CN103995269A - 一种惯性信息辅助gnss跟踪环路方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法。步骤如下：根据惯性导航系统提供的载体位置、速度、加速度信息，结合本地时间、卫星星历等信息，实时计算GNSS接收机各通道卫星的多普勒频移、多普勒频移变化率，将跟踪环路载波频移量测值和相应多普勒频移计算值的差分信息作为观测量，采用α-β滤波方法计算载体机械振动、接收机晶振频漂等造成的频率偏移，最终得到载波频移预测值对跟踪环路进行前馈校正，完成惯性信息辅助GNSS跟踪环路。本发明方法降低了高动态对跟踪环路的动态应力作用，消除了载体机械振动、接收机晶振频漂等造成的频率偏移，提高了GNSS接收机的动态适应性和导航稳定性，应用前景广阔。

Description

一种惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法

技术领域

本发明涉及卫星导航、组合导航领域，特别是一种惯性信息辅助GNSS(全球导航卫星系统)跟踪环路方法。

背景技术

导弹、火箭弹等精确制导武器在飞行过程中，卫星信号从卫星传到载体会使载波产生较大的频率偏移及其变化率，其主要影响因素有卫星和载体之间相对运动、载体机械振动、接收机晶振频漂和卫星时钟频漂等，高动态环境下采用常规跟踪环路难以实现对卫星信号的稳定跟踪，可能会信号失锁甚至失去导航能力。

目前为了满足现代精确制导武器对导航性能要求的不断提高，采用惯性导航系统提供的载体位置、速度、加速度等惯性信息来提高接收机的导航性能，结合本地时间、卫星星历等信息，实时计算GNSS接收机各通道卫星信号的多普勒频移及其变化率，但是实际跟踪环路中即使有精确惯性信息予以辅助，由于载体机械振动、接收机晶振频漂等因素，仍然存在一定的频率偏移，无法完全消除高动态对跟踪环路的动态应力作用和载体机械振动、时钟漂移等造成的频率偏移，因此GNSS接收机的动态适应性和导航稳定性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法，以消除高动态对跟踪环路的动态应力作用和载体机械振动、时钟漂移等造成的频率偏移，提高GNSS接收机的动态适应性和导航稳定性。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法，包括以下步骤：

步骤1，采用串口实时接收惯性导航系统提供的载体惯性信息，根据惯性信息滞后时间确定观测时刻载体位置、速度、加速度信息；

步骤2，确定GNSS接收机各通道状态，从GNSS接收机各通道跟踪环路中获取载波频移量测值，根据本地时间、卫星星历信息实时确定GNSS接收机各通道卫星的位置、速度和加速度信息；

步骤3，根据步骤1所得的观测时刻载体的位置、速度和加速度，结合步骤2所得的GNSS接收机各通道卫星信息，实时确定观测时刻GNSS接收机各通道卫星信号的多普勒频移、多普勒频移变化率；

步骤4，将观测时刻GNSS接收机各通道跟踪环路的载波频移量测值和相应通道卫星信号的多普勒频移值进行差分作为观测量，采用α-β滤波方法确定载体机械振动、接收机晶振频漂造成的频率偏移、频率偏移变化率；

步骤5，根据步骤3所得的观测时刻GNSS接收机各通道多普勒频移、多普勒频移变化率，以及步骤4中采用α-β滤波方法所得到的频率偏移、频率偏移变化率，预测下一时刻GNSS接收机各通道的载波频移值，并将该载波频移预测值作为跟踪环路中心频率对跟踪环路进行前馈校正。

本发明与现有技术相比，其显著优点是：(1)采用惯性信息对载体运动状态构建相应数学模型，实时计算观测时刻GNSS接收机各通道多普勒频移及其变化率，提高了GNSS接收机的动态适应性；(2)采用α-β滤波方法估计载体机械振动、接收机晶振频漂等造成的频率偏移，采用载波频移预测值作为跟踪环路中心频率对跟踪环路进行前馈校正，提高了GNSS接收机的导航稳定性。

附图说明

图1是本发明惯性信息辅助前后载波跟踪环路相位误差对比图。

图2是本发明惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法的流程图。

图3是实施例1中无惯性信息辅助的GNSS接收机定位效果图。

图4是实施例1中有惯性信息辅助的GNSS接收机定位效果图。

图5是实施例1中惯性信息辅助第9号卫星载波频偏误差图。

图6是实施例1中惯性信息辅助第26号卫星载波频偏误差图。

图7是实施例1中惯性信息辅助GNSS接收机定位误差图。

图8是实施例1中惯性信息辅助GNSS接收机测速误差图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例1对本发明做进一步详细说明。

GNSS接收机载波锁相环通过检测其复制载波与输入载波之间的相位差异，相应地调节复制载波的相位，使两者的相位保持一致，其相位测量误差源主要包括接载体机械振动、接收机热噪声、接收机晶振频漂和动态应力作用。

式(1)中σ_tPLL为热噪声均方差，σ_v为载体机械振动引起的接收机基准振荡频率的相位抖动均方差，σ_A为接收机晶振频漂引起的相位抖动均方差，θ_e为动态应力误差，B_L为环路噪声带宽，C/N₀为信号载噪比，C为信号功率，N₀为噪声频谱功率密度，T为环路积分时间，c为光速，λ₁为信号波长，σ_A(t)为艾兰均方差，n为跟踪环路滤波器阶数，R为卫星和载体之间视距，ω为环路滤波器自然频率，ξ是环路滤波器阻尼系数。

使用这些误差引起的稳态相位误差的标准差σ_PLL来描述锁相环的跟踪性能，采用一种保守估计方法：三倍的相位测量误差均方差不得超过四分之一鉴相牵入范围。

当引入载体惯性信息，结合本地时间、卫星星历等信息，采用频率预测模式辅助GNSS接收机跟踪环路可有效降低动态因素造成的动态应力误差θ_e，在理想情况下，惯性信息辅助后的相位测量误差为

式(4)中σ_IMU为由惯性信息测量误差引起的相位误差。

图1以二阶锁相环为例，取跟踪环路积分时间T＝1ms，艾兰均方差σ_A(t)＝10^-9，载体在卫星视距方向做5g的相对加速度运动，其中重力加速度g＝9.8m/s²，图1表明惯性信息辅助GNSS跟踪环路相对于常规跟踪环路，在不同载噪比、不同噪声带宽时都明显降低相位测量误差，有效缩小跟踪带宽。

GNSS信号从卫星传到载体的过程中会产生载波频移，其主要影响因素有卫星和载体之间相对运动、载体机械振动、接收机晶振频漂和卫星时钟频漂等。因此载波频移f_carrier为：

f_carrier＝f_dopp+Δf_rec+Δf_s   (⁵)

式(5)中f_dopp为卫星和载体之间相对运动造成的多普勒频移；Δf_rec为载体机械振动、接收机晶振频漂等因素带来的频率偏移；Δf_s为卫星时钟频漂造成的频率偏移，由于卫星时钟频漂比较小，可忽略不计。

结合图2，本发明惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法，包括以下步骤：

步骤1，采用串口实时接收惯性导航系统提供的载体惯性信息，根据惯性信息滞后时间确定观测时刻载体位置、速度、加速度信息。

步骤2，确定GNSS接收机各通道状态，从GNSS接收机各通道跟踪环路中获取载波频移量测值，根据本地时间、卫星星历信息实时确定GNSS接收机各通道卫星的位置、速度和加速度信息，由于短时间内卫星的位置、速度和加速度的变化对多普勒频移及其变化率影响不大，故GNSS接收机各通道卫星信息更新时间选取1s。

步骤3，根据步骤1所得的观测时刻载体的位置、速度和加速度，结合步骤2所得的GNSS接收机各通道卫星信息，实时确定观测时刻GNSS接收机各通道卫星信号的多普勒频移、多普勒频移变化率，具体步骤如下：

(3.1)GNSS接收机采用串口实时接收惯性导航系统提供的载体位置、速度、加速度等惯性信息，惯性信息更新时间为10ms，环路积分时间为1ms，在短时间内根据载体的运动状态构建数学模型，确定观测时刻载体的位置速度和加速度所述数学模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_u^{\′}=R_u+v_u\·t+0.5\·a_u\·t\\ v_u^{\′}=v_u+a_u\·t\\ a_u^{\′}=a_u\end{array}\right.---\left(6\right)$

式(6)中，R_u、v_u、a_u分别是采用串口实时接收的惯性导航系统提供的载体位置、速度、加速度，t为惯性信息滞后时间，分别是根据数学模型得到的观测时刻载体的位置、速度、加速度。

(3.2)结合步骤2所得的GNSS接收机各通道卫星信息，确定观测时刻GNSS接收机各通道卫星信号的多普勒频移首先根据观测时刻载体惯性信息和GNSS接收机各通道卫星信息，载体和GNSS接收机i通道卫星之间相对速度

$v_{u\_s}^i=(v_u^{\′}-v_s^i)\·\frac{R_u^{\′}-R_s^i}{R_{u\_s}^i}=(v_u^{\′}-v_s^i)\·\stackrel{\→}{e}---\left(7\right)$

式(7)中，i是GNSS接收机通道编号且i＝1,2,…,N且12≤N≤16，分别是观测时刻载体的位置、速度，分别是观测时刻GNSS接收机i通道卫星的位置、速度，是载体与GNSS接收机i通道卫星之间视距，为载体和GNSS接收机i通道卫星之间视距方向单位矢量；

观测时刻GNSS接收机i通道卫星的多普勒频移为：

$f_{\mathrm{dopp}}^i=\frac{f_1}{c}\·v_{u\_s}^i=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}(v_u^{\′}-v_s^i)\·\frac{R_u^{\′}-R_s^i}{R_{u\_s}^i}---\left(8\right)$

式(8)中c是光速，f₁是信号载波频率，λ₁是信号波长。

(3.3)结合步骤2所得的GNSS接收机各通道卫星信息，确定观测时刻GNSS接收机各通道卫星信号的多普勒频移变化率首先根据观测时刻载体惯性信息和GNSS接收机各通道卫星信息，载体和GNSS接收机i通道卫星之间相对加速度

$a_{u\_s}^i=(a_u^{\′}-a_s^i)\·\frac{R_u^{\′}-R_s^i}{R_{u\_s}^i}=(a_u^{\′}-a_s^i)\·\stackrel{\→}{e}---\left(9\right)$

式(9)中，是观测时刻载体的加速度，是观测时刻GNSS接收机i通道卫星的加速度；

观测时刻接收机i通道卫星的多普勒频移变化率

${\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{dopp}}^i=\frac{f_1}{c}\·a_{u\_s}^i=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}(a_u^{\′}-a_s^i)\·\frac{R_u^{\′}-R_s^i}{R_{u\_s}^i}---\left(10\right)$

步骤4，将观测时刻GNSS接收机各通道跟踪环路的载波频移量测值和相应通道卫星信号的多普勒频移值进行差分作为观测量，采用α-β滤波方法确定载体机械振动、接收机晶振频漂造成的频率偏移、频率偏移变化率，即采用α-β滤波方法确定载体机械振动、接收机晶振频漂因素对GNSS接收机i通道跟踪环路造成的频率偏移频率偏移变化率具体如下：

将观测时刻GNSS接收机i通道跟踪环路的载波频移量测值和相应通道卫星信号的多普勒频移值进行差分，将差分结果作为观测时刻GNSS接收机i通道载体机械振动、GNSS接收机晶振频漂造成的频率偏移观测量，则有：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{k+1}^i\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\stackrel{\‾}{\·}}{f}}_{k+1}^i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& T\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\hat{f}}_k^i\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\widehat{\·}}{f}}_k^i\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\hat{f}}_{k+1}^i\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\widehat{\·}}{f}}_{k+1}^i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{k+1}^i\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\stackrel{\‾}{\·}}{f}}_{k+1}^i\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\\ \stackrel{\‾}{T}\end{array}\right](\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_k^i-\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{k+1}^i\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{f}}}_{k+1}^i\end{array}\right])\end{array}\right.---\left(11\right)$

式(11)中，T为环路积分时间(可选取1ms)，α、β是α-β滤波器参数且0≤α≤1、0≤β≤4-2α(如α＝0.005，β＝10α²/(2-α))，分别是上一时刻频率偏移滤波值、频率偏移变化率滤波值，分别是观测时刻频率偏移先验估计值、频率偏移变化率先验估计值，分别是观测时刻频率偏移滤波值、频率偏移变化率滤波值。

步骤5，根据步骤3所得的观测时刻GNSS接收机各通道多普勒频移多普勒频移变化率以及步骤4中采用α-β滤波方法所得到的频率偏移频率偏移变化率预测下一时刻GNSS接收机各通道的载波频移值即：

$f_{\mathrm{carrier}}^i=f_{\mathrm{dopp}}^i+\mathrm{\Δ}{\hat{f}}_{k+1}^i+({\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{dopp}}^i+\mathrm{\Δ}{\widehat{\stackrel{\·}{f}}}_{k+1}^i)\·T---\left(12\right)$

将载波频移预测值直接作为GNSS接收机i通道跟踪环路的中心频率，对跟踪环路进行前馈校正，完成惯性信息辅助GNSS跟踪环路。

下面结合具体实施例1对本发明作进一步详细说明。

实施例1

为了对本发明方法进行说明，充分展现出该方法具有较好的动态适应性和导航稳定性，完成高动态惯性信息辅助GNSS接收机实验，具体如下：

(1)实验初始条件及参数设置

载体飞行轨迹起始点：北纬：32.0277°、东经：118.8543°、高程：40m，终止点：北纬：32.0438°、东经：120.1468°、高程：343048.0m，初始以200m/s匀速飞行7min，再以50g的加速度匀加速直线飞行10s，最后匀速飞行至终点，整个飞行过程耗时480s。

(2)实验结果分析

根据图3可知采用常规跟踪环路，当载体低动态飞行时，GNSS接收机可稳定导航，但当载体高动态飞行时，GNSS接收机失去连续稳定导航能力。根据图4可知，采用惯性信息辅助GNSS跟踪环路，当载体低动态和高动态飞行时，GNSS接收机都可连续稳定导航。根据图5和图6可知，当载体低动态和高动态飞行时，卫星信号载波频移误差≤5Hz；当载体运动状态突变时，卫星信号载波频移误差≤20Hz。根据图7和图8可知当载体低动态飞行时，GNSS接收机导航位置误差≤5m，测速误差≤0.05m/s；当载体高动态飞行时，GNSS接收机导航位置误差≤6m，测速误差≤0.6m/s。

因此采用采用惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法，当载体低动态和高动态飞行时，GNSS接收机皆可连续稳定导航且导航精度较高。

Claims (4)

1.一种惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，采用串口实时接收惯性导航系统提供的载体惯性信息，根据惯性信息滞后时间确定观测时刻载体位置、速度、加速度信息；

步骤2，确定GNSS接收机各通道状态，从GNSS接收机各通道跟踪环路中获取载波频移量测值，根据本地时间、卫星星历信息实时确定GNSS接收机各通道卫星的位置、速度和加速度信息；

步骤3，根据步骤1所得的观测时刻载体的位置、速度和加速度，结合步骤2所得的GNSS接收机各通道卫星信息，实时确定观测时刻GNSS接收机各通道卫星信号的多普勒频移、多普勒频移变化率；

步骤4，将观测时刻GNSS接收机各通道跟踪环路的载波频移量测值和相应通道卫星信号的多普勒频移值进行差分作为观测量，采用α-β滤波方法确定载体机械振动、接收机晶振频漂造成的频率偏移、频率偏移变化率；

步骤5，根据步骤3所得的观测时刻GNSS接收机各通道多普勒频移、多普勒频移变化率，以及步骤4中采用α-β滤波方法所得到的频率偏移、频率偏移变化率，预测下一时刻GNSS接收机各通道的载波频移值，并将该载波频移预测值作为跟踪环路中心频率对跟踪环路进行前馈校正。

2.根据权利要求1所述的惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法，其特征在于，步骤3中所述根据步骤1所得的观测时刻载体的位置、速度和加速度，结合步骤2所得的GNSS接收机各通道卫星信息，实时确定观测时刻GNSS接收机各通道卫星信号的多普勒频移、多普勒频移变化率，具体步骤如下：

(3.1)根据载体的运动状态构建数学模型，确定观测时刻载体的位置、速度和加速度，所述数学模型如下：

$\left\{\begin{array}{c}{R}_u^{\′}=R_u+v_u\·t+0.5\·a_u\·t\\ v_u^{\′}=v_u+a_u\·t\\ a_u^{\′}=a_u\end{array}\right.$

式中，R_u、v_u、a_u分别是采用串口实时接收的惯性导航系统提供的载体位置、速度、加速度，t为惯性信息滞后时间，分别是根据数学模型得到的观测时刻载体的位置、速度、加速度；

(3.2)结合步骤2所得的GNSS接收机各通道卫星信息，确定观测时刻GNSS接收机各通道卫星信号的多普勒频移

$f_{\mathrm{dopp}}^i=\frac{f_1}{c}\·v_{u\_s}^i=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}(v_u^{\′}-v_s^i)\·\frac{R_u^{\′}-R_s^i}{R_{u\_s}^i}$

式中，i是GNSS接收机通道编号且i＝1,2,…,N且 12≤N≤16，c是光速，f₁是信号载波频率，λ₁是信号波长，分别是载体与GNSS接收机i通道卫星之间视距、相对速度，分别是观测时刻载体的位置、速度，分别是观测时刻GNSS接收机i通道卫星的位置、速度；

(3.3)结合步骤2所得的GNSS接收机各通道卫星信息，确定观测时刻GNSS接收机各通道卫星信号的多普勒频移变化率

${\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{dopp}}^i=\frac{f_1}{c}\·a_{u\_s}^i=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}(a_u^{\′}-a_s^i)\·\frac{R_u^{\′}-R_s^i}{R_{u\_s}^i}$

式中，是载体与GNSS接收机i通道卫星之间相对加速度，是观测时刻载体的加速度，是观测时刻GNSS接收机i通道卫星的加速度。

3.根据权利要求1所述的惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法，其特征在于，步骤4中所述采用α-β滤波方法确定载体机械振动、接收机晶振频漂造成的频率偏移、频率偏移变化率，即采用α-β滤波方法确定载体机械振动、接收机晶振频漂因素对GNSS接收机i通道跟踪环路造成的频率偏移频率偏移变化率具体如下：

将观测时刻GNSS接收机i通道跟踪环路的载波频移量测值和相应通道卫星信号的多普勒频移值进行差分，将差分结果作为观测时刻GNSS接收机i通道载体机械振动、GNSS接收机晶振频漂造成的频率偏移观测量，则有：

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{k+1}^i\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\stackrel{\‾}{\·}}{f}}_{k+1}^i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& T\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\hat{f}}_k^i\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\widehat{\·}}{f}}_k^i\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\hat{f}}_{k+1}^i\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\widehat{\·}}{f}}_{k+1}^i\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{k+1}^i\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\stackrel{\‾}{\·}}{f}}_{k+1}^i\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \mathrm{\β}\\ \stackrel{\‾}{T}\end{array}\right](\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_k^i-\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{k+1}^i\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{f}}}_{k+1}^i\end{array}\right])\end{array}\right.$

式中，T为环路积分时间，α、β是α-β滤波器参数且0≤α≤1、0≤β≤4-2α， 分别是上一时刻频率偏移滤波值、频率偏移变化率滤波值，分别是观测时刻频率偏移先验估计值、频率偏移变化率先验估计值，分别是观测时刻频率偏移滤波值、频率偏移变化率滤波值。

4.根据权利要求1所述的惯性信息辅助GNSS跟踪环路方法，其特征在于，步骤5中所述根据步骤3所得的观测时刻GNSS接收机各通道多普勒频移多普勒频移变化率以及步骤4中采用α-β滤波方法所得到的频率偏移频率偏移变化率预测下一时刻GNSS接收机各通道的载波频移值即：

$f_{\mathrm{carrier}}^i=f_{\mathrm{dopp}}^i+\mathrm{\Δ}{\hat{f}}_{k+1}^i+({\stackrel{\·}{f}}_{\mathrm{dopp}}^i+\mathrm{\Δ}{\widehat{\stackrel{\·}{f}}}_{k+1}^i)\·T$

式中，T为环路积分时间。