CN102830408B - 一种惯性信息辅助的卫星接收机基带信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性信息辅助的卫星接收机基带信号处理方法，包括以下步骤：(1)建立适用于高动态4阶PLL载波跟踪环的状态空间方程；(2)使用4阶PLL载波跟踪环模型和预测估计方法估计载波相位及多普勒频移，用于计算载波NCO控制量(3)引入惯性辅助信息计算载体至卫星视线速度，得到当前多普勒频移用以辅助载波环路的跟踪，并计算载波NCO控制量(4)使用4阶PLL载波跟踪环估计的多普勒频移辅助码跟踪环，码跟踪环采用2阶DLL。本发明具有动态性高、跟踪误差小、鲁棒性好、适用范围广等优点。

Description

一种惯性信息辅助的卫星接收机基带信号处理方法

技术领域

本发明主要涉及到卫星导航和GNSS/INS组合导航系统领域，特指一种利用惯性信息辅助卫星基带信号处理方法。

背景技术

全球导航卫星系统(GNSS，Global Navigation Satellite System)主要包括美国的GPS(GlobalPositioning System)、俄罗斯的GLONAS S(GLObal NAvigation Satellites System)、欧洲的Galileo以及我国的北斗导航系统等，具有全球性、全天候、连续的、实时的精密三维导航与定位能力，且其误差不随时间发散，但是易受遮挡和干扰。

惯性导航系统(INS，Inertial Navigation System)是一种完全自主的导航系统，具有不依赖外界信息、隐蔽性好、抗辐射性强、全天候等优点，且能实时提供多种导航参数如位置、速度、姿态等。但INS存在陀螺仪、加速度计等器件误差，使得定位误差随时间而积累。根据INS和GNSS导航功能互补的特点，以适当的方法将两者组合来提高系统的整体导航精度及导航性能。

在高动态、超高动态的应用背景下，单独的GNSS接收机难以正常工作，其主要问题是接收机载波环路的动态性不足以跟踪高动态卫星载波信号的多普勒变化，甚至已跟踪的信号也会发生失锁。跟踪的动态性要求带宽越宽越好，这样就能够适应载体产生的大的速度、加速度以及加加速度的情况；而过大的带宽必然引入更大的噪声，使得信号的输出信噪比降低，从而降低了导航系统的跟踪灵敏度。利用惯性信息辅助GNSS接收机的跟踪，可提高跟踪环路的动态性能，同时保证跟踪精度满足导航数据解码的要求，是解决接收机适应高动态以及超高动态需求的有效途径。

对于惯性信息辅助接收机环路跟踪问题，大量学者进行了相关研究。他们的研究主要针对惯性信息辅助的2阶或者3阶PLL环路，如Soloviev应用360°/h精度的陀螺与2mg精度的加速度计组成的INS，有效辅助跟踪15dB/Hz的GPS信号，在高动态条件下缺乏验证；Alban给出了INS辅助的多普勒与接收机时钟误差的估计方法，提高了系统精度与鲁棒性。

但是，目前惯性信息辅助的GNSS基带信号处理方法主要采用2阶或者3阶PLL跟踪载波信号，存在以下不足：当惯性误差较大时，跟踪鲁棒性较差，难以满足航天、航空日益迫切的高动态和高精度的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种动态性高、跟踪误差小、鲁棒性好、适用范围广的惯性信息辅助的卫星接收机基带信号处理方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种惯性信息辅助的卫星接收机基带信号处理方法，包括以下步骤：

(1)建立适用于高动态4阶PLL载波跟踪环的状态空间方程，其中以载波相位估计值

多普勒频移

多普勒频移率

多普勒频移加速度

作为状态变量，以载波相位鉴相器的输出

作为测量值；

(2)使用4阶PLL载波跟踪环模型和预测估计方法估计载波相位及多普勒频移，用于计算载波NCO控制量

(3)引入惯性辅助信息计算载体至卫星视线速度，得到当前多普勒频移用以辅助载波环路的跟踪，并计算载波NCO控制量

(4)使用4阶PLL载波跟踪环估计的多普勒频移辅助码跟踪环，码跟踪环采用2阶DLL。

作为本发明的进一步改进：

所述步骤(1)的4阶PLL状态空间方程的状态矢量为

其中，

为第k时刻的载波相位，

为第k时刻的多普勒频移，

为第k时刻的多普勒频移率，

为第k时刻的多普勒频移加速度。

所述步骤(3)根据惯性信息计算载体至卫星视线速度，得到多普勒公式为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{INS},k}=\frac{f_{\mathrm{ca}}}{c}({\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{rx},k}-{\stackrel{\→}{v}}_{s,k}){\stackrel{\→}{e}}_k$

其中，为第k时刻由惯性信息计算得到的多普勒频移，f_ca为发射信号的载波频率，c为光速，

为第k时刻载体速度矢量，

为第k时刻卫星速度矢量，为载体至卫星视线矢量，表示为

其中，

为第k时刻载体位置矢量，

为第k时刻卫星位置矢量。

所述步骤(3)中载波NCO控制量的计算公式为：

${\hat{f}}_{\mathrm{ca},\mathrm{NCO},k+1}=f_{\mathrm{IF}}+\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},k+1}^{-}+\frac{{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{+}-{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{-}}{2\mathrm{\π\τ}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{INS},k+1}$

其中，f_IF为GNSS基带信号的中频频率，τ为环路更新时间，为第k时刻的载波相位预测值，

为第k+1时刻的载波相位预测值，上标-和+分别表示更新前和更新后。

所述步骤(4)的多普勒频移辅助码跟踪环方法为根据PLL状态矢量的载波多普勒频移项计算当前的码多普勒频移

码跟踪环路采用典型的二阶跟踪环。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明针对高动态应用背景，建立4阶PLL载波跟踪环状态方程，使用载波鉴相器的输出作为测量值，估计出卫星信号载波相位和多普勒频移。该方法与传统的2阶或3阶PLL相比，具有鲁棒性强，跟踪精度高的特点。

2、本发明使用惯性信息对4阶PLL载波跟踪环进行辅助，使用惯性信息抵消了载体动态性能的影响，而使用4阶PLL载波跟踪环对惯性信息抵消后剩余的动态性能跟踪具强的鲁棒性，从而提高了载波跟踪的动态性能。

3、本发明有效解决了高动态载体接收的卫星信号载波跟踪容易失锁的问题，应用本方法的载波跟踪环路具有动态性高、鲁棒性好和跟踪误差小的优点，使GNSS接收机在航空、航天等高动态应用具有更好的应用前景。

附图说明

图1是本发明方法的流程示意图。

图2是本发明在应用实例中的框架原理示意图。

具体实施方式

以下将结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，为本发明的惯性信息辅助的卫星接收机基带信号处理方法的流程示意图；参见图2，为一种跟踪环路结构示意图，本发明在其中应用时的具体流程为：

1.建立适用于高动态4阶PLL载波跟踪环的状态空间方程，其中以载波相位估计值

多普勒频移

多普勒频移率

多普勒频移加速度

作为状态变量，以载波相位鉴相器的输出

作为测量值。

即，建立高动态4阶PLL载波跟踪环的状态空间方程的状态矢量为：

$X_k={\left[\begin{array}{cccc}{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}& \mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},k}& \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{ca},k}& \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·\·}{f}}}_{\mathrm{ca},k}\end{array}\right]}^T;$ 其中，为第k时刻的载波相位，

为第k时刻的多普勒频移，

为第k时刻的多普勒频移率，

为第k时刻的多普勒频移加速度。

载波相位鉴相器的输出为下式(1)：

${\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca}}=\arctan (Q_P,I_P)$ (二象限反正切)                (1)

其中，Q_P为基带测量信号正交项累加值，I_P为基带测量信号同项累加值。

2.使用4阶PLL载波跟踪环模型和预测估计方法估计载波相位及多普勒频移，用于计算载波NCO控制量

即，4阶载波相位估计值

多普勒频移多普勒变化率

和多普勒频移加速度由下式(2)更新：

$\left[\begin{array}{c}{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{+}\\ \mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},k}^{+}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{ca},k}^{+}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·\·}{f}}}_{\mathrm{ca},k}^{+}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{-}\\ \mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},k}^{-}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{ca},k}^{-}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·\·}{f}}}_{\mathrm{ca},k}^{-}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{K}_1\\ K_2\\ K_3\\ K_4\end{array}\right]\mathrm{\δ}{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}---\left(2\right)$

其中，K₁、K₂、K₃和K₄为跟踪环增益，可以根据环路的带宽B和环路更新时间τ确定；下标k表示迭代次数，上标-和+分别表示更新前和更新后。

载波相位跟踪环的估计值的预测可表示为：

$\left[\begin{array}{c}{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k+1}^{-}\\ \mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},k+1}^{-}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{ca},k+1}^{-}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·\·}{f}}}_{\mathrm{ca},k+1}^{-}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cccc}1& \mathrm{\τ}& {\mathrm{\τ}}^2/2& {\mathrm{\τ}}^3/6\\ 0& 1& \mathrm{\τ}& {\mathrm{\τ}}^2/2\\ 0& 0& 1& \mathrm{\τ}\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{+}\\ \mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},k}^{+}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{ca},k}^{+}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·\·}{f}}}_{\mathrm{ca},k}^{+}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{f}_{\mathrm{IF}}\mathrm{\τ}\\ 0\\ 0\\ 0\end{array}\right]---\left(3\right)$

其中，f_IF为GNSS基带信号的中频频率(没有包含多普勒频率)，τ为环路更新时间。

3.引入惯性辅助信息计算视线速度，得到当前多普勒频移

用以辅助载波环路的跟踪，并计算载波NCO控制量

根据惯性信息计算载体至卫星视线速度，得到多普勒公式为下式(4)：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{INS},k}=\frac{f_{\mathrm{ca}}}{c}({\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{rx},k}-{\stackrel{\→}{v}}_{s,k}){\stackrel{\→}{e}}_k---\left(4\right)$

其中，

为第k时刻由惯性信息计算得到的多普勒频移，f_ca为发射信号的载波频率，c为光速，

为第k时刻载体速度矢量，

为第k时刻卫星速度矢量；为载体至卫星视线矢量，表示为其中

为第k时刻载体位置矢量，

为第k时刻卫星位置矢量。

可以理解，辅助信息的来源并不局限于惯性信息，也可使用其它速度传感器输出信息辅助。

根据载波跟踪估计载波相位及多普勒频移以及惯性辅助信息计算的多普勒频移

载波NCO控制量的计算公式为下式(5)：

${\hat{f}}_{\mathrm{ca},\mathrm{NCO},k+1}=f_{\mathrm{IF}}+\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},k+1}^{-}+\frac{{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{+}-{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{-}}{2\mathrm{\π\τ}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{INS},k+1}---\left(5\right)$

其中，f_IF为GNSS基带信号的中频频率(没有包含多普勒频率)，τ为环路更新时间，

为第k时刻的载波相位预测值，为第k+1时刻的载波相位预测值，上标-和+分别表示更新前和更新后。

4.使用4阶PLL载波跟踪环估计的多普勒频移辅助码跟踪环，码跟踪环采用2阶DLL。

(a)载波环跟踪的多普勒频率计算，4阶PLL载波跟踪环估计的多普勒频移可以表示成下式(6)：

$\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},\mathrm{dpl},k+1}=\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},k+1}^{-}+\frac{{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{+}-{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{-}}{2\mathrm{\π\τ}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{INS},k+1}---\left(6\right)$

(b)根据上述的表达式可以得到码跟踪环的辅助量

为下式(7)：

$\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{co},k+1}=\frac{f_{\mathrm{co}}}{f_{\mathrm{ca}}}\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},\mathrm{dpl},k+1}---\left(7\right)$

其中，f_ca为发射信号的载波频率，f_co为发射信号的码速率。

(c)根据码跟踪环路的鉴别器计算公式，码跟踪误差

为下式(8)：

$\mathrm{\δ}{\tilde{x}}_{\mathrm{co}}=\frac{\sqrt{(I_E^2+Q_E^2)}-\sqrt{(I_L^2+Q_L^2)}}{\sqrt{(I_E^2+Q_E^2)}+\sqrt{(I_L^2+Q_L^2)}}---\left(8\right)$

(d)2阶DLL码相位估计值码相位率

的更新和预测公式如下式(9)：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\tilde{t}}_{\mathrm{co},k}^{+}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·}{t}}}_{\mathrm{co},k}^{+}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\tilde{t}}_{\mathrm{co},k}^{-}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·}{t}}}_{\mathrm{co},k}^{-}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{K}_{\mathrm{co},1}\\ K_{\mathrm{co},2}\end{array}\right]\mathrm{\δ}{\tilde{x}}_{\mathrm{co},k}---\left(9\right)$

其中，K_co，1和K_co，2为码跟踪环增益，可以根据环路的带宽B和环路更新时间τ确定；下标k表示迭代次数，上标-和+分别表示更新的前后。

DLL跟踪环的估计值的预测可表示为下式(9)：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\tilde{t}}_{\mathrm{co},k+1}^{-}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·}{t}}}_{\mathrm{co},k+1}^{-}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& \mathrm{\τ}\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\tilde{t}}_{\mathrm{co},k}^{+}\\ \mathrm{\Δ}{\widetilde{\stackrel{\·}{t}}}_{\mathrm{co},k}^{+}\end{array}\right]---\left(10\right)$

其中，τ为环路更新时间。

(e)根据载波跟踪估计载波相位及多普勒频移、以及惯性辅助信息计算的多普勒频移码NCO控制量的计算公式为下式(11)：

${\hat{f}}_{\mathrm{co},\mathrm{NCO},k+1}=\frac{\mathrm{\Δ}{\tilde{t}}_{\mathrm{co},k+1}^{-}-\mathrm{\Δ}{\tilde{t}}_{\mathrm{co},k}^{-}}{\mathrm{\τ}}{f}_{\mathrm{co}}+\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{co},k+1}---\left(11\right)$

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种惯性信息辅助的卫星接收机基带信号处理方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）建立适用于高动态4阶PLL载波跟踪环的状态空间方程，其中以载波相位估计值

多普勒频移

多普勒频移率

多普勒频移加速度

作为状态变量，以载波相位鉴相器的输出作为测量值；

（2）使用4阶PLL载波跟踪环模型和预测估计方法估计载波相位及多普勒频移，用于计算载波NCO控制量

（3）引入惯性辅助信息计算载体至卫星视线速度，得到当前多普勒频移

用以辅助载波环路的跟踪，并计算载波NCO控制量

（4）使用4阶PLL载波跟踪环估计的多普勒频移辅助码跟踪环，码跟踪环采用2阶DLL；

所述步骤（1）的4阶PLL状态空间方程的状态矢量为

其中，

为第k时刻的载波相位估计值，

为第k时刻的多普勒频移，

为第k时刻的多普勒频移率，

为第k时刻的多普勒频移加速度；

所述步骤（3）中载波NCO控制量的计算公式为：

${\hat{f}}_{\mathrm{ca},\mathrm{NCO},k+1}=f_{\mathrm{IF}}+\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{ca},k+1}^{-}+\frac{{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{+}-{\widetilde{\mathrm{\φ}}}_{\mathrm{ca},k}^{-}}{2\mathrm{\π\τ}}+\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{INS},k+1}$

其中，f_IF为GNSS基带信号的中频频率，τ为环路更新时间，

为第k时刻的载波相位估计值，

为第k+1时刻的载波相位估计值，上标-和+分别表示更新前和更新后。

2.根据权利要求1所述的惯性信息辅助的卫星接收机基带信号处理方法，其特征在于：所述步骤（3）根据惯性信息计算载体至卫星视线速度，得到多普勒公式为：

$\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{INS},k}=\frac{f_{\mathrm{ca}}}{c}({\stackrel{\→}{v}}_{\mathrm{rx},k}-{\stackrel{\→}{v}}_{s,k}){\stackrel{\→}{e}}_k$

其中，

为第k时刻由惯性信息计算得到的多普勒频移，f_ca为发射信号的载波频率，c为光速，

为第k时刻载体速度矢量，

为第k时刻卫星速度矢量，

为载体至卫星视线矢量，表示为

其中，

为第k时刻载体位置矢量，

为第k时刻卫星位置矢量。

3.根据权利要求1～2中任意一项所述的惯性信息辅助的卫星接收机基带信号处理方法，其特征在于：所述步骤（4）的多普勒频移辅助码跟踪环方法为根据PLL状态矢量的载波多普勒频移项计算当前的码多普勒频移

码跟踪环路采用典型的二阶跟踪环。

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