高動(dòng)態(tài)BDS接收機(jī)測(cè)速精度分析及改進(jìn)措施

劉盟超，趙丙風(fēng)，韓 帥

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.中華通信系統(tǒng)有限公司 河北分公司，河北 石家莊 050081)

高動(dòng)態(tài)BDS接收機(jī)測(cè)速精度分析及改進(jìn)措施

劉盟超1,2，趙丙風(fēng)1，韓 帥3

(1.衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)與裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050081；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；3.中華通信系統(tǒng)有限公司 河北分公司，河北 石家莊 050081)

基于高動(dòng)態(tài)BDS接收機(jī)高精度測(cè)速的需求，介紹了實(shí)現(xiàn)接收機(jī)速度測(cè)量的多普勒獲取方法，分析了高動(dòng)態(tài)應(yīng)用下的多普勒精度，將加加速度動(dòng)態(tài)下載波環(huán)路帶寬和觀測(cè)量更新頻率對(duì)多普勒誤差的影響進(jìn)行了仿真，提出了通過增加環(huán)路帶寬和提高觀測(cè)量更新頻率來改善加加速度應(yīng)力下的測(cè)速偏差的方法。應(yīng)用自研的高動(dòng)態(tài)BDS接收機(jī)，對(duì)速度、加速度和加加速度3種動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的測(cè)速精度進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。結(jié)果表明，BDS接收機(jī)能夠在10 000 m/s速度、100 g加速度動(dòng)態(tài)下實(shí)現(xiàn)0.05 m/s的測(cè)速精度，改善后在50 g/s加加速度動(dòng)態(tài)下可實(shí)現(xiàn)0.2 m/s的測(cè)速精度。

高動(dòng)態(tài)；測(cè)速；加加速度；北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)

0 引言

隨著北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)的建設(shè)，BDS接收機(jī)逐步應(yīng)用于高動(dòng)態(tài)民用航空應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，用戶需要接收機(jī)提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的速度測(cè)量結(jié)果，因此高動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境下的高精度測(cè)速成為了BDS接收機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)之一。

導(dǎo)航接收機(jī)通過對(duì)衛(wèi)星信號(hào)多普勒的測(cè)量實(shí)現(xiàn)自身速度的計(jì)算，而對(duì)衛(wèi)星信號(hào)載波相位的精確跟蹤是獲取準(zhǔn)確多普勒觀測(cè)值的前提。文獻(xiàn)[1-2]對(duì)高動(dòng)態(tài)應(yīng)用下導(dǎo)航接收機(jī)的載波相位跟蹤環(huán)路進(jìn)行了分析和仿真，并且對(duì)加速度下的環(huán)路狀態(tài)和多普勒測(cè)量精度進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[3-4]論述了多普勒測(cè)量值的獲取方法，利用載波相位差分獲得高精度多普勒測(cè)量值的方法得到了廣泛認(rèn)可和應(yīng)用。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)缺乏在高動(dòng)態(tài)應(yīng)用，特別是加加速度等高階動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的測(cè)速精度分析。

本文擬對(duì)BDS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境，特別是加加速度下的測(cè)速誤差進(jìn)行分析和仿真，提出切實(shí)可行的測(cè)速誤差改善措施，并利用自研的BDS接收機(jī)進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證和測(cè)試。

1 多普勒觀測(cè)量獲取原理

用于實(shí)現(xiàn)測(cè)速的多普勒觀測(cè)量可以通過接收機(jī)的鎖相環(huán)實(shí)時(shí)產(chǎn)生，也可以通過載波相位觀測(cè)量差分得到。由鎖相環(huán)產(chǎn)生多普勒近似于實(shí)時(shí)產(chǎn)生[5-6]，而載波相位差分獲得的是2個(gè)觀測(cè)量時(shí)刻之間的平均多普勒，因此前者具有較大的噪聲誤差而后者等效于在一個(gè)觀測(cè)量時(shí)間內(nèi)的平滑，從而隨機(jī)噪聲誤差得到了很好的抑制。

1.1 理想FIR濾波器

從載波中獲取多普勒需要經(jīng)過微分操作，理想離散時(shí)間微分器的頻率響應(yīng)如下：

(1)

式中，ω為輸入信號(hào)的頻率；ωs=2π/T為信號(hào)采樣頻率；T為對(duì)應(yīng)的采樣間隔。

由于載波相位觀測(cè)量是離散信號(hào)，所以可以采用卷積運(yùn)算完成對(duì)載波相位的微分，換句話說，對(duì)載波相位觀測(cè)量的微分過程可以等效為一個(gè)非遞歸有限沖擊響應(yīng)濾波器(FIR)：

(2)

1.2 中央差分逼近法

中央差分逼近法是依據(jù)泰勒級(jí)數(shù)展開來進(jìn)行多普勒估計(jì)的。給定方程f(x)和步進(jìn)值Δt，那么關(guān)于f(x)在x+Δt處的泰勒級(jí)數(shù)展為：

(3)

相同的，關(guān)于f(x)在x-Δt處的泰勒級(jí)數(shù)展開為：

(4)

結(jié)合式(3)和式(4)，可以得到多普勒的N點(diǎn)中央差分逼近法的通用表達(dá)式為：

Φ(t-kΔt))+O(ΔtN-1)。

(5)

式中，Ck為第k個(gè)差分項(xiàng)的系數(shù)；O(ΔtN-1)為高階截?cái)嗾`差；N為泰勒級(jí)數(shù)展開式的階數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中一般取≥3的奇數(shù)。

當(dāng)N=3時(shí)，載波相位的一階中央差分逼近，其嚴(yán)謹(jǐn)表達(dá)式為：

(6)

(7)

可以看出，一階中央差分逼近法在計(jì)算多普勒的過程中利用了3個(gè)載波歷元觀測(cè)量，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，并且能夠提供比較高的估計(jì)精度。很明顯，該方法估計(jì)出的多普勒值是2Δt時(shí)間內(nèi)的平均多普勒變化量，相比于瞬時(shí)多普勒估計(jì)值，其噪聲影響經(jīng)過時(shí)間平均后明顯下降[10]。一階中央差分逼近法是工程中應(yīng)用最廣泛的多普勒估計(jì)方法，也是尋求高精度測(cè)速的BDS接收機(jī)的最優(yōu)選擇。

2 高動(dòng)態(tài)應(yīng)用下多普勒精度分析

高動(dòng)態(tài)應(yīng)用是指BDS接收機(jī)在較大速度、加速度乃至加加速度運(yùn)動(dòng)環(huán)境的應(yīng)用，在這種環(huán)境下，接收機(jī)相對(duì)衛(wèi)星存在很大的動(dòng)態(tài)，從而對(duì)多普勒的獲取造成誤差。這種誤差通常來源于載波跟蹤環(huán)路的測(cè)量誤差和多普勒觀測(cè)量的估計(jì)誤差[11]。

2.1 載波跟蹤環(huán)路測(cè)量誤差

對(duì)于三階鎖相環(huán)設(shè)計(jì)的載波跟蹤環(huán)路，其環(huán)路測(cè)量誤差主要由熱噪聲誤差、基準(zhǔn)振蕩器相位噪聲和動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差組成[12]。根據(jù)上面的論述，熱噪聲誤差可以通過多普勒估計(jì)時(shí)對(duì)載波測(cè)量值的平均而大大削弱；基準(zhǔn)振蕩器相位噪聲帶來的誤差對(duì)于所有衛(wèi)星是相同的，因此可以在測(cè)速解算時(shí)消除，不會(huì)對(duì)測(cè)速精度造成影響；而動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差是根據(jù)載體與衛(wèi)星相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同而實(shí)時(shí)變化，直接疊加在多普勒估計(jì)值中并且是無法消除的。因此在高動(dòng)態(tài)應(yīng)用下，動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差是不可忽略的測(cè)量誤差之一。對(duì)于由最小均方誤差設(shè)計(jì)三階鎖相環(huán)濾波器，其動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差為[13]：

(8)

由式(8)可知，對(duì)于三階鎖相環(huán)，速度應(yīng)力與加速度應(yīng)力不會(huì)對(duì)環(huán)路造成影響，而加加速度應(yīng)力會(huì)給環(huán)路引入動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差，此時(shí)多普勒測(cè)量值會(huì)隨之出現(xiàn)測(cè)量誤差。例如，當(dāng)用戶相對(duì)衛(wèi)星處在10 g/s的勻加加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于BDS系統(tǒng)B3頻點(diǎn)信號(hào)，可以計(jì)算得到18 Hz帶寬的三階鎖相環(huán)多普勒測(cè)量誤差為0.034 Hz。其中g(shù)為重力加速度，取值為9.8 m/s2，即

(9)

2.2 多普勒估計(jì)誤差

通過2.1節(jié)的論述，采用式(7)進(jìn)行的一階中央差分逼近法多普勒估計(jì)存在高階截?cái)嗾`差，為：

(10)

同樣，當(dāng)用戶相對(duì)衛(wèi)星處在10 g/s的勻加加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，對(duì)于BDS系統(tǒng)B3頻點(diǎn)信號(hào)，當(dāng)觀測(cè)量采樣頻率為10 Hz時(shí)，可以計(jì)算得到利用一階中央差分逼近法進(jìn)行多普勒估計(jì)的誤差為0.691 Hz，即

(11)

2.3 誤差改善措施分析

根據(jù)式(8)可知，載波跟蹤環(huán)路動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差的大小與環(huán)路噪聲帶寬的3次方成反比，因此，增加環(huán)路帶寬可以很好地降低動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差。然而，環(huán)路帶寬過寬會(huì)導(dǎo)致更多頻率的噪聲通過濾波器，使環(huán)路的噪聲性能下降，從而增加信號(hào)跟蹤的噪聲誤差，通常的高動(dòng)態(tài)接收機(jī)中要求三階PLL帶寬不超過25 Hz[14]。因此，合理的選擇環(huán)路帶寬是高動(dòng)態(tài)載波跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[15]。對(duì)不同環(huán)路帶寬下的多普勒測(cè)量誤差進(jìn)行了仿真如圖1(a)所示，仿真信號(hào)頻點(diǎn)為BDS系統(tǒng)B3頻點(diǎn)。由圖1(a)可知，多普勒測(cè)量誤差隨著環(huán)路帶寬的增加而減小，與環(huán)路帶寬的3次方成反比。

圖1 多普勒誤差影響因素

根據(jù)式(10)可知，利用一階中央差分逼近法進(jìn)行多普勒估計(jì)帶來的高階截?cái)嗾`差與載波相位觀測(cè)量的時(shí)間間隔Δt的平方成正比。因此，提高觀測(cè)量更新頻率，即減小觀測(cè)量的時(shí)間間隔Δt，可以有效地降低高階截?cái)嗾`差。事實(shí)上，根據(jù)泰勒級(jí)數(shù)展開逼近法的原理，更高階的泰勒級(jí)數(shù)展開可以無失真地逼近更高階的頻率分量，但是高階運(yùn)算帶來的計(jì)算負(fù)擔(dān)與其性能增長(zhǎng)不成比例，不適合工程應(yīng)用。因此，通過提高觀測(cè)量的更新頻率來降低多普勒估計(jì)誤差是工程中的常用方法，特別是在高動(dòng)態(tài)應(yīng)用場(chǎng)合，為了保證實(shí)時(shí)定位和測(cè)速，接收機(jī)通常會(huì)盡可能地提高觀測(cè)量更新頻率。

然而，通過1.1節(jié)的論述可知，利用載波相位進(jìn)行多普勒估計(jì)的方法等效于將2個(gè)觀測(cè)量之間的多普勒進(jìn)行平均，觀測(cè)量更新頻率越高，平均時(shí)間越短，則多普勒的噪聲誤差越大。同時(shí)，觀測(cè)量更新頻率越高意味著測(cè)速解算處理時(shí)間越短，對(duì)硬件設(shè)計(jì)資源和硬件復(fù)雜度的要求就越高，大大提高設(shè)計(jì)成本和功耗。因此，對(duì)高動(dòng)態(tài)BDS接收機(jī)來說，100 Hz是通常觀測(cè)量更新頻率的極限。對(duì)不同觀測(cè)量更新頻率下的多普勒估計(jì)誤差進(jìn)行了仿真如圖1(b)所示，仿真信號(hào)頻點(diǎn)為BDS系統(tǒng)B3頻點(diǎn)。由圖1(b)可知，多普勒測(cè)量誤差隨著觀測(cè)量更新頻率的增加而減小，與觀測(cè)量更新頻率的平方成反比。

3 測(cè)速精度測(cè)試與結(jié)果分析

利用自研的BDS接收機(jī)對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下測(cè)速精度進(jìn)行測(cè)試，BDS接收機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù)為：信號(hào)為BDS系統(tǒng)B3頻點(diǎn)，載波跟蹤環(huán)路采用三階鎖相環(huán)，環(huán)路帶寬默認(rèn)為18 Hz；載波相位觀測(cè)量更新頻率默認(rèn)為10 Hz；多普勒估計(jì)方法為一階中央差分法，如式(7)所示；速度解算方法選擇最小二乘法[16]。

采用BDS導(dǎo)航信號(hào)模擬器產(chǎn)生高動(dòng)態(tài)用戶場(chǎng)景，分別產(chǎn)生勻速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景、勻加速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景和勻加加速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景。其中，勻速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景設(shè)計(jì)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，速度分別為1 km/s、5 km/s和10 km/s，測(cè)速誤差如圖2所示。由圖2可知，在勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，僅有速度應(yīng)力影響，測(cè)速結(jié)果僅有隨機(jī)噪聲誤差，不存在其他誤差。

圖2 勻速運(yùn)動(dòng)測(cè)速誤差

勻加速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景設(shè)計(jì)為勻加速直線運(yùn)動(dòng)，加速度分別為10 g、50 g和100 g，測(cè)速誤差如圖3所示。由圖3可知，在勻加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，有加速度應(yīng)力和速度應(yīng)力影響，測(cè)速結(jié)果僅有隨機(jī)噪聲誤差，不存在其他誤差。

圖3 勻加速運(yùn)動(dòng)測(cè)速誤差

勻加加速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)景設(shè)計(jì)為勻速運(yùn)動(dòng)(10 m/s)->勻加加速運(yùn)動(dòng)->勻加速運(yùn)動(dòng)(100 g)，加加速度分別設(shè)計(jì)為10 g/s、20 g/s和30 g/s，測(cè)速誤差如圖4所示。

圖4 勻加加速運(yùn)動(dòng)測(cè)速誤差

由圖4可知，在接收機(jī)進(jìn)入勻加加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，測(cè)速誤差產(chǎn)生跳變，并且在勻加加速度階段保持穩(wěn)定，說明測(cè)速結(jié)果與真實(shí)速度值之間存在一定的偏差。這是由加加速度引起的環(huán)路動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差和多普勒估計(jì)誤差帶來的，由于環(huán)路動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差和多普勒估計(jì)誤差均是加加速度的一次函數(shù)，因此在勻加加速度下，誤差值保持不變，則測(cè)速結(jié)果的偏差值保持穩(wěn)定，并且與加加速度大小成正比。

按照2.3節(jié)論述的方法對(duì)BDS接收機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。將載波環(huán)路帶寬增加到25 Hz，觀測(cè)量更新頻率提高到50 Hz，再次進(jìn)行勻加加速運(yùn)動(dòng)測(cè)試，加加速度分別設(shè)計(jì)為10 g/s，30 g/s和更高的50 g/s，測(cè)速誤差如圖5所示。由圖5可知，提升環(huán)路帶寬和觀測(cè)量更新頻率使測(cè)速的隨機(jī)誤差變大，但是對(duì)加加速度動(dòng)態(tài)下的測(cè)速偏差有明顯改善。在30 g/s加加速度時(shí)，其測(cè)速偏差由改善前的0.4 m/s減小到0.1 m/s，而50 g/s時(shí)測(cè)速偏差也小于0.2 /s。

圖5 改進(jìn)后勻加加速運(yùn)動(dòng)測(cè)速誤差

由上述測(cè)試結(jié)果，可以得出：

① 速度應(yīng)力和加速度應(yīng)力對(duì)基于三階鎖相環(huán)設(shè)計(jì)接收機(jī)不會(huì)造成影響，測(cè)試結(jié)果表明在10 000 m/s速度和100 g加速度環(huán)境下，測(cè)速誤差仍能保證在0.05 m/s以內(nèi)。

② 加加速度應(yīng)力會(huì)給多普勒測(cè)量引入誤差，從而使測(cè)速結(jié)果產(chǎn)生偏差，偏差大小與加加速度大小成正比。

③ 增加載波環(huán)路帶寬和提高觀測(cè)量更新頻率雖然令多普勒測(cè)量精度變差，導(dǎo)致測(cè)速的隨機(jī)誤差變大，但是能夠使加加速度應(yīng)力引入的多普勒誤差減小，從而使測(cè)速結(jié)果的偏差獲得很大改善。測(cè)試結(jié)果表明，25 Hz環(huán)路帶寬和50 Hz觀測(cè)量更新頻率設(shè)計(jì)時(shí)，接收機(jī)能夠在50 g/s的加加速度下測(cè)速誤差小于0.2 m/s。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于對(duì)多普勒誤差的分析，利用自研的BDS接收機(jī)對(duì)高動(dòng)態(tài)場(chǎng)景的測(cè)速精度進(jìn)行了專題驗(yàn)證測(cè)試，對(duì)不同動(dòng)態(tài)應(yīng)力下的測(cè)速誤差得到了實(shí)測(cè)結(jié)果，通過增加載波環(huán)路帶寬和提高觀測(cè)量更新頻率的措施使加加速度環(huán)境下的測(cè)速偏差獲得改善，有效地提高了測(cè)速精度。高動(dòng)態(tài)BDS接收機(jī)在研制過程中可根據(jù)實(shí)際動(dòng)態(tài)大小靈活地選擇環(huán)路噪聲帶寬和觀測(cè)量更新頻率，以滿足用戶對(duì)測(cè)速精度的要求。

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Analysis and Improvement of Velocity Determination Accuracy of High Dynamic BDS Receiver

LIU Meng-chao1,2,ZHAO Bing-feng1,HAN Shuai3

(1.StateKeyLaboratoryofSatelliteNavigationSystemandEquipmentTechnology,ShijiazhuangHebei050081,China;2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China;3.ChinaCommunicationSystemsCo.Ltd.,HebeiBranch,ShijiazhuangHebei050081,China)

Based on the requirement of high accuracy velocity determination,the Doppler acquisition method for high dynamic BDS receiver velocity determination is introduced,and the Doppler accuracy in high dynamic application is analyzed.The influence of carrier loop bandwidth and observation frequency on Doppler error is analyzed.The velocity determination deviation under jerk is improved by increasing the loop bandwidth and updating the observation frequency.The accuracies of velocity determination under dynamic stresses of velocity,acceleration and jerk are tested by a self-developed high dynamic BDS receiver.The results show that the velocity determination accuracy of BDS receiver can be 0.05 m/s under 10 000 m/s velocity and 100 g acceleration,and 0.2 m/s under 50 g/s jerk after improvement.

high dynamic;velocity determination;jerk;BDS

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.07.10

劉盟超,趙丙風(fēng),韓帥.高動(dòng)態(tài)BDS接收機(jī)測(cè)速精度分析及改進(jìn)措施[J].無線電工程,2017,47(7):42-46.[LIU Mengchao,ZHAO Bingfeng,HAN Shuai.Analysis and Improvement of Velocity Determination Accuracy of High Dynamic BDS Receiver[J].Radio Engineering,2017,47(7):42-46.]

2016-11-04

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題基金資助項(xiàng)目(2016YFB0502402)。

P228.4

A

1003-3106(2017)07-0042-05

劉盟超 男，(1985—)，碩士，工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理。

趙丙風(fēng) 男，(1988—)，碩士，助理工程師。主要研究方向：衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)處理。