INS輔助GNSS高動(dòng)態(tài)捕獲跟蹤技術(shù)研究

馬國(guó)駒，蔚保國(guó)，賈瑞才，智奇楠

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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INS輔助GNSS高動(dòng)態(tài)捕獲跟蹤技術(shù)研究

馬國(guó)駒，蔚保國(guó)，賈瑞才，智奇楠

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要在高動(dòng)態(tài)的環(huán)境下，由于載體的運(yùn)動(dòng)速度及加速度非常大，衛(wèi)星與載體之間的相對(duì)Dopple很大，超出了常規(guī)全球衛(wèi)星導(dǎo)航(GNSS)收機(jī)的捕獲搜索范圍與跟蹤門(mén)限，因此會(huì)造成搜索不到衛(wèi)星或失鎖。針對(duì)這一問(wèn)題開(kāi)展了利用慣導(dǎo)測(cè)量系統(tǒng)(INS)輔助GNSS接收機(jī)捕獲與跟蹤技術(shù)研究，GNSS接收機(jī)利用INS提供載體的速度、加速度和位置參數(shù)，預(yù)測(cè)載體的多普勒(Dopple)頻移，結(jié)合接收機(jī)的星歷及環(huán)路信息，共同調(diào)節(jié)環(huán)路中的NCO，及時(shí)重新設(shè)定環(huán)路搜索中心頻率，從而解決了高動(dòng)態(tài)引起大的Dopple頻移這一問(wèn)題。仿真結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)的接收機(jī)，通過(guò)INS輔助的GNSS接收機(jī)可以在超高動(dòng)態(tài)模擬環(huán)境下，加速度100 g和速度為4 000 m/s時(shí)仍可以快速捕獲及穩(wěn)定跟蹤信號(hào)。

關(guān)鍵詞高動(dòng)態(tài)環(huán)境；信號(hào)捕獲；INS輔助；穩(wěn)定跟蹤；載波多普勒

INS-aided High Dynamic GNSS Rapid Acquisition and Stable Tracking

MA Guo-ju,YU Bao-guo,JIA Rui-cai,ZHI Qi-nan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn high dynamic environment,due to the high speed and acceleration of carrier,the relative Doppler between satellite and carrier is so great that it is beyond the conventional GNSS acquisition searching scope and tracking limit,and results in losing lock.To solve this problem,it is proposed in this paper to use INS-aided GNSS receiver acquisition and tracking.GNSS receiver uses the motion speed,acceleration and location parameters provided by INS plus the information of satellite and loop to calculate the carrier’s Doppler frequency,which adjusts the NCO and resets the center searching frequency,thus the Doppler shift caused by high dynamic is solved.Simulation result indicates that compared with traditional receiver,the INS-aided receiver can realize rapid acquisition and steady tracking of signal in ultrahigh dynamic environment with acceleration of 100g and speed of 4000m/s.

Key wordshigh dynamic environment;signal acquisition;INS-aided;stable tracking;carrier Doppler

0引言

隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展，高速、超高速運(yùn)動(dòng)的載體應(yīng)用越來(lái)越普遍，比如火箭、航天飛機(jī)和導(dǎo)彈等日益增多，由于載體的運(yùn)動(dòng)速度、加速度非常大，會(huì)造成很大的頻率和碼相位的多普勒頻移，常常會(huì)超出普通接收機(jī)的搜索范圍，因而不能正常工作。

在高動(dòng)態(tài)的環(huán)境下，接收機(jī)為了可以很好地捕獲與跟蹤信號(hào)，常常增大頻率搜索的范圍與環(huán)路的帶寬。一般接收機(jī)的頻率搜索范圍在±10 kHz,高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，多普勒頻移甚至?xí)_(dá)到40 kHz,如果增大搜索范圍，這會(huì)大大增加GNSS接收機(jī)的捕獲時(shí)間，即使多普勒頻移在搜索的范圍之內(nèi)，由碼相位引起的多普勒頻移，在相干積分的損耗會(huì)大大減小捕獲與跟蹤的靈敏度。如果增大跟蹤環(huán)路的帶寬，這樣又引入了更多的噪聲，反而會(huì)降低環(huán)路的性能。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出利用INS輔助GNSS接收機(jī)捕獲與跟蹤的方法，既不用增大頻率搜索范圍，也不用增大環(huán)路的帶寬，并且可以在超高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，快速捕獲與穩(wěn)定跟蹤信號(hào)[1]。

1INS 輔助GNSS接收機(jī)的原理

INS輔助GNSS接收機(jī)的原理框圖如圖1所示。INS系統(tǒng)提供載體運(yùn)動(dòng)的位置、速度和加速度，結(jié)合衛(wèi)星星歷提供衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)的速度、加速度，從而可以計(jì)算出二者之間的多普勒頻移，即Δf，加上載波/碼環(huán)路濾波器的輸出量來(lái)調(diào)節(jié)接收機(jī)環(huán)路[2]，本文采用載波環(huán)輔助碼環(huán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，INS與載波環(huán)可以抵消掉碼環(huán)所受到的幾乎所有的動(dòng)態(tài)應(yīng)力。因此，在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，不用增大環(huán)路的帶寬和頻率搜索范圍，就可以快速地捕獲與跟蹤信號(hào)。以原頻率搜索中心加上計(jì)算所得到得多普勒頻移，一起調(diào)節(jié)載波NCO,找到新的搜索頻率中心，由于INS 估算出來(lái)的速度、加速度多普勒頻移等比較精確。因此，在很小的頻率搜索范圍內(nèi)搜索，就可以捕獲信號(hào)，大大減小捕獲時(shí)間，同時(shí)根據(jù)載波環(huán)輔助碼環(huán)[3]，可以估算出碼相位的多普勒，減小相干積分所造成的損耗，提高跟蹤靈敏度。

圖1　INS輔助GNSS接收機(jī)的原理

2 INS輔助GNSS信號(hào)的捕獲

INS輔助信號(hào)的捕獲主要分為粗捕獲與精捕獲2個(gè)部分。捕獲就是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行展開(kāi)搜索的過(guò)程，進(jìn)行匹配，二維搜索方式如圖2所示。

圖2　二維搜索方式

粗捕獲采用基于快速傅里葉變換的循環(huán)相關(guān)捕獲方法，INS和衛(wèi)星星歷共同預(yù)測(cè)多普勒信息，提高接收機(jī)搜索性能，從而減小頻率搜索范圍，達(dá)到快速捕獲信號(hào)的目的[4]。

在粗捕獲階段，INS結(jié)合星歷，提供載體與衛(wèi)星的速度、加速度，從而可以計(jì)算出多普勒頻移Δf,將計(jì)算的頻移量反饋到載波NCO中，共同調(diào)節(jié)本地載波頻率中心值。為了更好地利用INS提供的頻移估計(jì)量，應(yīng)該將INS與接收機(jī)信息融合應(yīng)該放在捕獲流程靠前的位置。設(shè)GPS信號(hào)在L1 波段的載波波長(zhǎng)為λL1，頻率為fL1，載體的運(yùn)動(dòng)速度V2，衛(wèi)星速度為V1，衛(wèi)星載體單位視線矢量為e，由于載體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的多普勒頻移估計(jì)值和本地載波fc的估計(jì)值分別為：

(1)

fc=fL1+Δf。

(2)

通過(guò)INS 輸出的慣性速度信息可以估算出載體的速度V2;通過(guò)歷書(shū)解算得到衛(wèi)星的速度V1;利用INS結(jié)合星歷提供的衛(wèi)星位置信息，可以計(jì)算出載體和衛(wèi)星視線方向的矢量e，結(jié)合式(1)和式(2)可以準(zhǔn)確地估算出載波中心頻率，因此大大地減小頻率搜索范圍，到達(dá)快速捕獲的目的。

在粗捕獲情況下，搜索頻格的每個(gè)搜索范圍比較大，如果選用Tcoh=1 ms的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)，鎖頻環(huán)以

(3)

為鑒頻器時(shí)，它的頻率簽入范圍寬為1/Tcoh，相應(yīng)的頻率牽入范圍為±500 Hz。這對(duì)于跟蹤環(huán)路來(lái)說(shuō)太粗糙，它工作帶寬一般為幾Hz或十幾Hz，因此就必須對(duì)得到的頻率進(jìn)行精細(xì)處理，使其滿足跟蹤環(huán)路帶寬的需求。如果相位正確的C/A碼與輸入信號(hào)相乘，那么輸入信號(hào)就變?yōu)橐粋€(gè)連續(xù)的信號(hào)。假設(shè)在N時(shí)刻，找到了1 ms電文中的最高頻率分量為xN(k)，在距離這N時(shí)刻之后很短的時(shí)間間隔T時(shí)刻，又出現(xiàn)一個(gè)頻率很強(qiáng)的分量xN+T(k)，一般可以通過(guò)相位的方法來(lái)得到滿足跟蹤環(huán)路需求的精細(xì)頻率，可以通過(guò)DFT計(jì)算出xN(k)的初始相位θN(k)為 :

(4)

式中，Im和Re分別表示虛部和實(shí)部，那么同樣的T時(shí)刻之后的xN+T(k)的初始相位θN+T(k)為：

(5)

用這2個(gè)相位可以計(jì)算出精細(xì)頻率為：

(6)

那么此時(shí)的載波頻率為:

fT=f+f′。

(7)

再次計(jì)算所得的頻率估計(jì)值fT就非常準(zhǔn)確，可以滿足后面跟蹤過(guò)程所需的頻率要求。

3INS輔助GNSS信號(hào)的跟蹤

INS輔助GNSS的跟蹤環(huán)路核心就是對(duì)接收機(jī)鎖相環(huán)多普勒頻移估計(jì)的輔助，INS 的更新速率特別快，導(dǎo)航解算速率一般比接收機(jī)高1個(gè)或2個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)于沒(méi)有INS 輔助的接收機(jī)環(huán)路，反饋校正量是從鑒相器中I、Q支路測(cè)量中產(chǎn)生，通過(guò)壓控振蕩器調(diào)節(jié)本地載波相位變化，隨著載體動(dòng)態(tài)的變大，I、Q支路產(chǎn)生的相位差可能會(huì)超過(guò)鑒相器的工作范圍，從而造成鎖相環(huán)失鎖，接收機(jī)不能正常工作。INS 輔助的跟蹤環(huán)路，反饋校正量可以同時(shí)從環(huán)路和INS中獲得，INS能夠提供速度信息，抵消掉跟蹤環(huán)中大部分的動(dòng)態(tài)，因此接收機(jī)在不增大環(huán)路帶寬的情況下，可以穩(wěn)定跟蹤信號(hào)。INS輔助的接收機(jī)PLL環(huán)數(shù)學(xué)模型[5]如圖3所示。

圖3　INS輔助的接收機(jī)PLL環(huán)數(shù)學(xué)模型

(8)

環(huán)路的誤差傳遞函數(shù)為：

(9)

如果衛(wèi)星相對(duì)載體做加速度運(yùn)動(dòng)，輸入信號(hào)的偽距為：

(10)

如果衛(wèi)星相對(duì)載體做加加速度運(yùn)動(dòng)，則輸入信號(hào)偽距為：

(11)

可以分別求出式(4)和式(5)的拉式變換θi(s)，將式(4)帶入到慣性速度輔助的穩(wěn)態(tài)誤差[8]函數(shù)eθ(s)中：

(12)

將式(5)帶入到其中得：

(13)

當(dāng)k值非常大的時(shí)候，穩(wěn)態(tài)誤差τ1/k≈0，因此INS輔助的GNSS跟蹤環(huán)路[9]對(duì)很大的加速度、速度不敏感，理論上無(wú)論載體的速度、加速度有多大，在不增大環(huán)路帶寬的情況下，系統(tǒng)都能穩(wěn)定地跟蹤。

4 仿真結(jié)果分析

本文采用衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)源模擬高動(dòng)態(tài)載體運(yùn)動(dòng)[10]，采用筆記本調(diào)試機(jī)進(jìn)行仿真，設(shè)置信號(hào)的載噪比為40 dB/Hz，直線運(yùn)動(dòng)速度最大為6 000 m/s,最大的加速度為100 g，頻率搜索范圍為±10 kHz,DLL的牽引帶寬為10 Hz，工作帶寬為2 Hz，PLL的牽引帶寬為10 Hz,工作帶寬為5 Hz。下面分別對(duì)傳統(tǒng)接收機(jī)與INS輔助的GNSS接收機(jī)進(jìn)行捕獲、跟蹤進(jìn)行仿真分析[11]。

圖4和圖5是對(duì)接收機(jī)的6個(gè)通道進(jìn)行捕獲，由于有INS預(yù)測(cè)出多普勒偏移，因此在很小的頻率搜索范圍內(nèi)搜索即可，無(wú)INS輔助的捕獲時(shí)間大約在0.2 s，有INS輔助的捕獲時(shí)間大約在0.019 s，性能提升約10倍。

圖4　無(wú)INS輔助GNSS(6個(gè)通道)捕獲時(shí)間

圖5　有INS輔助GNSS(6個(gè)通道)捕獲時(shí)間

7號(hào)星的I/Q值如圖6和圖7所示。

圖6　無(wú)INS輔助GNSS跟蹤(I/Q值，7號(hào)星)

圖7　INS輔助GNSS跟蹤(I/Q值，7號(hào)星)

在超高動(dòng)態(tài)環(huán)境下[12]，由于多普勒偏移過(guò)大，超過(guò)了環(huán)路的鑒相范圍，普通接收機(jī)不能對(duì)信號(hào)鎖定，I/Q比值大約在0.02左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于判決門(mén)限0.9，有INS輔助的I/Q值大約都在0.97左右，因此能夠穩(wěn)定跟蹤環(huán)路。

5結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)INS估算的加速度、速度觀測(cè)量計(jì)算多普勒偏移，來(lái)輔助載波環(huán)。本文通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，分析對(duì)比了在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下有無(wú)INS輔助接收機(jī)在信號(hào)捕獲、跟蹤這2個(gè)方面的性能，從時(shí)間和穩(wěn)定性2個(gè)方面驗(yàn)證了INS輔助GNSS接收機(jī)快速捕獲與穩(wěn)定跟蹤的可行性。通過(guò)仿真可知，有INS輔助要比沒(méi)有INS輔助在捕獲時(shí)間上縮短了10倍，對(duì)于載體的超高動(dòng)態(tài)，通過(guò)INS輔助可以穩(wěn)定跟蹤信號(hào)，沒(méi)有輔助的不能跟蹤，對(duì)以后的工程應(yīng)用有重要的實(shí)際指導(dǎo)意義。

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馬國(guó)駒男，(1991—)，在讀碩士。主要研究方向：INS/GNSS組合導(dǎo)航深耦合接收機(jī)。

蔚保國(guó)男，(1966—)，研究員，博士生導(dǎo)師。主要研究方向：GNSS信號(hào)處理與評(píng)估。

作者簡(jiǎn)介

中圖分類(lèi)號(hào)TN967

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2016)02-0023-04

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA124001，2013AA12A206)。

收稿日期：2015-11-10

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.06

引用格式：馬國(guó)駒，蔚保國(guó)，賈瑞才，等.INS輔助GNSS高動(dòng)態(tài)捕獲跟蹤技術(shù)研究[J].無(wú)線電工程,2016,46(2):23-26.