高動態衛星信號跟蹤技術研究

陳玉君

（中船智能(上海)信息科技有限公司 上海市 200120）

隨著全球導航衛星系統應用領域、影響范圍和復雜應用場景的不斷擴大，用戶對GNSS 接收機的性能提出了新的要求，接收機技術面臨著新的機遇和挑戰。通常采用GNSS 接收機環路優化和慣性信息輔助。在接收機環路中引入慣性信息輔助接收機跟蹤，利用慣性導航系統來承受載體的動態應力，提高衛星接收機的動態適應性，綜合結果可用于修正慣性導航系統形成優勢互補的導航信息輸出。將慣性信息引入接收機環路屬于深度組合的范疇，在較低層次實現信號融合和互助，可以更有效地提高接收機的動態適應性。

1 高動態環境下北斗接收機跟蹤環路分析

1.1 傳統接收機載波跟蹤特性研究

北斗衛星接收機作為導航定位授時設備，在結構上分為射頻前端、基帶處理模塊和導航解決方案模塊三部分。射頻前端通過天線接收到衛星下行信號后，首先通過混頻機制進行下變頻，目的是將高頻衛星信號轉換為微處理器可以處理的中頻信號。基帶處理模塊接收到射頻前端處理后的中頻信號后，會在本地復制一個載波和測距碼，實現載波和碼的剝離。因此，基帶處理模塊要不斷檢測本地復制的載波和編碼與實際接收的中頻信號的差異，及時調整本地信號。如果本地復制的載體和編碼不準確，會降低載體和編碼剝離后的導航電文質量，嚴重時無法解調導航電文。所以基帶處理模塊是一個動態調整載波和編碼的過程。

1.2 北斗載波自適應跟蹤環路總體設計

北斗載波自適應跟蹤環路包括傳統接收機的載波鑒相器、環路濾波器和載波NCO。此外，還設計了噪聲比檢測模塊、載波動態檢測模塊和載波參數自適應更新模塊。通過添加這三個功能模塊，可以提高接收機的性能。負載噪聲比檢測模塊提供電流載波與回路噪聲之間的關系；載波動態檢測模塊計算出載體與衛星在視線方向上的相對運動參數；載波參數自適應模塊通過識別負載噪聲比和載波動態參數來計算和更新環路濾波器的帶寬和階數。北斗載波自適應跟蹤環路系統方案如圖1所示。

圖1：北斗載波自適應跟蹤環路系統方案圖

該系統由二階回路和三階回路組成。跟蹤過程是通過檢測識別環境因素和動態調整環路參數來完成的。載波跟蹤環路根據載波動態得到二階和三階NCO 控制信號權重，使一階濾波器和二階濾波器同時工作在載波跟蹤環路中。目的是避免頻繁循環切換導致的濾波不連續，導致失鎖和無法輸出導航數據位流。當載波動態較大時，三階回路起主導作用。當載波是動態的時，二階回路起主導作用。同時，環路通過檢測載波動態和信號負載噪聲比，自適應地更新二階和三階環路的噪聲帶寬。通過不斷迭代，得到當前動態下的最優帶寬，保證了失鎖，引入的噪聲更少，使解調后的導航數據碼流具有更高的質量。

2 基于慣性輔助的高動態北斗載波跟蹤增強算法研究

2.1 慣性輔助北斗接收機跟蹤環路數學模型的建立

針對環路的動態適應性與跟蹤精度之間的矛盾，設計了慣性輔助接收機的載波跟蹤環路模型。該模型細化了輔助過程，與現有方案相比，增加了輔助延遲的影響因素。慣性傳感器和衛星接收機安裝在同一載體上，通過陀螺儀和加速度計感應車輛位置、速度和姿態的慣性，并通過視線方向投影將載體的速度傳遞給載體和衛星凝視方向，這樣就可以使用慣性信息載體，載波多普勒信息輔助環路。在傳統的接收器回路的基礎上，該回路引入了慣性信息。通過將慣性信息與環路濾波器的輸出信息相結合，共同控制數字壓控振蕩器。

考慮到工程實踐中，多普勒輔助信息存在姿態轉換、視線投影、慣性更新率、信號傳輸等諸多時延，因此增加輔助時延環路，使仿真環節更加貼近實際。通過對上述示意圖進行數學建模，可以得到慣性輔助北斗接收機跟蹤環路在S 域的系統模型和傳遞函數。在傳統接收機環路的基礎上，在數字壓控振蕩器前引入慣性前饋信息。因此，接收機中多普勒頻移的測量分為兩個獨立的分支，它們的測量互不干擾，互不影響。因此，整個回路的分析可以分為兩部分，傳統的接收機支路和慣性輔助支路。

2.2 慣性輔助北斗自適應跟蹤環路仿真實驗驗證

仿真條件設置：

將傳統的PLL 環路與本文提出的PLL&INS 載波自適應跟蹤環路進行比較。分別設置不同的動態，比較分析兩種跟蹤方案的差異。仿真IMU 參數采用表1所示的IMU 精度指標，慣性輔助延遲設置為0.1ms。

表1：MEMS 慣性器件仿真誤差參數

從圖2 可以看出，PLL&INS 自適應載波跟蹤環路在51ms 切換到PLL 和INS 集成的跟蹤策略，環路仍然可以輸出有效信息。

圖2：PLL&INS 自適應載波跟蹤環路策略切換圖

從圖3 可以看出，PLL 和 INS 的加權融合策略在3.021s 后首先切換到，輔助PLL 策略在20ms 后切換到。

圖3：PLL&INS 自適應載波跟蹤環路策略切換圖

通過以上三個對比測試可以發現，PLL&INS 自適應載波跟蹤環路通過檢測載波所在的動態場景，選擇載波所在的動態場景，將信號鎖定在低動態、動態切換和高動態等不同階段自適應跟蹤策略。可以看出，PLL&INS 自適應載波跟蹤環路在相同的初始帶寬和動態條件下具有更可靠的跟蹤性能。

3 結語

在此研究的基礎上，研究了傳統北斗衛星接收機在高動態場景下的性能增強方案并實現了軟件實現。深入分析高動態場景對接收機環路和衛星信號的影響是改進工作的前提。在此基礎上，為提高北斗衛星接收機的整體性能，應從接收機自身環路優化、外部信息輔助等不同角度研究性能增強方案。