CN106019326A - 惯导速度辅助接收机跟踪环路算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种惯导速度辅助接收机跟踪环路算法，其主要技术特点是包括以下步骤：数字中频信号通过混频器和相关器后获得剥离载波和伪随机码的信号；剥离载波和伪随机码的信号通过积分清零、环路鉴别器获得环路相位误差；环路相位误差经过环路滤波器平滑后得到环路相位误差；环路鉴别误差和惯导速度辅助信息共同对载波NCO进行修正。本发明通过惯导速度估算环路多普勒频移，压缩了环路需承载的动态范围，从而减少环路等效噪声带宽，进而降低了跟踪环路带内干扰，提高卫导接收机抗干扰能力。

Description

惯导速度辅助接收机跟踪环路算法

技术领域

本发明属于导航技术领域，尤其是一种惯导速度辅助接收机跟踪环路算法。

背景技术

随着卫星导航系统日益成熟，推动着卫导接收机在军事和民用领域的应用进一步拓展。复杂环境下导航服务的精确性和连续性成为核心技术，其中卫导跟踪环路的性能至关重要。当载体动态性过大时，卫星信号多普勒频率劣化，传统跟踪环路需要增大带宽才能实现跟踪，增大带宽将导致带宽内干扰加大，过大干扰信号也将导致传统环路失锁，接收机难以正常工作。此外，当动态性大到一定程度，单纯依靠增大带宽，也无法实现跟踪环路的稳定跟踪。

图1给出了传统卫导跟踪环路原理图，从图中可以看出：经过A/D转换后的数字中频信号，通过混频器和相关器后获得剥离载波和伪随机码的信号，而后通过积分清零、环路鉴别器获得环路相位误差，经过环路滤波器平滑后，用以校正载波NCO。在传统载波跟踪环路中，外界气候环境一定的情况下，环路稳定性主要受到载体动态性和外来干扰的影响。当载体动态性过大时，由于引入跟踪环路误差过大，将导致跟踪环路失锁。外来干扰过大也将导致跟踪环路失锁。增大跟踪环路带宽能够提升环路动态性能，但将引入更大的噪声干扰。

发明内容

本发明的目的在于弥补现有技术的不足之处，提供一种惯导速度辅助接收机跟踪环路算法，解决跟踪环路动态性能和带宽要求存在矛盾的问题。

本发明解决其技术问题是采取以下技术方案实现的：

一种惯导速度辅助接收机跟踪环路算法，包括以下步骤：

步骤1、数字中频信号通过混频器和相关器后获得剥离载波和伪随机码的信号；

步骤2、剥离载波和伪随机码的信号通过积分清零、环路鉴别器获得环路相位误差；

步骤3、环路相位误差经过环路滤波器得到平滑后的环路相位误差；

步骤4、平滑后的环路相位误差和惯导速度辅助信息共同对载波NCO进行修正。

所述惯导速度辅助信息采用估算的载波多普勒频移对载波跟踪进行辅助，该载波多普勒频移的计算公式为：

$f_d=\frac{1}{\mathrm{\λ}}(v_r-v_s)I_s$

式中，f_d表示载波多普勒频移，λ表示载波波长，v_r表示接收机天线速度，v_s表示卫星速度，I_s为卫星到接收机视线上的单位矢量。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过惯导速度估算环路多普勒频移，压缩了环路需承载的动态性，从而减少环路等效噪声带宽，进而降低了跟踪环路带内干扰，提高卫星接收机抗干扰能力。

2、本发明通过惯导速度估算环路多普勒频移，压缩了环路需承载的动态性，保证卫星接收机在高动态下正常工作，提升了接收机能够承受的动态范围。

3、本发明对普适性、动态性、抗干扰性以及惯导估算误差影响等方面进行了仿真评估，仿真结果验证了算法的正确性，同时证明提出算法相比传统算法动态性大大提升，抗干扰能力提升5dB-8dB，可以容忍较大惯导辅助信息误差，为算法工程化奠定了基础。

附图说明

图1为传统跟踪环路原理图；

图2为惯导速度辅助跟踪环路原理图；

图3为惯导速度辅助载波跟踪环路原理图；

图4为2号星跟踪结果示意图；

图5为7号星跟踪结果示意图；

图6为5号星跟踪结果示意图；

图7为8号星跟踪结果示意图；

图8为10号星跟踪结果示意图

图9为15号星跟踪结果示意图；

图10为29号星跟踪结果示意图；

图11为26号星跟踪结果示意图；

图12为无惯导辅助跟踪环路动态性示意图；

图13为惯导辅助跟踪环路动态性示意图；

图14为匀速且信噪比-31dB时的有无惯导辅助环路跟踪结果图；

图15为匀速且信噪比-36dB时的有无惯导辅助环路跟踪结果图；

图16为加速度50g且信噪比-28dB时的有无惯导辅助环路跟踪结果图；

图17为加速度50g且信噪比-36dB时的有无惯导辅助环路跟踪结果图；

图18为匀速直航时且在不同载波多普勒误差下的惯导辅助跟踪结果图；

图19为匀速直航时采用惯导误差计算载波多普勒辅助跟踪结果图；

图20为加速度50g时在不同载波多普勒误差下的惯导辅助跟踪结果图；

图21为加速度50g时采用惯导误差计算载波多普勒辅助跟踪结果图；

图22为加速度193g时不同载波多普勒误差下的惯导辅助跟踪结果图；

图23为加速度193g时采用惯导误差计算载波多普勒辅助跟踪结果图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述：

一种惯导速度辅助接收机跟踪环路算法，是在如图2所示惯导速度辅助接收机跟踪环路上实现的，该跟踪环路用环路鉴别误差和惯导速度辅助信息共同对载波NCO进行修正，通过惯导速度辅助减小卫星跟踪环路所需承载的载波相位误差范围，具体包括以下步骤：

经过A/D转换后的数字中频信号，通过混频器和相关器后获得剥离载波和伪随机码的信号，然后通过积分清零、环路鉴别器获得环路相位误差，经过环路滤波器平滑后得到平滑后的环路相位误差，最后平滑后的环路相位误差和惯导速度辅助信息共同对载波NCO进行修正。

为了方便分析惯导速度辅助的优势，图3以二阶载波环路滤波器为例对本发明做进一步说明(图3仅给出了图2中环路鉴别器输出至载波NCO输入前的原理图)。图3中虚线框内为惯导速度辅助部分，θ_i(_s)表示输入的发送和接收信号相位差，s为拉普拉斯算子，θ₀(s)表示输出的发送和接收信号相位差，是惯导辅助滤波系数，e(s)为惯导速度辅助引入的误差，w(s)为原跟踪环路中的热噪声等，F(s)为原跟踪环路的滤波环路系数。

$F\left(s\right)=K_0\frac{{\mathrm{\τ}}_2+1}{{\mathrm{\τ}}_{1}s}---\left(1\right)$

式中，K₀为环路滤波器的增益，τ₁和τ₂为滤波器的时间常数。

假设惯导速度能够无误差估算载波的多普勒频移，即e(s)为0。则有

θ₀(s)＝H₁(s)θ_i(s)+H₂(s)w(s) (2)

其中，

$H_1\left(s\right)=\frac{\left(\frac{a}{s+a}\right){\mathrm{\τ}}_1{s}^2+K_0{\mathrm{\τ}}_{2}s+K_0}{{\mathrm{\τ}}_1{s}^2+K_0{\mathrm{\τ}}_{2}s+K_0}---\left(3\right)$

$H_2\left(s\right)=\frac{K_0{\mathrm{\τ}}_{2}s+K_0}{{\mathrm{\τ}}_1{s}^2+K_0{\mathrm{\τ}}_{2}s+K_0}---\left(4\right)$

由式(4)可以看出，当惯导系统的带宽趋向于无穷大，即a→∞时，系统传递函数H₁(s)→1，这说明只要惯导系统的带宽足够大，惯导速度辅助的载波跟踪环就可以跟踪载体的任何机动形式。

本发明中的惯导速度辅助信息采用估算的多普勒频移对载波跟踪进行辅助。惯导速度对卫导接收机载波跟踪环路辅助主要是用到惯导提供的载体速度信息、载体位置信息以及卫星星历提供的卫星速度信息和卫星位置信息估算载波多普勒频移。多普勒频移的具体计算公式为

$f_d=\frac{1}{\mathrm{\λ}}(v_r-v_s)I_s---\left(5\right)$

式中，f_d表示载波多普勒频移，λ表示载波波长，这里为GPS L1频点载波波长，v_r表示接收机天线速度，v_s表示卫星速度，I_s为卫星到接收机视线上的单位矢量。卫星速度、卫星位置、载体速度、载体位置的估算误差将直接导致估算的载波多普勒频移误差。

下面对本专利进行仿真分析，在分析过程中，分别分别基于卫星信号模拟器和中频信号生成软件考察惯导速度辅助载波跟踪环路的性能。卫星信号模拟器和中频信号生成软件仿真的为GPS L1频点数据，载波频率为1757.42MHz，C/A码速率为1.023MHz，采用频率为62MHz，中频频率为8.58MHz。

1、普适性仿真

普适性仿真目的是考察惯导速度辅助是否对同时看到的所有卫星跟踪有效。仿真采用卫星信号模拟器产生卫星信号，其中载体的初始速度为北向10m/s，加速度为北向10g。此时能够捕获的卫星有2、5、7、8、10、15、26、29。根据此时卫星和载体的相对位置，映射到每颗星连线上的加速度数值依次约为71m/s²、23m/s²、67m/s²、19m/s²、15m/s²、24m/s²、0.16m/s²、7m/s²。

卫导跟踪环路采用三阶锁相环跟踪，环路带宽为2Hz，加和不加惯导速度辅助的环路跟踪结果如图4所示，从图4可以看出，当载体动态较大时，采用无辅助跟踪环路I路累积值快速减小，在0值附近振荡，即环路失锁。增加惯导速度辅助后，环路经过一定时间振荡后，最终达到稳定跟踪。可见，增加惯导信息辅助能够改善卫星跟踪环路的动态性能。

图5同样表明了增加惯导速度辅助的优势。对比图4、图5可知，当载体动态性减小时，所需稳定跟踪时间缩短。

图6至图10同样表明，增加惯导速度辅助能改善卫星跟踪环路的动态性，同时表明，当载体动态性不大的时候，惯导速度辅助能够使卫星跟踪环路迅速稳定。

从图11可以看出，当载体动态性较小时，无惯导信息辅助，窄的跟踪环路带宽也能实现环路的稳定跟踪，与采用惯导速度辅助跟踪结果类似，惯速度辅助的效果不明显。也就是说，载体动态性不大的情况下，无需采用惯导速度辅助。

综合图4至图11可知通过惯导速度辅助，卫导跟踪环路能够在较小的带宽下实现对较大动态范围的稳定跟踪。此外，惯导速度辅助能够对同一时刻所有卫星的跟踪环路进行有效辅助，证明了算法的普适性和正确性。

2、动态性仿真

基于自编中频信号生成数据对惯导速度辅助跟踪环路算法的动态性进行评估。本仿真的目的是考察有无惯导速度辅助下，跟踪环路承载动态应力能力的差异。由于无定位结果，本仿真中以I路累加值无误判且环路锁定为前提条件，在次前提下比较有无惯导速度辅助跟踪环路能够承载的最大动态应力，所得有无惯导速度辅助跟踪环路承载的最大动态应力与实际接收机存在差异，这里只关注二者的差异。信号加噪声为高斯白噪声，信号信噪比为-19dB，即接收信号功率为-130dBm，采样率为62MHz。仿真结果如下图所示。从图12可知，当载体加速度为91g时，无惯导信息辅助环路能够实现稳定跟踪；在载体加速度为92g时，无惯导信息辅助环路I路累加值逐渐在0值周围波动，即环路不再能稳定跟踪，即无惯导信息辅助环路最大能承受的载体加速度为91g。从图13可知，当载体加速度为193g，惯导速度信息辅助环路能稳定跟踪；当载体加速度为194g时，I路累加值在0上下频繁波动，惯导速度辅助环路不再能稳定跟踪，可见惯导速度辅助环路能够承载的载体最大加速度为193g。对比图12、图13可知，采用惯导速度辅助卫导跟踪环路，能极大提升跟踪环路的动态性。

3、抗干扰性仿真

采用惯导速度对载波跟踪环路进行辅助，能够极大程度上削弱载波环路需要承受的动态应力，理想情况下环路带宽只需满足热噪声误差需求，因此能够将载波环路带宽设计的非常小。载波环路带宽的缩小，将减少信号带宽内的噪声干扰。

基于自编中频信号生成数据对惯导速度辅助跟踪环路算法的抗干扰性进行评估，所加噪声为高斯白噪声，采样率为62MHz，选择匀速直航、加速度50g两种典型环境进行考察。环路跟踪判决采用上节判决依据。

当匀速直航时，无惯导信息辅助环路能够跟踪信噪比为-31dB的卫星信号，惯导速度信息辅助环路能够跟踪信噪比为-36dB的卫星信号，大约提高了5dB抗干扰能力。仿真结果如图14和图15所示。

根据上述判决条件，仿真得到当加速度为50g时，无惯导信息辅助环路能够跟踪信噪比为-28dB的卫星信号，惯导速度信息辅助环路能够跟踪信噪比为-36dB的卫星信号，大约提高了8dB抗干扰能力。仿真结果如图16和图17所示。

4、不同精度惯导速度辅助仿真分析

为了充分评估惯导信息计算的载波多普勒误差对跟踪环路影响，分别采用在多普勒频率真值加高斯白噪声误差和模拟惯导误差计算辅助载波多普勒的方式。第一种方式中，选取载体三个运动场景作为典型环境，1)匀速直航；2)加速度为50g，3)加速度为193g。第二种方式中，惯导信息采用主惯导输出，陀螺常值漂移0.01⁰，随机游走噪声0.001⁰√h，加表零偏10^-5g，加表随机噪声10^-6g。上述仿真中，信号信噪比都为-19dB。

图18给出了匀速直航时，载波多普勒估算误差分别为1Hz、6Hz、7Hz时，惯导速度辅助卫导跟踪环路的跟踪结果。从下图可以看出，载波多普勒估算偏差在6Hz以内时，采用惯导速度辅助能实现稳定跟踪；当载波多普勒估算偏差为7Hz时，跟踪环路不再稳定，可见环路能够承受的最大多普勒频移估算误差为6Hz。

图19给出了匀速直航时，采用模拟惯导误差计算的载波多普勒辅助的跟踪结果。从图中可以看出，I路累加值都大于0，即不会出现数据位的误判，也就是说环路能够稳定跟踪。

图20给出了加速度为50g，载波多普勒估算误差分别为1Hz、5Hz、6Hz时，惯导速度辅助卫导跟踪环路的跟踪结果。从下图可以看出，载波多普勒估算偏差在5Hz以内时，采用惯导速度辅助能实现稳定跟踪，可见动态性增大，环路对估算误差的承受力也随之降低。

图21给出了加速度为50g时，采用模拟惯导误差计算的载波多普勒辅助的跟踪结果。从图中可以看出，I路累加值都大于0，即不会出现数据位的误判，也就是说环路能够稳定跟踪。

图22给出了加速度为193g，载波多普勒估算误差分别为1Hz、5Hz、6Hz时，惯导速度辅助卫导跟踪环路的跟踪结果。从下图可以看出，载波多普勒估算偏差在5Hz以内时，采用惯导速度辅助能实现稳定跟踪。

图23给出了加速度为193g时，采用模拟惯导误差计算的载波多普勒辅助的跟踪结果。从图中可以看出，I路累加值都大于0，即不会出现数据位的误判，也就是说环路能够稳定跟踪。

此外，考察了同一时刻惯导位置误差和速度误差对不同卫星载波多普勒的估算误差，当惯导位置误差在千米内，速度误差不超过0.4m/s时，引起的载波多普勒估算误差不大于5Hz。深组合导航方式时，一般的惯导都满足上述指标要求。

综上所述，上述分别对惯导速度辅助卫星跟踪环路算法的普适性、动态性、抗干扰性以及环路辅助对惯导信息精度需求进行了仿真分析。仿真结果证明惯导速度辅助对同一时刻所有可见星均有效；动态性比传统跟踪环路提升了约100g；抗干扰能力在不同动态环境下提升程度不同，约提升5dB-8dB，动态性越高的环境抗干扰能力提升越明显；卫星跟踪环路对辅助的惯导信息精度要求不高，普通惯导即能满足跟踪环路辅助的精度需求，动态性越大的环境对惯导辅助信息精度要求越高。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种惯导速度辅助接收机跟踪环路算法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1、数字中频信号通过混频器和相关器后获得剥离载波和伪随机码的信号；

步骤2、剥离载波和伪随机码的信号通过积分清零、环路鉴别器获得环路相位误差；

步骤3、环路相位误差经过环路滤波器得到平滑后的环路相位误差；

步骤4、平滑后的环路相位误差和惯导速度辅助信息共同对载波NCO进行修正。

2.根据权利要求1所述的一种惯导速度辅助接收机跟踪环路算法，其特征在于：所述惯导速度辅助信息采用估算的载波多普勒频移对载波跟踪进行辅助，该载波多普勒频移的计算公式为：

$f_d=\frac{1}{\mathrm{\λ}}(v_r-v_s)I_s$

式中，f_d表示载波多普勒频移，λ表示载波波长，v_r表示接收机天线速度，v_s表示卫星速度，I_s为卫星到接收机视线上的单位矢量。