CN103995272A - 一种新型惯性辅助gps接收机实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种INS辅助GPS接收机射频前端的INS/GPS组合方法。首先通过组合滤波器将INS导航信息和GPS导航信息进行融合，修正INS导航信息误差，然后利用修正后的INS导航信息和GPS导航电文实时计算载体相对于每颗卫星的多普勒频移，并将得到的多普勒频移换算为GPS中频信号载波的波长变化。最后根据载波的波长变化实时调节GPS接收机射频前端ADC的采样时间间隔，补偿因为多普勒频移导致的中频数字信号采样点变化，隔离多普勒频移对GPS接收机跟踪环路的影响。

Description

一种新型惯性辅助GPS接收机实现方法
技术领域
本发明涉及一种新型INS辅助的GPS接收机系统，此GPS接收机系统方案具有优良的高动态性能，适用于高速战斗机、导弹等高动态环境下的GPS定位应用。
背景技术
全球定位系统GPS(Global Positioning System)是目前使用最广泛的卫星导航与定位系统,大量应用在民用和军事领域,尤其是在精确制导导弹等高动态环境下的应用更显重要。对于安装在运动载体上的GPS接收机，根据载体运动的速度和加速特性，可以将GPS接收机的工作环境划分为静态环境、中低动态环境和高动态三种。通常情况下，将具有较高的速度、加速度和加加速度的载体运动环境定义为高动态环境。以典型的GPS高动态应用环境，高性能歼击机的机动参数为例，其最高横滚角速度最高可达±500°/s，最高角加速度为±1500°/s2，最高线加速度为15g/s，g为重力加速度。传统的GPS接收机通常采用延迟锁定换(Delay Lock Loop)和锁频换(Frequency Lock Loop)对载波信号进行跟踪。而在高动态环境中，由载体的高速机动引起的GPS信号多普勒频移很大，多普勒频移变化率很高，因此在没有诸如惯性器件等外部辅助的条件下，传统的GPS接收机的跟踪环路很容易失去对GPS信号的跟踪锁定。国内外针对高动态环境下的GPS接收机技术做了大量研究，其中比较有代表性的就是INS/GPS超紧组合方案，超紧组合是一种INS、GPS深层次的组合方式，在GPS为INS提供误差矫正信息的同时，矫正后的INS可以辅助GPS跟踪环路中的载波/码NCO(数控振荡器)，对高动态的GPS信号进行跟踪。在这种组合系统中，GPS载波环带宽可降至1-2Hz，使抗干扰能力较单纯GPS接收机提高约15dB。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服传统GPS接收机在高动态环境下性能的不足，提出一种INS辅助的GPS接收机，可实现GPS接收机在高动态环境下的可靠工作。
本发明的技术解决方案为：一种新型惯性辅助GPS接收机实现方法，其特征在于，由INS(惯性导航系统)、采样频率可调的GPS(全球卫星定位系统)卫星接收机射频前端、GPS卫星接收机基带处模块、INS/GPS组合滤波器组成；INS惯性导航系统由三个光纤陀螺仪和三个石英加速度计组成；采样频率可调的GPS卫星接收机射频前端由GPS天线、低噪声放大器、带通滤波器、混频器及多个采样ADC组成；GPS卫星接收机基带处模块可以是由FPGA(现场可编程门阵列)和DSP(数字信号处理器)开发的软件无线电接收机，也可以是专用的ASIC(Application Specific Integrated Circuit)集成电路；INS/GPS组合导航滤波器为卡尔曼滤波器。其特点在于：INS辅助GPS接收机进行GPS信号跟踪通过下列步骤实现：
(1)首先启动INS导航装置、GPS导航装置，得到地心地固坐标系下的INS导航数据(经度、纬度、高度)、GPS导航数据(经度、纬度、高度)及GPS导航电文；
(2)启动INS/GPS组合导航滤波器，通过组合导航滤波器将INS导航数据(经度、纬度、高度)和GPS导航数据(经度、纬度、高度)进行数据融合，估计得到GPS导航数据和INS导航数据的定位误差，并利用得到的定位误差修正GPS定位信息和INS定位信息，提高GPS接收机定位精度，消除INS导航系统积累的定位误差；
(3)利用GPS导航电文中的数据计算出当前时刻GPS卫星在地心地固坐标系中的位置，然后利用GPS卫星的位置和修正后的INS定位信息计算出GPS接收机相对于每颗GPS卫星的多普勒频移；
(4)将每颗GPS卫星的多普勒频移换算成GPS接收机接收到的中频信号波长的变化率，根据波长变化率调节GPS接收机射频前端中各通道ADC的采样频率，使ADC在中频信号波长变化后仍然可以在不变的位置进行采样。
本发明的原理是：在高动态环境下，当装有GPS接收机的载体做高加加速度运动时，GPS接收机接收到的GPS信号具有非常大的多普勒频率变化率，导致GPS接收机跟踪环路中的锁相环失锁。利用INS系统对高动态运行测量的优势，通过INS导航数据动态的控制GPS接收机射频前端中的ADC采样间隔，抵消由于多普勒频移导致的ADC采样点变化，降低GPS接收机跟踪环路中载波频率的变化，最终达到INS辅助GPS接收机进行载波跟踪的目的。
调节ADC采样周期抵消多普勒频移的原理如下：如图2所示，其中(1)表示原始的卫星信号，ADC采样点为a、b、c、d、e，(2)表示存在多普勒频移的卫星信号。从(2)可以看到，如果GPS接收机可以得到当前时刻的多普勒频移，就可以利用此多普勒频移计算出一个合适的ADC采样周期，按着此周期对GPS信号采样，使得到的采样点a1、b1、c1、d1、e1，与(1)中的采样点a、b、c、d、e相等，从而达到补偿多普勒频移的目的。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)克服了传统GPS接收机在高动态应用环境下的失锁问题。一方面提高了GPS跟踪环路在高动态环境的跟踪性能，另一方面降低了跟踪环路的环路滤波器带宽，使跟踪环路具有更高的跟踪精度。
(2)本发明只需要对GPS射频前端做局部的修改，而不需要重新构建结构更复杂的GPS跟踪环路。
(3)结构简单、运行稳定且实现容易。
附图说明
图1为本发明的INS辅助的GPS接收机结构框图；
图2为调节ADC采样时钟补偿多普勒频移的原理；
图3为GPS接收机射频前端结构图；
图4为GPS接收机基带处理模块结构图；
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。本发明结构如图1所示，
INS惯性导航系统(5)测量载体的位置、速度和姿态数据；采样频率可调的GPS卫星接收机射频前端(1)接收GPS卫星信号，并将接收到的卫星信号转换为中频数字信号；GPS卫星接收机基带处理模块(2)对中频数字信号进行解调和时间/位置解算，得到载体位置和GPS卫星导航电文；INS/GPS组合滤波器(3)通过卡尔曼滤波器将INS导航数据和GPS导航数据进行数据融合，生成误差校正后的INS导航数据和GPS导航数据；ADC采样频率调节模块(4)根据载体的位置/速度和卫星的位置/速度计算出具体的ADC采样频率调节量，通过调节量控制(1)中的ADC采样频率。
所述的采样频率可调的GPS卫星接收机射频前端结构如图3所示，由GPS天线、低噪声放大器、带通滤波器、混频器及多个并行的采样ADC组成，采样ADC的采样时钟由数控振荡器提供，数控振荡器的输出频率由ADC采样频率调节模块控制；
所述GPS卫星接收机基带处模块结构如图4所示，由FPGA(现场可编程门阵列)和DSP(数字信号处理器)组成，其中FPGA实现对输入的GPS数字中频信号的C/A(伪随机码)跟踪和载波跟踪，并根据码鉴相器和载波鉴相器的输出控制本地码NCO(数控振荡器)和载波NCO生成本地码信号和载波信号，对C/A码和载波进行剥离。DSP对经过码剥离和载波剥离的GPS中频信号进行导航电文的提取和解码，并根据导航电文数据计算伪距、卫星位置、轨道误差及卫星钟差等，最后根据伪距和卫星位置等计算出GPS接收机位置。
所述ADC采样频率调节模块根据校正后的INS导航信息和GPS卫星位置信息计算每个卫星通道的多普勒频移，并根据多普勒频移产生每个ADC的采样频率控制信号，其具体计算方法为：
vI＝[vI,x vI,z vI,z]vG,k＝[vG,k,x vG,k,y vG,k,z]
Δvk＝[vI-vG,k]＝[Δvk,x Δvk,y Δvk,z]
f k , doppler = sign f L 1 &Delta; v k &Delta; v k T c sign = 1 , dP G , I dt < 0 sign = 0 , dP G , I dt = 0 f k , IF * = f IF + f k , doppler sign = - 1 , d P G , I dt > 0
f k , sampling * = 4.1 f k , IF *
其中，vI为经过GPS校准的INS测得的载体速度，vG,k为通过GPS导航电文计算得到的第k颗可星的速度，Δvk为载体与第k颗卫星的相对速度,fk,Doppler为载体与第k颗GPS卫星间的多普勒频移，fL1＝1575.42MHz为GPS信号L1波段的中心频率，c＝3×108为真空中电磁波的速度，PG,I为载体与GPS卫星之间的距离，为k通道GPS中频信号的实际频率，fIF为GPS接收机中频信号的标称频率，为GPS接收机k通道经过多普勒频移修正后的ADC采样频率(设采样倍数为4.1)。
INS辅助GPS接收机进行GPS信号跟踪通过下列步骤实现：
(1)首先启动INS导航装置、GPS导航装置，得到地心地固坐标系下的INS导航数据(经度、纬度、高度)、GPS导航数据(经度、纬度、高度)及GPS导航电文；
(2)启动INS/GPS组合导航滤波器，通过组合导航滤波器将INS导航数据(经度、纬度、高度)和GPS导航数据(经度、纬度、高度)进行数据融合，估计得到GPS导航数据和INS导航数据的定位误差，并利用得到的定位误差修正GPS定位信息和INS定位信息，提高GPS接收机定位精度，消除INS导航系统积累的定位误差；
(3)利用GPS导航电文中的数据计算出当前时刻GPS卫星在地心地固坐标系中的位置，然后利用GPS卫星的位置和修正后的INS定位信息计算出GPS接收机相对于每颗GPS卫星的多普勒频移；
(4)将每颗GPS卫星的多普勒频移换算成GPS接收机接收到的中频信号波长的变化率，根据波长变化率调节GPS接收机射频前端中各通道ADC的采样频率，使ADC在中频信号波长变化后仍然可以在不变的位置进行采样。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明说明书中未做详细描述的技术内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。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的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型惯性辅助GPS接收机实现方法，其特征在于：
由惯性导航系统INS、采样频率可调的全球卫星定位系统GPS卫星接收机射频前端、GPS卫星接收机基带处模块、INS/GPS组合滤波器及ADC采样时钟调节模块组成，采用INS辅助GPS接收机对GPS卫星信号进行跟踪，其中所述INS辅助GPS接收机卫星信号跟踪通过下列步骤实现：
(1)首先按传统方式启动INS导航系统和GPS导航系统，得到INS导航数据、GPS导航数据及GPS导航电文，其中所述导航数据包括经度、纬度和高度；
(2)建立INS/GPS组合导航滤波器，利用步骤(1)得到的INS导航数据和GPS导航数据进行INS导航数据和GPS导航数据的信息融合，通过GPS导航数据修正INS导航数据的误差积累，防止INS导航系统误差影响GPS接收机的跟踪精度；
(3)利用步骤(1)得到的GPS导航电文计算出当前时刻各可见GPS卫星的位置，并利用各可见GPS卫星的位置和步骤(2)得到的修正后的INS导航数据计算出GPS接收机相对于每颗可见GPS卫星的多普勒频移；
(4)将步骤(3)得到的相对于各GPS卫星的多普勒频移换算成GPS接收机接收到的中频信号波长的变化率，根据波长变化率调节GPS接收机射频前端中ADC的采样频率，使ADC在中频信号波长变化后仍然可以在不变的位置进行采样。
2.根据权利要求1所述的一种新型惯性辅助GPS接收机实现方法，其特征在于：所述的INS惯性导航系统包括光纤陀螺仪和石英加速度计。
3.根据权利要求1所述的一种新型惯性辅助GPS接收机实现方法，其特征在于：所述的采样频率可调的GPS卫星接收机射频前端包括GPS天线、低噪声放大器、带通滤波器、混频器及多个采样ADC，其中所述采样ADC的采样频率可调，且每个GPS接收机跟踪通道配置一个独立的ADC。
4.根据权利要求1所述的一种新型惯性辅助GPS接收机实现方法，其中步骤(1)中所述INS辅助GPS接收机卫星信号进行跟踪包括以下步骤：通过INS和GPS导航数据实时计算出接收机相对于每颗GPS卫星的多普勒频移，并根据每个通道的多普勒频移动态的控制GPS射频采样前端中相应通道ADC的采样频率。
5.根据权利要求1所述的一种新型惯性辅助GPS接收机实现方法，其特征在于：所述的GPS卫星接收机基带处模块可以是由现场可编程门阵列FPGA和数字信号处理器DSP开发的软件无线电接收机，也可以是专用的ASIC集成电路，其功能是对GPS数字中频信号进行捕获、跟踪及位置计算，同时通过GPS信号得到GPS卫星星历。
6.根据权利要求1所述的一种新型惯性辅助GPS接收机实现方法，其特征在于：其所述的INS/GPS组合导航滤波器为卡尔曼滤波器，滤波器的状态向量为X(t)＝[XINSXGPS]T，其中XINS为INS导航数据的位置误差、速度误差和姿态角误差，XGPS为GPS导航数据的位置误差和速度误差；观测量为：Z(t)＝[PINS-PGPS VINS-VGPS]T，其中PINS为INS导航系统给出的位置信息，PGPS为GPS导航系统给出的位置信息，VINS为INS导航系统给出的速度信息，VGPS为GPS导航系统给出的速度信息。
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