INS輔助的衛(wèi)星接收機高動態(tài)信號捕獲仿真研究

湯霞清 陳書磊 武萌 高軍強

摘 要： 由于多普勒頻移嚴(yán)重影響信號捕獲，因此使用INS輔助的GNSS信號捕獲方法，提升接收機性能。通過分析不同精度INS輔助衛(wèi)星接收機捕獲的性能，解決了特定條件下捕獲性能問題和慣性器件的選擇問題。比較傳統(tǒng)捕獲算法和INS輔助的捕獲方法的基本原理，分析INS速度誤差、位置誤差對接收機多普勒誤差的影響。模擬高動態(tài)載體的行駛軌跡，并采用不同精度的INS輔助接收機捕獲，獲得捕獲性能的指標(biāo)結(jié)果，選出最適合需求的INS的精度等級。結(jié)果表明，通過選擇的INS輔助，提高了接收機對衛(wèi)星信號的捕獲靈敏性，具有極高的性價比；對于高動態(tài)應(yīng)用條件，該結(jié)果對組合導(dǎo)航傳感器和型號的選擇具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： INS輔助接收機； 衛(wèi)星接收機； 高動態(tài)信號捕獲； INS； 性能分析； 仿真研究

中圖分類號： TN911.7?34； V249.328 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）17?0062?05

Abstract： Since the signal acquisition is affected by Doppler frequenter shift greatly， the INS?aided GNSS （global navigation satellite system） signal acquiring method is adopted to improve the performance of receiver. The acquisition performance of the INS?aided satellite receivers with different accuracies is analyzed to solve the acquisition problem and inertial device selection problem under the special condition. The basic principles of the traditional acquisition algorithm and INS?aided acquisition algorithm are compared to analyze the influence of INS speed error and position error on Doppler error of the receiver. The traveling trajectory of the high?dynamic carrier is simulated， and acquired by the INS?aided receivers with different accuracies to get the index of the acquisition performance and select the accuracy level most suitable for the INS. The results show that the INS?aided satellite receiver can improve the acquisition sensitivity of the satellite signal， and has high cost performance， which has the guidance significance for the selection of integrated navigation sensor and its type under the condition of high?dynamic applications.

Keywords： INS?aided receiver； satellite receiver； high?dynamic signal acquisition； INS； performance analysis； simulation research

0 引 言

衛(wèi)星接收機的研究是當(dāng)前國防科技發(fā)展的熱點之一，如何提高接收機捕獲衛(wèi)星信號的快速性和準(zhǔn)確性更是研究的重點。在復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境下，衛(wèi)星信號將會大大減弱，此時衛(wèi)星接收機需要更高的性能才能捕獲在高動態(tài)、高干擾的環(huán)境下的衛(wèi)星信號[1]。

解決衛(wèi)星信號捕獲和跟蹤問題主要可以從兩方面入手，一方面是從采取硬件升級的方法，另一方面是用例如慣性導(dǎo)航系統(tǒng)等多傳感器進行信息的融合，輔助BDS接收機工作。前者由于對接收機天線等硬件設(shè)施的升級需投入較大的人力物力來研發(fā)，而后者即使較低精度的傳感器也能獲得接收機較大的性能提升，因此目前多采用慣導(dǎo)系統(tǒng)輔助北斗衛(wèi)星接收機的組合導(dǎo)航方式進行精確可靠的導(dǎo)航定位。文獻[2]研究顯示INS（Inertial Navigation System）輔助捕獲可以有效提升接收機性能，文獻[3]研究表明INS的精度越高對接收機性能提升越好，文獻[4]研究表明高動態(tài)下INS輔助的GNSS（Global Navigation Satellite System）接收機捕獲更快、跟蹤更穩(wěn)定。

本文分析INS輔助接收機捕獲的原理，推算INS的速度誤差和位置誤差與多普勒誤差和碼相位誤差的關(guān)系；通過仿真載體在高動態(tài)環(huán)境下的運動，采用不同精度的INS進行輔助信號捕獲。通過對結(jié)果的分析，構(gòu)造出載體在特定的動態(tài)條件下，不同INS對捕獲性能的提升曲線，并選擇出性價比最優(yōu)的INS。本研究對組合導(dǎo)航中慣性傳感器的選擇具有指導(dǎo)意義。

1 INS輔助的信號捕獲分析

1.1 串行二維搜索法

衛(wèi)星接收機將接收的信號進行中頻采樣后變成中頻信號，與本地信號的正弦波和余弦波進行相乘混頻，兩路積分后將判決量進行判決，檢測是否存在相應(yīng)的衛(wèi)星信號，若不存在則改變本地信號的頻率和碼相位，繼續(xù)進行判決。INS和星歷歷書信息可以幫助設(shè)定搜索范圍，從而可以大大減少碼域和頻域搜索的次數(shù)。輔助捕獲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對式（6）、式（7）得出的結(jié)果取模并進行門限判決：如果有足夠強的尖峰出現(xiàn)則實現(xiàn)了信號的捕獲，尖峰出現(xiàn)偽碼相位，而此時本地載波的頻率則為信號的載波頻率；否則通過控制器件調(diào)整本地載波頻率和碼相位，直到出現(xiàn)超過檢測閾值的尖峰為止。

從本質(zhì)上來說，串行相關(guān)滑動捕獲算法就是通過不斷改變本地信號的頻率和碼相位來縮小搜索范圍，最終確定捕獲的信號[5]。圖2為串行滑動相關(guān)搜索視圖。

如果減少預(yù)檢測積分時間和多普勒頻移估計誤差，那么衛(wèi)星接收機的信號捕獲成功率就越大。但預(yù)檢測積分時間的減小將會導(dǎo)致相關(guān)時間間隔內(nèi)總采樣點數(shù)的減少，從而造成相關(guān)運算中信號總功率的減小，在一定程度上反而增加了信號捕獲的難度。因此，通常預(yù)檢測積分時間的選取不會輕易改變，可以作為折中要素，多普勒頻移誤差是影響信號損耗和信號捕獲成功率的主要因素。

當(dāng)檢測閾值為0.95時，多普勒誤差小于200 Hz，碼相位誤差小于[14]個碼片時，捕獲靈敏度較高，并且計算可得此時所需信噪比約為41 dBHz，此時，誤差越大，所需信噪比的提升越大。

2 仿真實驗

假設(shè)載體做初速度為340 m/s的高動態(tài)運動，平均加速度為2 m/s2，總共運行了280 s，衛(wèi)星接收機的濾波和輸出周期均為1 s，在各個方向上的方差小于10 m，速度誤差為0.l m/s，速度方差為0.1 m/s。接收機采用10組不同精度的INS分別進行仿真信號捕獲的輔助，這10組INS涵蓋了MENS級、戰(zhàn)術(shù)級和導(dǎo)航級三個層次的精度等級。10組INS的陀螺儀精度和加速度計精度的組合如表1所示。

B1頻段的載波頻率為1 561.095 MHz，1 ms包含2 046個碼片，仿真其導(dǎo)航過程中，采用INS單獨運行150 s的信息進行輔助捕獲，通過與真實軌跡的對比可得多普勒頻移誤差和碼相位偏移誤差。表2為仿真數(shù)據(jù)表。

3 實驗分析

根據(jù)仿真得到的INS解算的多普勒頻移誤差和碼相位偏移誤差，可以得到在150 s時不同精度INS對衛(wèi)星信號的檢測概率，從而得到接收機的捕獲靈敏度如表3所示。

通過表1～表3的數(shù)據(jù)，構(gòu)造不同精度INS的捕獲靈敏度的關(guān)系圖，其中[x]軸為陀螺漂移，[y]軸為加速度計漂移，[z]軸為捕獲靈敏度，如圖5所示。

已知在檢測閾值為0.95時，INS解算的多普勒誤差小于200 Hz，碼相位誤差小于[14]個碼片時，捕獲靈敏度較高。使用文中的研究方法，通過圖5可以得到，陀螺儀精度更大程度決定了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的精度，并且，當(dāng)捕獲靈敏度約為41 dBHz時，使用55 （°）/h精度的陀螺儀能取得較好的捕獲結(jié)果。如果考慮性價比因素和圖5所示的結(jié)果，采用10 mg精度的加速度計組成的慣導(dǎo)儀器輔助捕獲，可以獲得較好的捕獲性能，捕獲時間較短，且性價比較高。

利用此精度的INS進行總時間為600 s的不同軌跡的高動態(tài)仿真試驗，初始速度為0，最大加速度為10 m/s2，轉(zhuǎn)向最大角速度為30 （°）/s，最大速度300 m/s以上，仿真軌跡如圖6所示。

INS單獨運行150 s輸出的信息進行輔助捕獲，最終得出加入選定INS輔助與無輔助的捕獲靈敏度對比如圖7所示。

由圖7可以看出，使用預(yù)先選定的INS可以明顯提升接收機的捕獲靈敏度4～5 dBHz。將有無INS輔助捕獲進行量化對比，見表4。通過INS和星歷的輔助，可以使捕獲運算量能下降一個數(shù)量級，使接收機更快地捕獲到衛(wèi)星信號。

假設(shè)北斗接收機的檢測概率[Pd]為0.95，虛警概率[Pfa]為0.01，并且時域捕獲時積分時間為1 ms，接收機系統(tǒng)時鐘為5.714 MHz，無INS輔助時所需時間大于180 s，而有INS輔助的捕獲時間小于2 s。所以通過所選擇的INS輔助可以大幅度縮減衛(wèi)星信號的捕獲時間。INS輔助接收機捕獲信號的效果顯著。

4 結(jié) 論

為了使衛(wèi)星接收機在高動態(tài)條件下性能提升幅度較大，并且考慮價格和工藝等多種因素，采用多組不同精度INS分別輔助接收機捕獲信號。結(jié)果表明，誤差為55 （°）/h的陀螺儀和10 mg的加速度計組成的慣導(dǎo)設(shè)備在高動態(tài)條件下能大幅提高接收機的捕獲靈敏度，減少了計算量，并縮短捕獲時間，在價格上也有絕對的優(yōu)勢。

此研究為組合導(dǎo)航研究中高動態(tài)下慣導(dǎo)器件的選擇提供了參考，為設(shè)計出價格更低、精度更高的組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有指導(dǎo)意義。同時，對于提高部隊武器裝備的制導(dǎo)能力和精確制導(dǎo)具有重要意義。

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