慣性輔助GNSS跟蹤環(huán)路技術(shù)研究*

陸 帥 陳 帥 余 威 方 俊 丁海龍

南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094

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慣性輔助GNSS跟蹤環(huán)路技術(shù)研究*

陸 帥 陳 帥 余 威 方 俊 丁海龍

南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院，南京 210094

GNSS信號(hào)在載體高動(dòng)態(tài)飛行時(shí)會(huì)產(chǎn)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(hào)，可能會(huì)使信號(hào)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(dòng)態(tài)環(huán)境下GNSS信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤問(wèn)題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在載體以50g的加速度相對(duì)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)時(shí)，該方法顯著降低了高動(dòng)態(tài)對(duì)跟蹤環(huán)路的影響，使接收機(jī)動(dòng)態(tài)跟蹤性能明顯提升。 關(guān)鍵詞 高動(dòng)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(lǐng)域發(fā)揮著巨大的價(jià)值，但是其導(dǎo)航性能在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下易受影響[1]。在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，GNSS接收機(jī)的跟蹤環(huán)路容易失鎖，使接收機(jī)無(wú)法及時(shí)提供精確的導(dǎo)航信息[2]。因此可以用載體的慣性信息來(lái)輔助GNSS接收機(jī)的跟蹤環(huán)路，達(dá)到提高接收機(jī)動(dòng)態(tài)性能的目的。

本文采用多普勒頻移預(yù)測(cè)算法，利用慣性信息對(duì)多普勒頻移進(jìn)行預(yù)測(cè)，將結(jié)果應(yīng)用于慣性輔助跟蹤環(huán)路，降低高動(dòng)態(tài)對(duì)跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)應(yīng)力作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,慣性輔助跟蹤環(huán)路可以提高跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能，適用于導(dǎo)彈、火箭彈等高機(jī)動(dòng)武器。

1 載波環(huán)跟蹤誤差分析

GNSS載波鎖相環(huán)的相位測(cè)量誤差源包括相位抖動(dòng)和動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差，造成相位抖動(dòng)的誤差源主要分為熱噪聲、機(jī)械顫動(dòng)所引起的震蕩頻率抖動(dòng)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(hào)載噪比，Tcoh為相干積分時(shí)間。上式表明熱噪聲與環(huán)路階數(shù)無(wú)關(guān)。

載體運(yùn)動(dòng)和接收裝置的機(jī)械顫動(dòng)會(huì)引起接收機(jī)基準(zhǔn)振蕩頻率的抖動(dòng)，相應(yīng)的相位抖動(dòng)均方差σv約為2°。

艾蘭型晶體震蕩頻率漂移隨著時(shí)間的積累會(huì)引入相位抖動(dòng)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(shí)間Tcoh的乘積成正比，即

(2)

式中，c為光速，λ1為信號(hào)波長(zhǎng)。

若將造成相位抖動(dòng)的以上三部分誤差源綜合起來(lái)，則總的相位抖動(dòng)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(tǒng)一表達(dá)成如下形式：

(4)

考慮到暫態(tài)響應(yīng)過(guò)程中出現(xiàn)的震蕩，鎖相環(huán)所產(chǎn)生的最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其穩(wěn)態(tài)誤差值。對(duì)鎖相環(huán)跟蹤門(mén)限采用一種保守估計(jì)方法：3倍的相位測(cè)量誤差均方差不得超過(guò)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(jìn)行頻率預(yù)測(cè)，輔助跟蹤環(huán)路，能有效的降低動(dòng)態(tài)因素帶來(lái)的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差θe。理論上，引入慣性信息輔助后的相位測(cè)量誤差為

(6)

式中，σdopp為多普勒預(yù)測(cè)頻移誤差帶來(lái)的跟蹤相位誤差。

2 頻率預(yù)測(cè)算法

(7)

(8)

式(7)和(8)中T為相干積分時(shí)間。

(9)

GNSS接收機(jī)接收到的信號(hào)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(duì)運(yùn)動(dòng)造成的多普勒頻移；Δfrec為接收機(jī)時(shí)鐘頻漂造成的頻率誤差；Δfs為衛(wèi)星時(shí)鐘頻漂帶來(lái)的頻率誤差，衛(wèi)星時(shí)鐘頻率漂移比較小，一般忽略不計(jì)?？梢?jiàn)在高動(dòng)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(shí)刻接收機(jī)i通道可見(jiàn)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(shè)計(jì)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(dāng)采用慣性輔助載波跟蹤環(huán)路時(shí)，(1-k)/(τs+1)表示慣性輔助信息的不完善(其中,k為標(biāo)度系數(shù)誤差，τ為滯后時(shí)間常數(shù))，δfext(s)表示由傳感器的標(biāo)定誤差、鐘頻等因素引起的頻率估計(jì)誤差，從圖1可得慣性輔助載波跟蹤環(huán)傳遞函數(shù)為

(16)

(17)

(18)

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

4 高動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)采用衛(wèi)星信號(hào)導(dǎo)航模擬器模擬某載體高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡，其三維曲線如圖2所示。

圖2 載體高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)軌跡

圖2中，點(diǎn)A為運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)：北緯: 32.0261° 、東經(jīng): 118.8578°、高程: 72.6111m；點(diǎn)B為終止點(diǎn):北緯: 34.8931°、東經(jīng): 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(diǎn)，整個(gè)飛行過(guò)程耗時(shí)480s。仿真實(shí)驗(yàn)如圖3所示。

4.2 導(dǎo)航性能分析

本實(shí)驗(yàn)采用2種方案。方案1：接收機(jī)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(chǔ)上采用慣性輔助跟蹤環(huán)路，基于慣性信息預(yù)測(cè)下一時(shí)刻載波信號(hào)頻率偏移，最后對(duì)比2種算法的導(dǎo)航性能。

圖3為接收機(jī)采用常規(guī)跟蹤環(huán)路時(shí)在高動(dòng)態(tài)條件下的導(dǎo)航結(jié)果。結(jié)果表明，采用常規(guī)跟蹤環(huán)路的接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)條件下信號(hào)容易失鎖，無(wú)法連續(xù)穩(wěn)定導(dǎo)航。

圖4為接收機(jī)采用慣性輔助跟蹤環(huán)路時(shí)的導(dǎo)航結(jié)果。結(jié)果表明：接收機(jī)采用慣性輔助跟蹤環(huán)路時(shí)，在高動(dòng)態(tài)條件下始終穩(wěn)定鎖定衛(wèi)星信號(hào)，連續(xù)穩(wěn)定地輸出導(dǎo)航信息。

圖3 常規(guī)跟蹤環(huán)路導(dǎo)航結(jié)果

圖4 慣性輔助跟蹤環(huán)路導(dǎo)航結(jié)果

圖5為接收機(jī)采用慣性輔助跟蹤環(huán)路時(shí)的導(dǎo)航誤差。結(jié)果表明：接收機(jī)采用慣性輔助跟蹤環(huán)路時(shí)，在高動(dòng)態(tài)條件下連續(xù)穩(wěn)定導(dǎo)航時(shí)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(jī)采用慣性輔助跟蹤環(huán)路時(shí)第11和26號(hào)衛(wèi)星信號(hào)多普勒頻移信息。結(jié)果表明：在高動(dòng)態(tài)條件下跟蹤環(huán)路中多普勒頻移預(yù)測(cè)誤差≤10Hz。

圖5 慣性輔助跟蹤環(huán)路導(dǎo)航誤差

圖6 慣性輔助跟蹤環(huán)路多普勒頻移誤差

5 結(jié)束語(yǔ)

基于慣性輔助GNSS跟蹤環(huán)路的分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了該方法在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的可行性，分析了該方法在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的導(dǎo)航性能，為GNSS/INS超緊組合的進(jìn)一步理論研究奠定了基礎(chǔ)。

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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(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和中國(guó)工程物理研究院聯(lián)合基金資助(U1330133);江蘇省自然科學(xué)基金(BK201307);國(guó)家級(jí)大學(xué)生科研訓(xùn)練項(xiàng)目(201410288007)

2015-05-19

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

V249.32

A

1006-3242(2016)01-0020-05