INS輔助GNSS高動態捕獲跟蹤技術研究

馬國駒，蔚保國，賈瑞才，智奇楠

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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INS輔助GNSS高動態捕獲跟蹤技術研究

馬國駒，蔚保國，賈瑞才，智奇楠

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要在高動態的環境下，由于載體的運動速度及加速度非常大，衛星與載體之間的相對Dopple很大，超出了常規全球衛星導航(GNSS)收機的捕獲搜索范圍與跟蹤門限，因此會造成搜索不到衛星或失鎖。針對這一問題開展了利用慣導測量系統(INS)輔助GNSS接收機捕獲與跟蹤技術研究，GNSS接收機利用INS提供載體的速度、加速度和位置參數，預測載體的多普勒(Dopple)頻移，結合接收機的星歷及環路信息，共同調節環路中的NCO，及時重新設定環路搜索中心頻率，從而解決了高動態引起大的Dopple頻移這一問題。仿真結果表明，相比傳統的接收機，通過INS輔助的GNSS接收機可以在超高動態模擬環境下，加速度100 g和速度為4 000 m/s時仍可以快速捕獲及穩定跟蹤信號。

關鍵詞高動態環境；信號捕獲；INS輔助；穩定跟蹤；載波多普勒

INS-aided High Dynamic GNSS Rapid Acquisition and Stable Tracking

MA Guo-ju,YU Bao-guo,JIA Rui-cai,ZHI Qi-nan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn high dynamic environment,due to the high speed and acceleration of carrier,the relative Doppler between satellite and carrier is so great that it is beyond the conventional GNSS acquisition searching scope and tracking limit,and results in losing lock.To solve this problem,it is proposed in this paper to use INS-aided GNSS receiver acquisition and tracking.GNSS receiver uses the motion speed,acceleration and location parameters provided by INS plus the information of satellite and loop to calculate the carrier’s Doppler frequency,which adjusts the NCO and resets the center searching frequency,thus the Doppler shift caused by high dynamic is solved.Simulation result indicates that compared with traditional receiver,the INS-aided receiver can realize rapid acquisition and steady tracking of signal in ultrahigh dynamic environment with acceleration of 100g and speed of 4000m/s.

Key wordshigh dynamic environment;signal acquisition;INS-aided;stable tracking;carrier Doppler

0引言

隨著現代社會的發展，高速、超高速運動的載體應用越來越普遍，比如火箭、航天飛機和導彈等日益增多，由于載體的運動速度、加速度非常大，會造成很大的頻率和碼相位的多普勒頻移，常常會超出普通接收機的搜索范圍，因而不能正常工作。

在高動態的環境下，接收機為了可以很好地捕獲與跟蹤信號，常常增大頻率搜索的范圍與環路的帶寬。一般接收機的頻率搜索范圍在±10 kHz,高動態環境下，多普勒頻移甚至會達到40 kHz,如果增大搜索范圍，這會大大增加GNSS接收機的捕獲時間，即使多普勒頻移在搜索的范圍之內，由碼相位引起的多普勒頻移，在相干積分的損耗會大大減小捕獲與跟蹤的靈敏度。如果增大跟蹤環路的帶寬，這樣又引入了更多的噪聲，反而會降低環路的性能。針對這一問題，本文提出利用INS輔助GNSS接收機捕獲與跟蹤的方法，既不用增大頻率搜索范圍，也不用增大環路的帶寬，并且可以在超高動態環境下，快速捕獲與穩定跟蹤信號[1]。

1INS 輔助GNSS接收機的原理

INS輔助GNSS接收機的原理框圖如圖1所示。INS系統提供載體運動的位置、速度和加速度，結合衛星星歷提供衛星運動的速度、加速度，從而可以計算出二者之間的多普勒頻移，即Δf，加上載波/碼環路濾波器的輸出量來調節接收機環路[2]，本文采用載波環輔助碼環的結構設計，INS與載波環可以抵消掉碼環所受到的幾乎所有的動態應力。因此，在高動態環境下，不用增大環路的帶寬和頻率搜索范圍，就可以快速地捕獲與跟蹤信號。以原頻率搜索中心加上計算所得到得多普勒頻移，一起調節載波NCO,找到新的搜索頻率中心，由于INS 估算出來的速度、加速度多普勒頻移等比較精確。因此，在很小的頻率搜索范圍內搜索，就可以捕獲信號，大大減小捕獲時間，同時根據載波環輔助碼環[3]，可以估算出碼相位的多普勒，減小相干積分所造成的損耗，提高跟蹤靈敏度。

圖1　INS輔助GNSS接收機的原理

2 INS輔助GNSS信號的捕獲

INS輔助信號的捕獲主要分為粗捕獲與精捕獲2個部分。捕獲就是對接收到的信號進行展開搜索的過程，進行匹配，二維搜索方式如圖2所示。

圖2　二維搜索方式

粗捕獲采用基于快速傅里葉變換的循環相關捕獲方法，INS和衛星星歷共同預測多普勒信息，提高接收機搜索性能，從而減小頻率搜索范圍，達到快速捕獲信號的目的[4]。

在粗捕獲階段，INS結合星歷，提供載體與衛星的速度、加速度，從而可以計算出多普勒頻移Δf,將計算的頻移量反饋到載波NCO中，共同調節本地載波頻率中心值。為了更好地利用INS提供的頻移估計量，應該將INS與接收機信息融合應該放在捕獲流程靠前的位置。設GPS信號在L1 波段的載波波長為λL1，頻率為fL1，載體的運動速度V2，衛星速度為V1，衛星載體單位視線矢量為e，由于載體運動而產生的多普勒頻移估計值和本地載波fc的估計值分別為：

(1)

fc=fL1+Δf。

(2)

通過INS 輸出的慣性速度信息可以估算出載體的速度V2;通過歷書解算得到衛星的速度V1;利用INS結合星歷提供的衛星位置信息，可以計算出載體和衛星視線方向的矢量e，結合式(1)和式(2)可以準確地估算出載波中心頻率，因此大大地減小頻率搜索范圍，到達快速捕獲的目的。

在粗捕獲情況下，搜索頻格的每個搜索范圍比較大，如果選用Tcoh=1 ms的導航電文數據，鎖頻環以

(3)

為鑒頻器時，它的頻率簽入范圍寬為1/Tcoh，相應的頻率牽入范圍為±500 Hz。這對于跟蹤環路來說太粗糙，它工作帶寬一般為幾Hz或十幾Hz，因此就必須對得到的頻率進行精細處理，使其滿足跟蹤環路帶寬的需求。如果相位正確的C/A碼與輸入信號相乘，那么輸入信號就變為一個連續的信號。假設在N時刻，找到了1 ms電文中的最高頻率分量為xN(k)，在距離這N時刻之后很短的時間間隔T時刻，又出現一個頻率很強的分量xN+T(k)，一般可以通過相位的方法來得到滿足跟蹤環路需求的精細頻率，可以通過DFT計算出xN(k)的初始相位θN(k)為 :

(4)

式中，Im和Re分別表示虛部和實部，那么同樣的T時刻之后的xN+T(k)的初始相位θN+T(k)為：

(5)

用這2個相位可以計算出精細頻率為：

(6)

那么此時的載波頻率為:

fT=f+f′。

(7)

再次計算所得的頻率估計值fT就非常準確，可以滿足后面跟蹤過程所需的頻率要求。

3INS輔助GNSS信號的跟蹤

INS輔助GNSS的跟蹤環路核心就是對接收機鎖相環多普勒頻移估計的輔助，INS 的更新速率特別快，導航解算速率一般比接收機高1個或2個數量級。對于沒有INS 輔助的接收機環路，反饋校正量是從鑒相器中I、Q支路測量中產生，通過壓控振蕩器調節本地載波相位變化，隨著載體動態的變大，I、Q支路產生的相位差可能會超過鑒相器的工作范圍，從而造成鎖相環失鎖，接收機不能正常工作。INS 輔助的跟蹤環路，反饋校正量可以同時從環路和INS中獲得，INS能夠提供速度信息，抵消掉跟蹤環中大部分的動態，因此接收機在不增大環路帶寬的情況下，可以穩定跟蹤信號。INS輔助的接收機PLL環數學模型[5]如圖3所示。

圖3　INS輔助的接收機PLL環數學模型

(8)

環路的誤差傳遞函數為：

(9)

如果衛星相對載體做加速度運動，輸入信號的偽距為：

(10)

如果衛星相對載體做加加速度運動，則輸入信號偽距為：

(11)

可以分別求出式(4)和式(5)的拉式變換θi(s)，將式(4)帶入到慣性速度輔助的穩態誤差[8]函數eθ(s)中：

(12)

將式(5)帶入到其中得：

(13)

當k值非常大的時候，穩態誤差τ1/k≈0，因此INS輔助的GNSS跟蹤環路[9]對很大的加速度、速度不敏感，理論上無論載體的速度、加速度有多大，在不增大環路帶寬的情況下，系統都能穩定地跟蹤。

4 仿真結果分析

本文采用衛星導航信號源模擬高動態載體運動[10]，采用筆記本調試機進行仿真，設置信號的載噪比為40 dB/Hz，直線運動速度最大為6 000 m/s,最大的加速度為100 g，頻率搜索范圍為±10 kHz,DLL的牽引帶寬為10 Hz，工作帶寬為2 Hz，PLL的牽引帶寬為10 Hz,工作帶寬為5 Hz。下面分別對傳統接收機與INS輔助的GNSS接收機進行捕獲、跟蹤進行仿真分析[11]。

圖4和圖5是對接收機的6個通道進行捕獲，由于有INS預測出多普勒偏移，因此在很小的頻率搜索范圍內搜索即可，無INS輔助的捕獲時間大約在0.2 s，有INS輔助的捕獲時間大約在0.019 s，性能提升約10倍。

圖4　無INS輔助GNSS(6個通道)捕獲時間

圖5　有INS輔助GNSS(6個通道)捕獲時間

7號星的I/Q值如圖6和圖7所示。

圖6　無INS輔助GNSS跟蹤(I/Q值，7號星)

圖7　INS輔助GNSS跟蹤(I/Q值，7號星)

在超高動態環境下[12]，由于多普勒偏移過大，超過了環路的鑒相范圍，普通接收機不能對信號鎖定，I/Q比值大約在0.02左右，遠遠低于判決門限0.9，有INS輔助的I/Q值大約都在0.97左右，因此能夠穩定跟蹤環路。

5結束語

通過INS估算的加速度、速度觀測量計算多普勒偏移，來輔助載波環。本文通過仿真實驗，分析對比了在高動態環境下有無INS輔助接收機在信號捕獲、跟蹤這2個方面的性能，從時間和穩定性2個方面驗證了INS輔助GNSS接收機快速捕獲與穩定跟蹤的可行性。通過仿真可知，有INS輔助要比沒有INS輔助在捕獲時間上縮短了10倍，對于載體的超高動態，通過INS輔助可以穩定跟蹤信號，沒有輔助的不能跟蹤，對以后的工程應用有重要的實際指導意義。

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馬國駒男，(1991—)，在讀碩士。主要研究方向：INS/GNSS組合導航深耦合接收機。

蔚保國男，(1966—)，研究員，博士生導師。主要研究方向：GNSS信號處理與評估。

作者簡介

中圖分類號TN967

文獻標識碼A

文章編號1003-3106(2016)02-0023-04

基金項目：國家高技術研究發展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2015AA124001，2013AA12A206)。

收稿日期：2015-11-10

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.06

引用格式：馬國駒，蔚保國，賈瑞才，等.INS輔助GNSS高動態捕獲跟蹤技術研究[J].無線電工程,2016,46(2):23-26.