惯性辅助GNSS跟踪环路技术研究*

陆 帅 陈 帅 余 威 方 俊 丁海龙

南京理工大学自动化学院，南京 210094



惯性辅助GNSS跟踪环路技术研究*

陆 帅 陈 帅 余 威 方 俊 丁海龙

南京理工大学自动化学院，南京 210094

GNSS信号在载体高动态飞行时会产生较大的多普勒频移，常规的跟踪环难以稳定跟踪信号，可能会使信号失锁。本文提出了一种利用惯性信息为跟踪环路提供辅助多普勒频移的方法，从而解决高动态环境下GNSS信号的稳定跟踪问题。实验结果表明：在载体以50g的加速度相对卫星运动时，该方法显著降低了高动态对跟踪环路的影响，使接收机动态跟踪性能明显提升。 关键词 高动态；惯性辅助；跟踪环路；多普勒频移

GNSS在工业、交通和军事等众多领域发挥着巨大的价值，但是其导航性能在高动态环境下易受影响[1]。在高动态环境下，GNSS接收机的跟踪环路容易失锁，使接收机无法及时提供精确的导航信息[2]。因此可以用载体的惯性信息来辅助GNSS接收机的跟踪环路，达到提高接收机动态性能的目的。

本文采用多普勒频移预测算法，利用惯性信息对多普勒频移进行预测，将结果应用于惯性辅助跟踪环路，降低高动态对跟踪环路的动态应力作用。实验结果表明,惯性辅助跟踪环路可以提高跟踪环路的动态性能，适用于导弹、火箭弹等高机动武器。

1 载波环跟踪误差分析

GNSS载波锁相环的相位测量误差源包括相位抖动和动态应力误差，造成相位抖动的误差源主要分为热噪声、机械颤动所引起的震荡频率抖动以及艾兰均方差三种[3]。

热噪声均方差σtPLL的估算公式为

(1)

式中，BL为环路噪声带宽，C/N0为信号载噪比，Tcoh为相干积分时间。上式表明热噪声与环路阶数无关。

载体运动和接收装置的机械颤动会引起接收机基准振荡频率的抖动，相应的相位抖动均方差σv约为2°。

艾兰型晶体震荡频率漂移随着时间的积累会引入相位抖动噪声，其均方差σA与衡量频率稳定度的艾兰均方差σA(τ)和相干积分时间Tcoh的乘积成正比，即

(2)

式中，c为光速，λ1为信号波长。

若将造成相位抖动的以上三部分误差源综合起来，则总的相位抖动均方差σi可估算成

(3)

N阶锁相环的稳态跟踪误差θe可统一表达成如下形式：

(4)

考虑到暂态响应过程中出现的震荡，锁相环所产生的最大动态应力误差可能远远大于其稳态误差值。对锁相环跟踪门限采用一种保守估计方法：3倍的相位测量误差均方差不得超过四分之一的鉴相牵入范围，即

3σPLL=3σi+θe≤45°

(5)

利用载体的惯性信息、星历信息等进行频率预测，辅助跟踪环路，能有效的降低动态因素带来的动态应力误差θe。理论上，引入惯性信息辅助后的相位测量误差为

(6)

式中，σdopp为多普勒预测频移误差带来的跟踪相位误差。

2 频率预测算法

(7)

(8)

式(7)和(8)中T为相干积分时间。

(9)

GNSS接收机接收到的信号频率偏移可以表示为[4]

Δfcarrier=fdopp+Δfrec+Δfs

(10)

式中，fdopp为卫星与载体相对运动造成的多普勒频移；Δfrec为接收机时钟频漂造成的频率误差；Δfs为卫星时钟频漂带来的频率误差，卫星时钟频率漂移比较小，一般忽略不计。可见在高动态环境下，fdopp成为影响跟踪环路的主要因素。

利用式(9)可以得出下一时刻接收机i通道可见卫星的多普勒频移为

(11)

(12)

3 惯性辅助载波跟踪环路设计方案

惯性辅助载波跟踪环拉氏变换框图如图1所示[4-11]。

图1 惯性辅助载波跟踪环拉氏变换框图

(13)

(14)

(15)

当采用惯性辅助载波跟踪环路时，(1-k)/(τs+1)表示惯性辅助信息的不完善(其中,k为标度系数误差，τ为滞后时间常数)，δfext(s)表示由传感器的标定误差、钟频等因素引起的频率估计误差，从图1可得惯性辅助载波跟踪环传递函数为

(16)

(17)

(18)

式(18)表明当惯性辅助信息为理想情况时，即τ=0，k=0时，稳态误差Es_aid=0。

4 高动态仿真实验

4.1 实验系统

本实验采用卫星信号导航模拟器模拟某载体高动态运动轨迹，其三维曲线如图2所示。

图2 载体高动态运动轨迹

图2中，点A为运动起始点：北纬: 32.0261° 、东经: 118.8578°、高程: 72.6111m；点B为终止点:北纬: 34.8931°、东经: 115.9913°、高程: 327147.3041m。飞行器初始以34.6410m/s匀速飞行4min，接着以51.9615g的加速度匀加速直线飞行30s，再以51.9615g的加速度匀减速直线飞行30s，最后匀速飞行至终点，整个飞行过程耗时480s。仿真实验如图3所示。

4.2 导航性能分析

本实验采用2种方案。方案1：接收机首先采用常规跟踪环路，载波环取2阶FLL (Frequency Locked Loop)辅助3阶PLL (Phase Locked Loop)，码环取2阶DLL (Delay Lock Loop)；方案2：在方案1的基础上采用惯性辅助跟踪环路，基于惯性信息预测下一时刻载波信号频率偏移，最后对比2种算法的导航性能。

图3为接收机采用常规跟踪环路时在高动态条件下的导航结果。结果表明，采用常规跟踪环路的接收机在高动态条件下信号容易失锁，无法连续稳定导航。

图4为接收机采用惯性辅助跟踪环路时的导航结果。结果表明：接收机采用惯性辅助跟踪环路时，在高动态条件下始终稳定锁定卫星信号，连续稳定地输出导航信息。

图3 常规跟踪环路导航结果

图4 惯性辅助跟踪环路导航结果

图5为接收机采用惯性辅助跟踪环路时的导航误差。结果表明：接收机采用惯性辅助跟踪环路时，在高动态条件下连续稳定导航时水平位置误差≤5m，垂直位置误差≤20m，速度误差≤0.5m/s。

图6为接收机采用惯性辅助跟踪环路时第11和26号卫星信号多普勒频移信息。结果表明：在高动态条件下跟踪环路中多普勒频移预测误差≤10Hz。

图5 惯性辅助跟踪环路导航误差

图6 惯性辅助跟踪环路多普勒频移误差

5 结束语

基于惯性辅助GNSS跟踪环路的分析、设计与实现，验证了该方法在高动态环境下的可行性，分析了该方法在高动态环境下的导航性能，为GNSS/INS超紧组合的进一步理论研究奠定了基础。

[1] 刘建业,曾庆华,等.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. Theory and Application of Navigation System [M].Xi'an: Press of Northwest Industrial University,2010.)

[2] 唐康华.GPS/MIMU嵌入式组合导航关键技术[D].长沙: 国防科学技术大学,2008.(Tang Kanghua. Research on the Key Technology of Embedded GPS/MIMU Integrated Navigation [D]. Changsha: National University of Defense Technology, 2008.)

[3] 谢刚.GPS原理与接收机设计[M].北京: 电子工业出版社,2009.(Xie Gang. GPS Principle and the Design of Receiver [M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry,2009. )

[4] 胡锐.惯性辅助GPS深组合导航系统研究与实现[D].南京: 南京理工大学,2010.(Hu Rui. Research and Realization of SINS-Aided GPS Deeply Integrated Navigation System [D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology,2010.)

[5] 袁俊刚.GPS惯性紧组合导航系统研究[D].南京: 南京航空航天大学,2011.(Yuan Jungang. The Study of Tightly GPS/INS Integrated Navigation System [D].Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2011.)

[6] 李磊.GPS/SINS深度组合导航系统研究[D].上海:上海交通大学,2009.(Li Lei. Research on the Deep Integrated of GPS/SINS Navigation System [D].Shanghai: Shanghai Jiao Tong University, 2009.)

[7] 黄汛, 高启孝, 李安, 陈永冰, 葛德宏.INS/GPS超紧耦合技术研究现状及展望[J].控制与制导,2009,4(1):42-47. (Huang Xun, Gao Qixiao, Li An, Chen Yongbing, GE Dehong. Research Situation and Prospect of INS/GPS Ultra-tightly Integrated Technology [J]. Winged Missiles Journal,2009, 4(1):42-47.)

[8] 周坤芳. 深紧耦合GPS/INS组合模式及其特性研究[J].现代导航,2012，4(1):243-246.(Zhou Kunfang. Research on Characteristics and Integrated Mode of Tightly-Coupled GPS/INS [J]. Modern Navigation,2012, 4(1):243-246.)

[9] 王朋辉.高动态GPS/INS组合导航系统研究[D].南京: 南京航空航天大学,2010.(Wang Penghui. The Study of High Dynamic GPS/INS Integrated Navigation System [D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2010.)

[10] 艾伦, 金玲, 黄晓瑞.GPS/INS组合导航技术的综述与展望[J].数字通信世界,2011，2(1):58-61. (Ai Lun, Jin Ling, Huang Xiaorui. Summary and Prospect of GPS/INS Integrated Navigation System [J]. Digital Communication World, 2011, 2(1):58-61.)

[11] 张康,李连仲,颜安.高动态惯性+卫星深耦合组合导航技术研究[C].第四届中国卫星导航学术年会电子文集,2013.(Zhang Kang, Li Lianzhong, Yan An. Research on High Dynamic Deeply Integrated INS+GNSS Navigation Technology [C]. The Fourth Session of China Satellite Navigation Conference, 2013.)

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

*国家自然科学基金委员会和中国工程物理研究院联合基金资助(U1330133);江苏省自然科学基金(BK201307);国家级大学生科研训练项目(201410288007)

2015-05-19

陆 帅(1993-)，男，江苏徐州人，本科生，主要研究方向为组合导航技术；陈 帅(1980-)，男，江苏南通人，博士，副教授，主要研究方向为导航、制导与控制；余 威(1993-)，男，安徽黄山人，硕士研究生，主要研究方向为组合导航技术；方 俊(1996-)，男，安徽芜湖人，本科生，主要研究方向为组合导航技术；丁海龙(1994-)，男，安徽安庆人，本科生，主要研究方向为组合导航技术 。

V249.32

A

1006-3242(2016)01-0020-05