基于软件接收机的分布式深组合仿真系统研究*

刘亚玲 陈 帅 丁翠玲

南京理工大学，南京210094

捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System，SINS)［1］和全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite Systems，GNSS)［2］有各自的特点与优点，同时也具有缺陷和不足，二者结合充分发挥了GNSS定位精度不随时间改变和SINS完全自主导航的优势［3-4］。按照组合深度，可把组合导航系统分为3类:松组合、紧组合和深组合［5］。松组合和紧组合导航系统中，GNSS接收机性能并未得到改善，接收机在高动态下不能稳定跟踪卫星信号，组合导航系统无法正常工作。深组合不仅通过估计SINS误差对SINS进行反馈校正，还利用校正后的SINS信息辅助 GNSS接收机跟踪环路或直接用SINS信息闭合跟踪环路［6］，其实现形式主要有2种:Draper实验室提出的基于深组合滤波器的集中式组合结构［7-8］;斯坦福大学提出的基于紧组合滤波器的具备环路跟踪辅助功能的分布式组合结构［9-10］。二者结构上存在差异，本质上均是将组合程度深入到基带信号处理部分，以获得更高的定位精度和系统性能［11］。分布式深组合比集中式深组合更易在工程上实现，因此成为深组合实现的主要方式。

本文为实现高动态环境下组合导航系统稳定导航定位，设计基于软件接收机的分布式SINS/GNSS深组合仿真系统方案，基于VC++与Matlab混合编程，搭建基于GNSS软件接收机的分布式深组合导航仿真系统，实现SINS与GNSS的双向辅助。实验表明:分布式深组合导航系统提高了高动态环境下GNSS接收机的动态跟踪性能和组合导航系统的导航定位精度。

1 分布式深组合仿真系统方案设计

与硬件接收机相比，软件接收机通过软件方式实现对信号的处理，成本低，易于实现，具有更高的灵活性、开发性和通用性，成为导航领域的研究热点。基于软件接收机的组合导航系统打破了接收机硬件设计的局限性，便于修改系统参数和架构以验证新算法，灵活性较高。基于GNSS软件接收机的分布式SINS/GNSS深组合仿真系统方案设计如图1所示。

图1 基于软件接收机的分布式深组合仿真系统方案设计

图1中，轨迹发生器产生所需轨迹，卫星导航信号模拟器模拟的卫星信号经中频信号采集器处理产生数字中频信号，GNSS软件接收机对信号进行捕获和跟踪，输出伪距和伪距率信息;IMU采集载体角速度和比力信息，进行捷联惯导解算并计算载体和卫星间的伪距、伪距率信息;组合导航滤波器对GNSS和SINS各自输出的伪距和伪距率信息进行信息融合，并修正SINS的各种误差量，提高组合导航精度;利用校正后的SINS信息和卫星星历信息对多普勒频移进行估计，对GNSS跟踪环路进行频率辅助，消除由载体与卫星的相对运动造成的动态应力影响，提高GNSS接收机在高动态环境下的动态跟踪性能。

2 分布式深组合仿真系统实现

2.1 跟踪环路频率辅助算法

分布式深组合导航仿真系统中，为保证系统的稳定性和可靠性，采用频率辅助算法辅助GNSS跟踪环路，提高GNSS接收机的动态跟踪性能，其原理如图2所示。

式中，T为跟踪环路积分时间。

图2 跟踪环路频率辅助算法原理图

由预测载体位置、速度信息及卫星星历计算出接收机与卫星相对运动造成的多普勒频移为

2.2 深组合滤波器模型

深组合滤波器采用改进的基于伪距和伪距率的组合滤波器，对GNSS伪距及伪距率进行平滑，将SINS与平滑后GNSS的伪距差和伪距率差作为量测信息进行信息融合，对SINS误差进行反馈校正，同时利用校正后的SINS信息辅助GNSS跟踪环路。

分布式深组合滤波器模型与紧组合系统类似，系统误差状态包括SINS误差状态和GNSS误差状态。SINS误差状态包括东北天姿态角误差、东北天速度误差、纬经高位置误差、载体系下三轴陀螺常值漂移、载体系下三轴加速度计零偏;GNSS误差状态包括时钟等效距离误差、钟频等效距离率误差。当GNSS接收机有效接收星数大于4颗时，通过选星算法获取最佳4颗导航星［12］，当有效收星数小于4颗时，所有通道量测信息都用于构造观测方程。故系统状态方程和量测方程为

2.3 混合编程实现

Matlab是一个高效、完整的数学平台，具有强大的数值分析和矩阵运算能力，语言简单，但代码执行率较低;VC++编程语言灵活高效，用其开发的系统界面友好、代码率高、执行速度快，但在数值分析和工程计算方面不足，因此两者结合可实现优势互补，平衡编程时间和程序执行效率。GNSS软件接收机以软件形式实现基带信号处理，涉及大量数据计算和处理，Matlab在这方面优势明显，所以软件接收机采用Matlab实现。基于 GNSS软件接收机，利用VC++与Matlab混合编程实现深组合导航仿真系统搭建，该仿真系统利用Matlab提供的mcc编译器，将Matlab编写的软件接收机(*.m)编译成动态链接库，供VC程序调用。

利用mcc编译器前需要在Matlab环境下对C/C++编译环境进行配置，配置过程为:

1)在Matlab命令窗口输入:mbuild-setup;

2)按照提示选择VC的编译器，完成后在Matlab命令窗口中输入:mex-setup。

由于VC++需要调用Mablab生成的动态链接库，因此要对VC++编译环境进行配置，主要包括:

1)设置Matlab中头文件(*.h)和链接库(*.lib)的路径;

2)设置运行时动态链接库;

3)设置静态链接的引入库文件;

4)在调用Matlab函数的VC++源程序中包含*.h。

通过上述步骤即可实现VC++对Matlab函数的调用。通过添加包含mwArray类的文件进行数据交互，实现VC++与Matlab之间的参数传递:VC++向Matlab传递惯性辅助信息，数据更新频率为200Hz;Matlab向VC++传递GNSS接收机通道信息，数据更新频率为10Hz。深组合导航仿真系统工作流程如图3所示。

图3 深组合导航仿真系统工作流程图

3 实验及结果分析

3.1 实验条件

采用卫星导航信号模拟器模拟卫星信号。通过中频信号采集器采集数字中频信号，采样率为16.369MHz，中频为3.996MHz;GNSS软件接收机采用三阶锁相环进行载波跟踪，环路积分时间为1ms;SINS输出频率为200Hz，惯导测量精度为:加速度计比例误差200ppm，加速度计白噪声1mg，加速度计零偏1mg，陀螺仪比例误差200ppm，陀螺仪白噪声3.0(°)/h，陀螺仪漂移2(°)/h;组合滤波器组合频率为10Hz。

模拟高动态弹道轨迹设置如下:起点:北纬38.7580°、东经 105.6100°、高程 1431.90m;终点:北纬38.9961°、东经 105.6195°、高程 20767.6203m;初始静止20s，然后从起点飞至终点，飞行时长为60s，模拟时间共80s，飞行过程中最大速度1000m/s，最大加速度20g，最大加加速度40g/s，载体运动轨迹如图4所示。

图4 载体运动轨迹

3.2 结果分析

分布式深组合导航仿真系统监控显示界面如图5所示，可实时显示收星情况、GNSS量测信息、组合导航信息及误差信息。

图5 深组合导航仿真系统监控显示界面

分布式深组合导航仿真系统组合导航定位结果及误差曲线如图6和7所示。

根据图6和7可知，基于软件接收机的分布式深组合导航系统在静态和高动态下都能稳定导航定位，组合水平位置误差小于2m，高程误差小于10m，组合水平速度误差小于0.2m/s，天向速度误差小于1m/s，姿态角误差小于0.3°。

图6 组合导航定位结果图

4 结论

为实现高动态环境下组合导航系统稳定导航定位，设计了基于软件接收机的分布式SINS/GNSS深组合导航仿真系统方案，采用改进的基于伪距、伪距率的组合滤波器，对SINS和GNSS输出的伪距和伪距率信息进行数据融合并校正SINS误差，同时利用校正后的SINS信息对GNSS跟踪环路进行频率辅助。通过VC++与Matlab混合编程，搭建了基于GNSS软件接收机的分布式深组合导航仿真系统，实现了SINS与GNSS的双向辅助，提高了高动态环境下GNSS接收机的动态跟踪性能和组合导航系统导航定位能力。

图7 组合导航误差曲线图

［1］ 张天光，等.译.捷联惯性导航系统(第二版)［M］.北京:国防工业出版社，2007.(Zhang Tianguang，et al.Translation.Strap-down Inertial Navigation System(Second Edition)［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2007.)

［2］ 谢钢.GNSS原理与接收机设计［M］.北京:电子工业出版社，2011.(Xie Gang.Principles of GPS and Receiver Design［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2011.)

［3］ Schultz C E.INS and GNSS integration［D］.Denmark:Technical University of Denmark，2006.

［4］ Cox D B.Integration of GNSS with inertial navigation systems［J］.Navigation，1979，1(1):144-53.

［5］ Matthew Lashley，David M Bevly，John Y Hung.Analysis of deeply integrated and tightly coupled architectures［C］//Position Location and Navigation Symposium，2010，2153-358X:382-396.

［6］ Alban S，Akos D M，Rock S M.Performance Analysis and Architectures for INS-Aided GNSS Tracking Loops［C］//Proceedings of the 2003 National Technical Meeting of the Institute of Navigation，Anaheim，California，January 22-24，2003:611-622.

［7］ Gustafson D，Dowdle J，Flueckiger K.A high antijam GNSS based navigator［C］//Proceedings of ION National Technical Meeting.Anaheim，2000:495-503.

［8］ 单童.深组合系统中惯性辅助GNSS基带技术研究［D］.南京:南京理工大学，2013.(Shan Tong.Research on Inertial Information Aided GNSS Baseband Technology in Ultra-tight Coupled Navigation System［D］.Nanjing:Nanjing University of Science and Technology，2013.)

［9］ Gautier J D，Parkinson B W，Gebre-Egziabher D.U-sing the GNSS/INS generalized evaluation tool(GIGET)for the comparison of loosely coupled，tightly coupled and ultra-tightly coupled integrated navigation systems［C］//Proceedings of ION 59th Annual Meeting.Albuquerque，2003:65-76.

［10］ 高帅和，赵琳.不同 GNSS/SINS深组合导航框架的分析与等价性推导［J］.中国惯性技术学报，2011，19(5):571-574.(Gao Shuaihe，Zhao Lin.Analysis and Equivalebce Derivation of Different Ultra-tight Coupled Navigation Structures［J］.Journal of Chinese Inertial Technology，2011，19(5):571-574.)

［11］ 赵琳，高帅和，丁继成，等.超紧GPS/SINS组合导航系统研究综述［C］.第二届中国卫星导航学术年会，上海，2011.(Zhao Lin，Gao Shuaihe，Ding Jicheng，et al.Survey of Research on GPS/SINS Ultra-tight Integrated Navigation System［C］.The Second China Satellite Navigation Conference，Shanghai，2011.)

［12］ Sheikh S I.The Use of Variable Celestial X-Ray Sources for Spacecraft Navigation［D］.Maryland:University of Maryland，2005.

［13］ 刘建业，曾庆化，赵伟，熊智.导航系统理论与应用［M］.西安:西北工业大学出版社，2010.(Liu Jianye，Zeng Qinghua，Zhao Wei，Xiong Zhi.Principles and Applications of Navigation Systems［M］.Xi'an:Publishing House of Northwestern Polytechnical University，2010.)