GNSS接收機載波相位跟蹤環路對地震監測性能的研究

繆杰 田鳳東 莒縣陵陽地震臺

GNSS接收機載波相位跟蹤環路對地震監測性能的研究

繆杰 田鳳東 莒縣陵陽地震臺

本文對早期地震監測系統中GNSS載波相位跟蹤環路的性能進行了研究。利用硬件模擬器對地震進行了模擬，得到了位置、速度和加速度位移以再現地震。使用軟件定義的接收器，對多種帶寬和頻率的地震波進行了測試。利用鎖相指示器，設計了一種自適應跟蹤環并測試以最大限度地提高該應用程序的性能。

GNSS 地震監測 接收機

1 背景

對使用GNSS接收機集成的地震預警監測系統的研究已經超過了10年。但是過去的研究僅限于硬件接收器，關于接收機性能的研究很少。本文的使用了自定義的軟件對接收機與接收機設計的影響進行分析。具體來說就是利用載波跟蹤鎖定環以衡量并有提高性能。

全球導航衛星系統接收機可以直接測量位置、位移和速度，而常規地震儀則需要結合加速度來獲得位置和速度。這種能力使全球導航衛星系統在大地震預警階段能夠提供快速地面形變估算。這可以大量減少獲取大地震的震級估計信息的時間延遲。GNSS接收機噪聲帶寬與時間相關性都受限于硬件的發展應用，這主要是固定帶寬和動態跟蹤模擬方法。

本研究的目的是說明如何通過跟蹤環路參數影響接收機的性能。軟件定義接收器允許對跟蹤環進行簡單的參數修改。此外，允許使用全球導航衛星系統模擬器模擬的速度、加速度和位移。

2 接收機的設計背景

在接收器可以對位置，速度和時間進行計算的解決方案。系統必須首先生成與衛星輸入信號相匹配的本地信號。這是在兩個階段，即采集定位與跟蹤。由于兩者之間的相對運動，廣播頻率和接收機所觀察到的頻率，稱為多普勒頻移或多普勒頻率。那也是由于接收器和衛星時鐘引起的時間偏移不同步。第一個階段就是粗略估計多普勒頻移和定時偏移。為了獲得早期所需的高精度，地震預警與監測測試必須使用載波跟蹤環。載波跟蹤環通常由鑒別器定義跟蹤帶寬積分時間。這三個功能確定該接收機的載波跟蹤環路的特性，即相位抖動與最大動態視線，而地震具有更寬的跟蹤帶寬和更短的接口。

3 方法

地震模擬是為了測試跟蹤在高震級事件之前和期間的接收器回路性能。最終選取了使用100赫茲的實際加速度數據。此事件被選定為是因為高加速度經歷并提供了接收器可能存在的上、下限。給定動態應力下的正弦運動跟蹤帶寬PLI可以表明成功的跟蹤，稱作為假鎖。假設當PLI開始減少運動經歷的跟蹤帶寬開始增加，積分時間變短。加速度數據一次集成得到速度的變化，并重新整合獲得位置。這種集成是使用該軟件完成的，軟件可以糾正積分偏置和消除由積分引起的漂移。模擬器的使用允許多個信號在完全相同的條件下去除設置之間可能存在的偏差。為了評估跟蹤環路性能，跟蹤參數必須是可選擇的。但是硬件接收機制造商通常不允許這么做，也不會透露跟蹤參數。為此，在本研究中接收機用作該目的的參考接收機。參考接收機之間的距離模擬地震的地點是選定為15公里。在模擬中沒有大氣誤差，衛星軌道誤差或多徑效應。這樣做是接收機噪聲和動應力是唯一的誤差，電離層延遲不但是電離層閃爍信號的跟蹤問題，而且對載波跟蹤性能有影響。但是電離層在地震持續期間保持不變，所以影響微不足道。微分方法減輕大多數大氣和衛星軌道錯誤。能夠跟蹤多個衛星系統和多個頻率。

4 結果和分析

前面討論了窄帶寬和長的積分時間是地震探測的理想時間。地震的開始。使用gnsrx軟件對積分時間1,5和10ms，跟蹤帶寬為5、10、15、20、30、40、50赫茲的信號進行了測試。因為數據速率是設置為100赫茲，最大積分時間為10。這需要盡可能高的精度。一旦地震被發現，主要接收機的目標是記錄引起的運動。地震均方根和最大位移錯誤應盡量減少，以創造最高運動精度和可靠性記錄。這些結果提供了更多效果跟蹤帶寬的可視化表示在動態應力期間。所提出的自適應跟蹤環路能夠最大限度地減少最大誤差。還提供低的均方根誤差峰值加速度在歸一化時期。自適應跟蹤環15赫茲的固定帶寬是可比較的。PRI數據集之間相似性的原因是由于接收信號的信號強度。所有被跟蹤的衛星都具有高信號強度。

5 總結

本文對全球導航衛星系統載波跟蹤環路的性能應用進行了評價。使用gsnrx軟件來測試接收機，跟蹤帶寬為5、10、15、20、30、40、50赫茲，積分時間為1,5ms，對10ms信號源進行了測試。使用較長的積分時間和NAR行跟蹤帶寬對于減少接收機靜周期噪聲是效果最理想，更寬的帶寬和更短的跟蹤環可能需要集成時間。跟蹤帶寬的范圍在15到30赫茲之間，能夠最大程度的減少地震事件中最大誤差。設計了自適應軟件并測試了跟蹤回路。相位鎖定指示器這種方法被證明可以克服高精度動態設計和耐壓力的要求。本文所提出的自適應跟蹤環路能夠提供低噪聲水平從而在準確可靠的情況下開始地震事件期間的運動記錄。未來的工作主要包括改進決策過程和閾值用于自適應跟蹤環路工作。

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