慣性輔助GNSS跟蹤環(huán)路技術研究*

陸 帥 陳 帥 余 威 方 俊 丁海龍

南京理工大學自動化學院，南京 210094

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慣性輔助GNSS跟蹤環(huán)路技術研究*

陸 帥 陳 帥 余 威 方 俊 丁海龍

南京理工大學自動化學院，南京 210094

GNSS信號在載體高動態(tài)飛行時會產生較大的多普勒頻移，常規(guī)的跟蹤環(huán)難以穩(wěn)定跟蹤信號，可能會使信號失鎖。本文提出了一種利用慣性信息為跟蹤環(huán)路提供輔助多普勒頻移的方法，從而解決高動態(tài)環(huán)境下GNSS信號的穩(wěn)定跟蹤問題。實驗結果表明：在載體以50g的加速度相對衛(wèi)星運動時，該方法顯著降低了高動態(tài)對跟蹤環(huán)路的影響，使接收機動態(tài)跟蹤性能明顯提升。 關鍵詞 高動態(tài)；慣性輔助；跟蹤環(huán)路；多普勒頻移

GNSS在工業(yè)、交通和軍事等眾多領域發(fā)揮著巨大的價值，但是其導航性能在高動態(tài)環(huán)境下易受影響[1]。在高動態(tài)環(huán)境下，GNSS接收機的跟蹤環(huán)路容易失鎖，使接收機無法及時提供精確的導航信息[2]。因此可以用載體的慣性信息來輔助GNSS接收機的跟蹤環(huán)路，達到提高接收機動態(tài)性能的目的。

本文采用多普勒頻移預測算法，利用慣性信息對多普勒頻移進行預測，將結果應用于慣性輔助跟蹤環(huán)路，降低高動態(tài)對跟蹤環(huán)路的動態(tài)應力作用。實驗結果表明,慣性輔助跟蹤環(huán)路可以提高跟蹤環(huán)路的動態(tài)性能，適用于導彈、火箭彈等高機動武器。

1 載波環(huán)跟蹤誤差分析

GNSS載波鎖相環(huán)的相位測量誤差源包括相位抖動和動態(tài)應力誤差，造成相位抖動的誤差源主要分為熱噪聲、機械顫動所引起的震蕩頻率抖動以及艾蘭均方差三種[3]。

熱噪聲均方差σtPLL的估算公式為

(1)

式中，BL為環(huán)路噪聲帶寬，C/N0為信號載噪比，Tcoh為相干積分時間。上式表明熱噪聲與環(huán)路階數無關。

載體運動和接收裝置的機械顫動會引起接收機基準振蕩頻率的抖動，相應的相位抖動均方差σv約為2°。

艾蘭型晶體震蕩頻率漂移隨著時間的積累會引入相位抖動噪聲，其均方差σA與衡量頻率穩(wěn)定度的艾蘭均方差σA(τ)和相干積分時間Tcoh的乘積成正比，即

(2)

式中，c為光速，λ1為信號波長。

若將造成相位抖動的以上三部分誤差源綜合起來，則總的相位抖動均方差σi可估算成

(3)

N階鎖相環(huán)的穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差θe可統一表達成如下形式：

(4)

考慮到暫態(tài)響應過程中出現的震蕩，鎖相環(huán)所產生的最大動態(tài)應力誤差可能遠遠大于其穩(wěn)態(tài)誤差值。對鎖相環(huán)跟蹤門限采用一種保守估計方法：3倍的相位測量誤差均方差不得超過四分之一的鑒相牽入范圍，即

3σPLL=3σi+θe≤45°

(5)

利用載體的慣性信息、星歷信息等進行頻率預測，輔助跟蹤環(huán)路，能有效的降低動態(tài)因素帶來的動態(tài)應力誤差θe。理論上，引入慣性信息輔助后的相位測量誤差為

(6)

式中，σdopp為多普勒預測頻移誤差帶來的跟蹤相位誤差。

2 頻率預測算法

(7)

(8)

式(7)和(8)中T為相干積分時間。

(9)

GNSS接收機接收到的信號頻率偏移可以表示為[4]

Δfcarrier=fdopp+Δfrec+Δfs

(10)

式中，fdopp為衛(wèi)星與載體相對運動造成的多普勒頻移；Δfrec為接收機時鐘頻漂造成的頻率誤差；Δfs為衛(wèi)星時鐘頻漂帶來的頻率誤差，衛(wèi)星時鐘頻率漂移比較小，一般忽略不計。可見在高動態(tài)環(huán)境下，fdopp成為影響跟蹤環(huán)路的主要因素。

利用式(9)可以得出下一時刻接收機i通道可見衛(wèi)星的多普勒頻移為

(11)

(12)

3 慣性輔助載波跟蹤環(huán)路設計方案

慣性輔助載波跟蹤環(huán)拉氏變換框圖如圖1所示[4-11]。

圖1 慣性輔助載波跟蹤環(huán)拉氏變換框圖

(13)

(14)

(15)

當采用慣性輔助載波跟蹤環(huán)路時，(1-k)/(τs+1)表示慣性輔助信息的不完善(其中,k為標度系數誤差，τ為滯后時間常數)，δfext(s)表示由傳感器的標定誤差、鐘頻等因素引起的頻率估計誤差，從圖1可得慣性輔助載波跟蹤環(huán)傳遞函數為

(16)

(17)

(18)

式(18)表明當慣性輔助信息為理想情況時，即τ=0，k=0時，穩(wěn)態(tài)誤差Es_aid=0。

4 高動態(tài)仿真實驗

4.1 實驗系統

本實驗采用衛(wèi)星信號導航模擬器模擬某載體高動態(tài)運動軌跡，其三維曲線如圖2所示。

圖2 載體高動態(tài)運動軌跡

圖2中，點A為運動起始點：北緯: 32.0261° 、東經: 118.8578°、高程: 72.6111m；點B為終止點:北緯: 34.8931°、東經: 115.9913°、高程: 327147.3041m。飛行器初始以34.6410m/s勻速飛行4min，接著以51.9615g的加速度勻加速直線飛行30s，再以51.9615g的加速度勻減速直線飛行30s，最后勻速飛行至終點，整個飛行過程耗時480s。仿真實驗如圖3所示。

4.2 導航性能分析

本實驗采用2種方案。方案1：接收機首先采用常規(guī)跟蹤環(huán)路，載波環(huán)取2階FLL (Frequency Locked Loop)輔助3階PLL (Phase Locked Loop)，碼環(huán)取2階DLL (Delay Lock Loop)；方案2：在方案1的基礎上采用慣性輔助跟蹤環(huán)路，基于慣性信息預測下一時刻載波信號頻率偏移，最后對比2種算法的導航性能。

圖3為接收機采用常規(guī)跟蹤環(huán)路時在高動態(tài)條件下的導航結果。結果表明，采用常規(guī)跟蹤環(huán)路的接收機在高動態(tài)條件下信號容易失鎖，無法連續(xù)穩(wěn)定導航。

圖4為接收機采用慣性輔助跟蹤環(huán)路時的導航結果。結果表明：接收機采用慣性輔助跟蹤環(huán)路時，在高動態(tài)條件下始終穩(wěn)定鎖定衛(wèi)星信號，連續(xù)穩(wěn)定地輸出導航信息。

圖3 常規(guī)跟蹤環(huán)路導航結果

圖4 慣性輔助跟蹤環(huán)路導航結果

圖5為接收機采用慣性輔助跟蹤環(huán)路時的導航誤差。結果表明：接收機采用慣性輔助跟蹤環(huán)路時，在高動態(tài)條件下連續(xù)穩(wěn)定導航時水平位置誤差≤5m，垂直位置誤差≤20m，速度誤差≤0.5m/s。

圖6為接收機采用慣性輔助跟蹤環(huán)路時第11和26號衛(wèi)星信號多普勒頻移信息。結果表明：在高動態(tài)條件下跟蹤環(huán)路中多普勒頻移預測誤差≤10Hz。

圖5 慣性輔助跟蹤環(huán)路導航誤差

圖6 慣性輔助跟蹤環(huán)路多普勒頻移誤差

5 結束語

基于慣性輔助GNSS跟蹤環(huán)路的分析、設計與實現，驗證了該方法在高動態(tài)環(huán)境下的可行性，分析了該方法在高動態(tài)環(huán)境下的導航性能，為GNSS/INS超緊組合的進一步理論研究奠定了基礎。

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Research on Inertial Navigation Assistance to GNSS Tracking Loop

Lu Shuai, Chen Shuai, Yu Wei, Fang Jun, Ding Hailong

Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China

GNSSsignalcangenerateDopplershiftinhighdynamicflight.Thecommontrackingloopcannottrackthesignalsteadilyandpossiblylosetolocksignal.AmethodbyprovidingassistedDopplershiftforthetrackingloopwithinertiainformationisproposedinthispapersoastorealizestablytrackingthesignalofGNSSinhighdynamicenvironment.Theexperimentaldatashowsthatthemethodcanovercometheinfluenceofdynamicstresssignificantlyandmeetthenavigationrequirementofcarrier50gaccelerationrelativetothesatellite.

Highdynamic;Inertialinformationaided;Trackingloop; Dopplershift

*國家自然科學基金委員會和中國工程物理研究院聯合基金資助(U1330133);江蘇省自然科學基金(BK201307);國家級大學生科研訓練項目(201410288007)

2015-05-19

陸 帥(1993-)，男，江蘇徐州人，本科生，主要研究方向為組合導航技術；陳 帥(1980-)，男，江蘇南通人，博士，副教授，主要研究方向為導航、制導與控制；余 威(1993-)，男，安徽黃山人，碩士研究生，主要研究方向為組合導航技術；方 俊(1996-)，男，安徽蕪湖人，本科生，主要研究方向為組合導航技術；丁海龍(1994-)，男，安徽安慶人，本科生，主要研究方向為組合導航技術 。

V249.32

A

1006-3242(2016)01-0020-05