號電平，決定了終端的應用場景范圍。

對組合導航終端性能進行測試評估一般可采用內場模擬仿真測試和外場實際情況測試2種方法。由于實際實驗場景構建復雜、成本高和不方便，因此大量前期測試可通過模擬仿真進行[8,9]，內場模擬仿真測試是采用數學仿真建模的方式實現導航信號模擬和慣導信息的同步仿真，外場實際情況測試是在外場環境條件下，通過實際的動態測試來完成。一般測試評估采用兩者相結合的方式實現定量極限指標以及實際典型場景下指標的測試，最終可對組合導航裝備的綜合性能做出置信度較高的評估。組合導航模擬器具備衛星導航和慣性導航協同仿真的能力，是組合導航裝備進行模擬測試的核心。

3組合導航性能模擬測試系統體系結構

通過對衛星導航裝備導航性能測試評估的分析并結合國外先進測試系統的設計理念，將組合導航測試系統分為內場和外場2個測試環境。內場測試環境主要基于各類模擬器面向特定的性能測試，外場測試環境則提供真實的測試評估環境開展實際效果評估，其中內場測試環境以組合模擬器作為整個模擬測試系統核心，主要完成性能的測試評估，應具備以下功能：

① 具備衛星導航信號模擬能力，能夠真實模擬空間導航星座分布與用戶載體動態；

② 具備慣導模擬仿真能力，能夠與衛星模擬器同步模擬用戶軌跡。

組合導航模擬仿真在完成衛星導航信號模擬和慣性導航數據模擬的基礎上，同時還需要保證二者時間空間坐標的統一。按照功能劃分，整個組合導航模擬仿真系統包括組合導航仿真和誤差分析，其組成如圖3所示。

圖3　組合導航模擬仿真系統組成

用戶控制配置模塊主要包括仿真時間控制、用戶軌跡配置、衛星導航星座設置以及空間傳播誤差控制等。衛星導航仿真模塊包括星座仿真、環境仿真、天線仿真、異常現象仿真以及載體運動軌跡仿真(靜態、航空飛行器、陸地車輛和彈道導彈)等。慣導仿真模塊包括陀螺輸出仿真、加速度計輸出仿真等。

由于衛星導航信號模擬仿真生成技術已較為成熟，因此不再詳述。

4組合導航模擬仿真技術研究

4.1復雜運動軌跡模擬仿真生成

由于衛星導航信號仿真技術將載體及其衛星導航天線相心作為一個質點，因此僅僅考慮了信號的生成與載體的空間軌跡參數。而實際情況下，載體姿態變化會使得衛星導航接收機天線對空間的覆蓋特性發生變化，導致部分或全部衛星信號減弱甚至中斷[5]。因此，與傳統衛星導航模擬仿真相比，必須在仿真中模擬載體姿態變化對衛星導航信號的影響。

(1)

式中，φ、λ和h分別為經度、緯度和高度；φ′、λ′和h′分別為各自的變化率；a為設置的常數；cos(ωt)為軌跡變化狀態。

② 計算經緯度的導數：

(2)

③ 計算經緯度的二階導數：

(3)

④ 計算在地球系下的軌跡及速度加速度。

⑥ 計算導航系下的速度、導航系相對于地球系的角速度、考慮哥氏加速度后的導航系下的線加速度。

⑦ 計算導航系下載體姿態變化。

圣家堂和我以往看到的大教堂不一樣，它在莊嚴肅穆中透著靈動詭異，在雄偉壯麗中透著細膩柔美，好像一幅矛盾又和諧的畫徐徐展現在你的面前，讓你見之不忘，不得不折服于高迪的想象力和感悟力。整個教堂長95米，寬60米，尖塔18座，塔高170米，有三個風格迥異的立面。東面是圣誕立面，描繪了上帝之子耶穌誕生時眾神相互慶祝的場面，雕刻精致，最上面用站滿鴿子的樹代表“和平”。在它的西面，則描繪了耶穌即將被賜死之前的猶大之吻，以及耶穌被吊在十字架上的悲哀場面。東西兩個立面渲染的氣氛完全不同，建筑雕刻手法也并不相同。而第三個立面還在建造中。

4.2慣導運動數據輸出計算

① 加速度計模型[11]：

(4)

則

② 陀螺儀模型:

(5)

③ 計算仿真輸出。

通過加速度計和陀螺儀模型得到的是加速度計和陀螺儀在仿真條件下的理想輸出。要達到真實的效果，完整的傳感器模型還可以附加上隨機誤差量(隨機常值誤差、白噪聲誤差)和刻度因子等信息，作為導航解算的原始輸入數據。為了簡化起見，在仿真過程中，僅考慮主要誤差：陀螺儀隨時間漂移誤差和加速度計隨機誤差。

陀螺儀漂移為[12]:

ε=εb+εr+ωg。

(6)

式中，εb為隨機常數；εr為一階馬爾柯夫過程；ωg為白噪聲。

加速度計誤差:

(7)

式中，Ta為相關時間；wa為白噪聲。

4.3仿真結果

基于上述算法模擬仿真了載體運動軌跡以及相應情況下的慣導輸出數據，具體說明如下：

① 依據設置生成軌跡：靜止5s，50g加速度飛行16s，20°/s俯仰角速率調整俯仰角至-50°，勻速飛行1s，20°/s角速率調整俯仰角至0°，勻速飛行2s，20°/s角速率調整俯仰角至-50°，勻速飛行2.5s，仿真得到的軌跡如圖4所示。

圖4　仿真的載體運動軌跡

② 依據仿真軌跡生成相應情況下的慣導與衛星導航數據。參數設置情況：陀螺零偏0.01°/h，加速度計零偏10ug，采樣率200Hz，如圖5所示；衛星導航信號頻點為GPSL1的C/A碼信號，中頻采樣率5MHz，載噪比51dB。

由圖5可知，載體拐彎時向心加速度為273g，直線加速度為50g，最大飛行速度近8km/s，最大飛行高度超過85km。

圖5　陀螺與加速度計仿真值

4.4仿真測試驗證

應用上述仿真數據，比較組合導航的慣導輔助捕獲與常規捕獲結果。常規捕獲時，頻率搜索范圍±5kHz，500Hz搜索步長，1ms碼搜索，0.25碼片搜索步長，慣導輔助捕獲時，設置慣導與衛星視向速度誤差2m/s，頻率搜索步長500Hz，碼搜索步長0.25碼片，時間1ms。6顆衛星的捕獲跟蹤情況如表1所示。

表1　衛星捕獲跟蹤時間對比情況

通過實驗可知慣導輔助情況下頻率搜索范圍為±500 Hz,且還可以壓縮至更小，而常規搜索范圍為±5 kHz；由捕獲時間比較可知，慣導輔助情況下捕獲時間是常規捕獲時間的0.1倍，捕獲效率更高，與理論分析一致，證明了組合導航仿真設計的正確性。

5結束語

通過對組合導航裝備測試的需求分析可以看出，組合導航模擬仿真在組合導航裝備的研制、試驗、評估過程中起著非常重要的作用以及對組合導航測試關鍵技術的分析研究以及對載體運動模型的建立，分析了慣導數據以及載體軌跡的仿真方法，并對涉及的組合導航仿真關鍵技術進行了初步分析和驗證，對指導組合導航測試具有一定的參考價值。

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周泓伯女，(1989—)，工程師。主要研究方向：通信對抗、導航對抗。

孫旭男，(1974—)，高級工程師。主要研究方向：通信對抗、導航對抗。

作者簡介

基金項目：國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA124001)。

收稿日期：2015-09-23

中圖分類號TP391.4

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2015)12-0040-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.11

引用格式：周泓伯，孫旭，葉紅軍.組合導航裝備性能評估技術研究[J].無線電工程,2015,45(12):40-43，76.