GPS/INS深組合技術(shù)及其應(yīng)用*

周坤芳　任卓誼

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院　廣州　510430)

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GPS/INS深組合技術(shù)及其應(yīng)用*

周坤芳任卓誼

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院廣州510430)

摘要分析GPS/INS深組合結(jié)構(gòu),研究INS信息輔助GPS接收機(jī)基帶環(huán)路技術(shù),仿真研究GPS/INS深組合模式特性,其具有提高接收機(jī)動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力、抗干擾能力、偽距測(cè)量精度等特性,拓展了衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用范圍。隨著BDS具備亞太區(qū)域?qū)Ш侥芰?鑒借GPS/INS深組合技術(shù),分析BDS/INS深組合中的若干技術(shù)問(wèn)題,以供相關(guān)人士研究參考。

關(guān)鍵詞GPS/INS深組合; 組合特性; 組合技術(shù); BDS/INS組合應(yīng)用

Application of Modular Technology of Tightly-coupled GPS/INS

ZHOU KunfangREN Zhuoyi

(Naval Academy of Arms Command, Guangzhou510430)

AbstractIt analyzes tightly coupled GPS/INS model portfolio composition, researches the GPS signal acquisition and tracking technologies with INS, simulation research tightly coupled GPS/INS mix of features. It has high anti-interference capability, high-precision measurement of pseudo-range and high capacity of navigation and positioning. It broadens application of satellite navigation. With application of the BDS system, learning from technology tight coupling of GPS/INS, it explores deep BDS/INS portfolio in several key technical issues related to the purpose for the navigation system in the development of reference.

Key Wordstightly-coupled GPS/INS, modular characeristics, modular technology, application of tightly-coupled BDS/INS

Class NumberU666

1引言

隨著導(dǎo)航技術(shù)在航空航天等軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)準(zhǔn)確性和可靠性的要求也越來(lái)越高,任何單一的導(dǎo)航形式有著各自的獨(dú)特性和局限性,已經(jīng)不能完全滿足系統(tǒng)導(dǎo)航需求,不同導(dǎo)航系統(tǒng)組合,多信息源互相補(bǔ)充,可以達(dá)到更好的導(dǎo)航效果。GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng),特別GPS/INS深組合被認(rèn)為是目前組合導(dǎo)航領(lǐng)域較為理想的一種組合方式[1～3]。

2GPS/INS深組合結(jié)構(gòu)[1,3～4]

GPS/INS組合一般分為三種:松組合、緊組合和深組合。松組合和緊組合是一種軟件形式的組合,分別將GPS輸出的位置、速度信息和偽距、偽距率信息同INS解算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)融合,利用卡爾曼濾波器產(chǎn)生各導(dǎo)航參數(shù)的誤差修正量,通過(guò)輸出或反饋校正INS,達(dá)到改善INS精度的目的。深組合是將GPS/INS進(jìn)行軟硬件一體化設(shè)計(jì),將GPS接收機(jī)基帶、導(dǎo)航解算與INS的導(dǎo)航解算進(jìn)行整體化設(shè)計(jì),利用GPS接收機(jī)的輸出信息去輔助INS的同時(shí),將短時(shí)高精度的INS速度、加速度信息,提供給接收機(jī)的基帶環(huán)路,為GPS接收機(jī)的信號(hào)捕獲、跟蹤提供輔助,提高接收機(jī)的靈敏度、消除環(huán)路的動(dòng)態(tài)特性影響、減小多路徑效應(yīng),提高組合導(dǎo)航的定位精度。GPS/INS深組合方式在高動(dòng)態(tài)、強(qiáng)干擾、多路徑效應(yīng)嚴(yán)重等多種惡劣環(huán)境中仍然能夠體現(xiàn)較為優(yōu)異的性能,它是組合發(fā)展的一個(gè)重要方向,如圖1所示。

圖1　深組合GPS/INS組成方框圖

3GPS/INS深組合技術(shù)

GPS/INS深組合主要是將慣性信息引入GPS接收機(jī)的基帶環(huán)路,輔助衛(wèi)星信號(hào)的捕獲與跟蹤,以提高接收機(jī)導(dǎo)航性能。

3.1慣性輔助GPS捕獲技術(shù)

慣性輔助捕獲主要針對(duì)解決GPS信號(hào)的快速捕獲和失鎖重捕兩方面問(wèn)題,旨在縮小搜索范圍,加快捕獲速度,提高接收機(jī)的捕獲性能[4～5]。通過(guò)慣性測(cè)量的載體速度、姿態(tài)信息,經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換計(jì)算得到粗略的多普勒頻移和碼相位估計(jì),可以減少信號(hào)二維搜索的空間,減小捕獲時(shí)間,并利用坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后的載體加速度信息為相干積分時(shí)間提供頻率誤差和碼相位誤差修正,使得捕獲時(shí)的相干積分時(shí)間可以盡量長(zhǎng),提高捕獲的靈敏度。

在慣性輔助下的GPS接收機(jī)中,載波信號(hào)多普勒頻率[4,6]:

(1)

利用慣性導(dǎo)航解算得到當(dāng)前歷元時(shí)刻載體位置和速度信息,結(jié)合衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算得到衛(wèi)星的位置、速度信息,計(jì)算得到載體至衛(wèi)星視線方向的單位矢量和偽距信息,從而得到視線方向上的多普勒頻移和碼相位偏移,以此作為搜索范圍的中心,并根據(jù)慣性解算位置和速度信息的不確定度來(lái)設(shè)定搜索范圍,控制本地碼/載波數(shù)控振蕩器在此范圍內(nèi)進(jìn)行搜索,從而縮短GPS接收機(jī)信號(hào)捕獲的時(shí)間,提高GPS信號(hào)捕獲的性能。

在接收機(jī)對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲過(guò)程中,利用慣性提供的載體位置信息結(jié)合獲得的GPS歷書數(shù)據(jù),幫助獲得可視衛(wèi)星狀況。若受到阻礙物遮擋或過(guò)大的動(dòng)態(tài)應(yīng)力出現(xiàn)信號(hào)失鎖時(shí),運(yùn)用慣性輔助信息計(jì)算出多普勒頻率和碼相位的變化情況,重新設(shè)定搜索中心頻率,提高預(yù)測(cè)的精確度,縮小搜索范圍,提高重捕速度。

3.2慣性輔助GPS跟蹤技術(shù)

GPS接收機(jī)通過(guò)載波輔助碼跟蹤延遲鎖相環(huán)(DLL),使得碼跟蹤環(huán)相對(duì)于載波跟蹤環(huán)更加穩(wěn)定,通常慣性輔助GPS載波跟蹤環(huán)[5～6]。利用慣性導(dǎo)航解算出的位置、速度信息和GPS星歷數(shù)據(jù)解算得到的衛(wèi)星位置和速度信息,計(jì)算并預(yù)測(cè)載體至衛(wèi)星視線方向上的多普勒頻移信息,與載波環(huán)的環(huán)路濾波器輸出值相加,將結(jié)果反饋至載波NCO中,控制載波頻率的輸出,使載波維持在鎖定狀態(tài),再對(duì)其跟蹤結(jié)果進(jìn)行碼跟蹤。

在慣性輔助下,本地同相、正交信號(hào)可表示[5]:

cos(tn)=cos[2π(fIF+fdopp)tn+φPLL(tn)]

sin(tn)=sin[2π(fIF+fdopp)tn+φPLL(tn)]

(2)

式中:fdopp表示INS估計(jì)的多普勒頻移,可通過(guò)式(1)進(jìn)行計(jì)算。

本地產(chǎn)生的同相、正交載波信號(hào)分別與GPS中頻信號(hào)相乘,實(shí)現(xiàn)載波剝離功能;根據(jù)環(huán)路濾波器輸出的頻率誤差和慣性估計(jì)的多普勒偏差,不斷調(diào)整復(fù)現(xiàn)本地信號(hào)的參數(shù),實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)載波NCO,以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入GPS信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤。

4GPS/INS深組合特性

通過(guò)慣性輔助信息,改變信號(hào)動(dòng)態(tài)特性及接收信號(hào)的信噪比,改進(jìn)跟蹤回路能力,提高接收機(jī)動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力、弱信號(hào)檢測(cè)能力、抗干擾能力、偽距測(cè)量精度等。

4.1提高接收機(jī)動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力

慣性輔助下GPS接收機(jī),載波環(huán)路跟蹤誤差、信號(hào)信噪比及慣性的性能指標(biāo)關(guān)系[6]:

(3)

式中:c/n0為噪聲功率密度比,T為預(yù)檢積分時(shí)間,Bn為環(huán)路等效噪聲帶寬,λL為載波長(zhǎng),α=Bn/ωn,ωn為環(huán)路自然頻率,ΔfINS表示多普勒誤差。

通過(guò)慣性測(cè)量多普勒誤差,并引入到接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路,使得接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能取決于慣性性能,從而消除來(lái)自跟蹤環(huán)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力,動(dòng)態(tài)引起接收機(jī)跟蹤誤差取決于外部慣性元器件質(zhì)量。慣性加速度計(jì)通常能感測(cè)高達(dá)1.0kHz速率的速度變化,其導(dǎo)航解的輸出速率通常高于GPS接收機(jī)1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。在GPS/INS深組合中,高速率的慣性速度信息輔助,使接收機(jī)跟蹤環(huán)可以在窄噪聲帶寬上運(yùn)行,從而提高了接收機(jī)動(dòng)態(tài)適應(yīng)性。

4.2提高接收機(jī)弱信號(hào)檢測(cè)能力

通過(guò)多普勒頻移估計(jì)值為跟蹤環(huán)路提供頻率補(bǔ)償,對(duì)積分過(guò)程中的載波多普勒頻率進(jìn)行修正,使得多普勒頻移估計(jì)誤差為零,經(jīng)過(guò)積分的I、Q支路數(shù)據(jù)表示[5,7]:

(4)

在進(jìn)行預(yù)檢測(cè)積分的過(guò)程中,沒有多普勒頻率誤差的影響,I、Q將完全反映全部的信號(hào)功率,利用加長(zhǎng)預(yù)檢測(cè)積分時(shí)間將可以實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)能量的累積,通過(guò)提高信號(hào)處理增益來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)更弱信號(hào)的跟蹤。

4.3提高接收機(jī)抗干擾能力

通過(guò)慣性引入多普勒頻移,估計(jì)出載體的動(dòng)態(tài),消除跟蹤環(huán)路中的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差,加快載波環(huán)路的響應(yīng)速度,減小環(huán)路跟蹤誤差,在保證信號(hào)跟蹤的前提下,有效降低環(huán)路帶寬,提高接收機(jī)抗干擾能力。

干擾對(duì)GPS接收機(jī)的根本影響是降低C/N0,而C/N0的降低將直接影響GPS接收機(jī)的抗干擾能力,通常采用干信比(J/S)衡量GPS接收機(jī)的抗干擾能力[8]。

(5)

若采用典型的1海里/小時(shí)慣導(dǎo)的速度輔助,INS/GPS緊耦合模式,載波環(huán)帶寬Bn可從18Hz減小到2Hz,深組合模式,載波環(huán)帶寬Bn可減小到0.8Hz。當(dāng)把載波環(huán)帶寬降低到2Hz和0.8Hz,則CostalPLL跟蹤門限大約處于18.5dB-Hz的[C/N0]eq值和16.5dB-Hz上[8],則慣性輔助下接收機(jī)J/S與C/N0變化如圖2所示。

圖2　INS輔助下接收機(jī)J/S與C/N0關(guān)系

從圖2可以看出,無(wú)論對(duì)于窄帶干擾,還是寬帶干擾,GPS/INS深組合模式比緊耦合模式,接收機(jī)抗干擾能力提高4dB左右。

4.4提高接收機(jī)偽距測(cè)量精度

采用慣性輔助GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路消除動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差,降低碼延遲跟蹤環(huán)帶寬,改善接收機(jī)偽距測(cè)量精度。

以載波噪聲功率比(C/N0)為基礎(chǔ),偽距測(cè)量的方差公式如下[8]:

(6)

在實(shí)際工作過(guò)程中,由于C/N0的取值較BDLLBID大的多,所以BDLLBID8d3/(C/N0)2項(xiàng)近似為0,故式(6)可以簡(jiǎn)單化為

(7)

從式(7)可見,σpr是BDLL、C/N0的函數(shù)。

假設(shè)數(shù)字GPS接收機(jī)相關(guān)器的d=1/2,碼片長(zhǎng)度C/A碼為293.26m,P(Y)碼為29.326m,則不同C/N0下的GPS接收機(jī)偽距測(cè)量方差σpr、DLL噪聲帶寬BDLL關(guān)系如圖3所示。相同C/N0條件下,接收機(jī)偽距測(cè)量方差σpr隨著DLL噪聲帶寬BDLL的減小而減小。

圖3　接收機(jī)偽距測(cè)呈誤差σpr、載噪比C/N0及噪聲帶BDLL關(guān)系

采用深組合模式,DLL噪聲帶寬BDLL允許更窄。在相同的C/N0條件下,BDLL由2Hz降低到0.01Hz,偽距測(cè)量精度提高大約9倍。

5BDS/INS深組合應(yīng)用中若干技術(shù)問(wèn)題

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)已經(jīng)正式具備了亞太

區(qū)域?qū)Ш侥芰?通過(guò)GPS/INS深組合技術(shù)的研究,將深組合相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于INS與BDS的組合,拓展BDS的應(yīng)用范圍,提高BDS的應(yīng)用能力[1,4,8～10]。

5.1深組合方案

深組合模式涉及到接收機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的編排,甚至重新設(shè)計(jì),使得組合工程化技術(shù)難度大。雖然國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了有關(guān)方案,但缺乏詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié),難以進(jìn)行具體的借鑒和參考。從深組合模式信息融合、算法、仿真等技術(shù)方面入手,深入研究組合方案。

5.2數(shù)據(jù)信息融合

在深組合系統(tǒng)中有慣導(dǎo)輔助信息和北斗輸出信息,在硬件確定的情況下,對(duì)其采用不同的數(shù)據(jù)融合方法,得到的效果也不一樣。在研究組合數(shù)據(jù)信息融合時(shí),注重研究分散化濾波算法,通過(guò)對(duì)信息融合不同算法的仿真,尋求系統(tǒng)最佳的信息融合。

5.3故障信息診斷

系統(tǒng)Kalman濾波器處理必須要判定來(lái)自BDS和INS的原始測(cè)量數(shù)據(jù)是否因動(dòng)態(tài)或者干擾而變差,而且在分系統(tǒng)失效情況下,濾波器必須能切換到不同的導(dǎo)航模式。組合時(shí)要深入研究故障信息診斷技術(shù),確保能對(duì)系統(tǒng)的各種狀態(tài)做出檢測(cè),提高組合系統(tǒng)的可靠性。

5.4系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

BDS/INS組合系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜,一般難以達(dá)到理論分析或?qū)嶒?yàn)室所得到的理想結(jié)果。因此,各種復(fù)雜條件下的試驗(yàn)驗(yàn)證是提高系統(tǒng)性能的重要保證。

6結(jié)語(yǔ)

拓寬衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用范圍,提高接收機(jī)動(dòng)態(tài)適應(yīng)性、抗干擾能力等是衛(wèi)星導(dǎo)航所尋求的目標(biāo),而衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航深組合是實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)的最佳選擇。因此,要加強(qiáng)深組合模式關(guān)鍵技術(shù)的研究,進(jìn)一步提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位能力。

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中圖分類號(hào)U666

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.003

作者簡(jiǎn)介:周坤芳,男,教授,研究方向:導(dǎo)航定位技術(shù)。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月27日