CN109307878A - 一种ins辅助gnss标量跟踪环的导航方法 - Google Patents

一种ins辅助gnss标量跟踪环的导航方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种INS辅助GNSS标量跟踪环的导航方法，该方法采用并行捕获算法和基于EKF滤波的INS自适应辅助标量跟踪环路方法，提高了恶劣电磁环境下的卫星信号的跟踪灵敏度，从而提高卫星导航接收机抗干扰能力，是一种不增加组合导航的硬件成本而提高组合导航能力的有效途径。

Description

一种INS辅助GNSS标量跟踪环的导航方法
技术领域
本发明属于卫星定位导航的技术领域，具体涉及一种INS辅助GNSS标量跟踪环的导航方法。
背景技术
全球卫星导航系统能够全天候实时提供位置、速度及时间信息，已成为低成本制导武器上不可或缺的导航信息来源。高动态定位导航系统在制导武器上有广泛的应用。但是，卫星导航系统由于卫星信号功率很低，面临着弱信号强干扰复杂的恶劣电磁环境，容易受到无意和有意干扰。低成本制导火箭弹、制导炮弹等这类制导弹药受成本和体积的限制，难以采用高性能高成本的天线阵结合空时自适应滤波等抗干扰技术。而通过采用一种INS辅助GNSS标量跟踪环的导航方法提高恶劣电磁环境下的跟踪灵敏度，从而提高接收机抗干扰能力是一种不增加组合导航的硬件成本而提高组合导航能力的解决途径。
为了提高接收机在高动态环境下对动态性能的跟踪能力，需要增加环路带宽，但是增加环路带宽又会增加环路噪声，降低环路的跟踪性能。INS辅助传统的标量跟踪环路可以解决高动态环境下的动态性能和噪声抑制之间的矛盾。INS辅助跟踪环路是通过INS估计本地接收机的多普勒信息，采用外部辅助多普勒频率和跟踪环路滤波估计的多普勒频率之和来控制跟踪环路中本地信号的载波和码发生器(NCO)的频率，从而实现跟踪环路的闭合。该方法潜在的优势在于采用常规接收机标量跟踪技术可实现高动态信号衰减环境下的卫星信号跟踪，提高了接收机的抗干扰能力。
目前INS辅助GNSS接收机技术主要采用INS辅助载波PLL技术提高车载导航接收机的跟踪能力，该方法在高动态环境下提高传统弹载GNSS接收机的抗干扰能力有限，需要采用新的INS辅助GNSS接收机技术来提高高动态弱信号环境下的卫星跟踪能力，从而提高制导武器的抗干扰能力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种INS辅助GNSS标量跟踪环的导航方法，能够提高恶劣电磁环境下高动态接收机的导航能力，特别适用于弹载高动态卫星导航在复杂电磁环境下的导航需要。
实现本发明的技术方案如下：
一种INS辅助GNSS标量跟踪环的导航方法，包括以下步骤：
步骤一、将接收到的GNSS卫星信号转化为数字中频信号；
步骤二、利用数字中频信号得到码相位和载波相位，利用码相位和载波相位生成本地卫星信号；
步骤三、对本地卫星信号与数字中频信号进行相关处理得到I/Q值；
步骤四、I/Q值分别进入码跟踪环路和载波跟踪环路得到伪距、伪距率、码跟踪误差、载波跟踪误差、码环路载噪比和载波环路载噪比；
步骤五、若码环路载噪比小于设定阈值a，则设置码跟踪环路采用三阶跟踪环路，否则采用二阶跟踪环路；若载波环路载噪比小于设定阈值b，则设置载波跟踪环路采用三阶跟踪环路，否则采用二阶跟踪环路；
根据码环路载噪比C/N0确定码跟踪环路的最优带宽Bn_opt：根据载波环路载噪比C/N0′确定载波跟踪环路的最优带宽Bn_opt′；
步骤六、根据载体的动态特征判断是否需要外部多普勒辅助频率锁定环路跟踪(IFLL)；若需要则采用IFLL跟踪中频数字信号的码频率和载波频率，并将所述码频率和载波频率发送给码跟踪环路和载波跟踪环路，进而控制码和载波NCO生成本地卫星信号；若不需要，则不采用；
步骤七、组合导航滤波器根据伪距、伪距率及惯导解算结果进行组合滤波得到载体的定位信息。
进一步地，
其中，d3R/dt3为动态应力误差；T为预检测积分时间；
有益效果：
1、本发明提供了一种INS辅助GNSS标量跟踪环的导航方法，适用于高动态飞行的制导武器，能够提高恶劣电磁环境下高动态接收机的导航能力，特别适用于弹载高动态卫星导航在复杂电磁环境下的导航需要。
2、本发明方法可基于传统的惯性测量单元和传统的卫星导航接收机硬件架构实现，通过新的算法，提高导航性能，便于传统导航系统的改造。
3、本发明方法采用了改进的低复杂度并行捕获算法，可实现卫星的快速捕获，适用于飞行时间较短的常规制导武器的导航系统，同时算法对硬件资源要求较低，有利于常规弹药的制导化过程中低成本导航系统的实现。
4、本发明方法采用了一种INS辅助二阶锁频环算法为核心，基于EKF滤波的INS自适应辅助标量跟踪环路方法,提高了恶劣电磁环境下的卫星信号的跟踪灵敏度，从而提高卫星导航接收机抗干扰能力，是一种不增加组合导航的硬件成本而提高组合导航能力的有效途径。
附图说明
图1基于EKF滤波的INS自适应辅助跟踪环路的导航装置
图2为PLL3、IPLL2和IFLL2跟踪技术导航精度对比。其中，图2(a)为PLL3跟踪C/N0，图2(b)为PLL3测量的多普勒误差，图2(c)为PLL3跟踪下SINS位置误差，图2(d)为PLL3跟踪下SINS速度误差，图2(e)为IPLL2跟踪C/N0，图2(f)为IPLL2测量的多普勒误差，图2(g)为IPLL2跟踪下SINS位置误差，图2(h)为IPLL2跟踪下SINS速度误差，图2(i)为IFLL2跟踪C/N0，图2(j)为IFLL2测量的多普勒误差，图2(k)为IFLL2跟踪下SINS位置误差，图2(l)为IFLL2跟踪下SINS速度误差。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明可基于图1所示的装置实现，图1为基于EKF滤波的INS自适应辅助跟踪环路的导航装置，装置是以INS辅助FLL技术为核心。该导航装置包括：卫星信号接收天线、GNSS信号处理单元、惯性测量装置、惯导解算和组合处理单元；GNSS信号处理单元包括：射频前端、多模基带相关器、码/载波NCO控制模块、快速捕获模块、码跟踪环路、载波跟踪环路、自适应INS辅助算法模块；惯性测量装置包括：三轴加速度计、三轴陀螺仪；惯导解算和紧组合处理单元中包括：器件补偿模块、姿态更新模块、导航解算模块、组合导航滤波器。
具体的工作流程如下：
步骤一、接收天线接收GPS卫星信号、BDS卫星信号和GLONASS卫星信号(简称GNSS卫星信号)，GNSS卫星信号通过射频前端转化为数字中频信号
步骤二、快速捕获模块捕获数字中频信号得到码相位和载波相位，码和载波NCO根据码相位和载波相位生成本地卫星信号；
步骤三、多模基带相关器对本地卫星信号与接收到的数字中频信号进行相关处理得到I/Q值；
步骤四、I/Q值分别进入码跟踪环路和载波跟踪环路得到伪距、伪距率、码跟踪误差、载波跟踪误差、码环路载噪比C/N0和载波环路载噪比C/N0；
载噪比C/N0的计算公式为：
C/N0＝Sr+Ga-10log(kT)-Nf-L (1)
其中，Sr表示接收到的卫星信号功率；Ga表示接收机天线指向卫星的天线增益(单位dBic)；10log(kT)表示1Hz为参考带宽计算的噪声功率；k表示波尔兹曼常数(＝1.38×10-23J/°K)；T表示热噪声基准温度(＝290K)；Nf表示包括接收机天线和电缆的接收机噪声系数(dB)；L表示A/D等接收机内部损耗。
步骤五、自适应INS辅助算法模块分别码环路载噪比C/N0和载波环路载噪比C/N0进行分析，根据分析计算得到的C/N0调整跟踪环路阶数和最优带宽；其中对于跟踪环路阶数的调整具体为：若码环路载噪比C/N0小于设定阈值a，则码跟踪环路采用三阶跟踪环路，否则采用二阶跟踪环路；若载波环路载噪比C/N0小于设定阈值b，则载波跟踪环路采用三阶跟踪环路，否则采用二阶跟踪环路；
最优带宽计算公式为：
其中，d3R/dt3为动态应力误差；T为预检测积分时间；单位Hz。
码跟踪环路和载波跟踪环路根据上述分析得到的跟踪环路阶数和最优带宽进行调整，实现卫星信号的初步的跟踪环路锁定。
步骤六、自适应INS辅助算法模块根据载体的动态特征判断是否需要外部多普勒辅助频率锁定环路跟踪(IFLL)；若需要则采用IFLL跟踪中频数字信号的码频率和载波频率，自适应INS辅助算法模块将码频率和载波频率发送给码跟踪环路和载波跟踪环路，进而控制码和载波NCO生成本地卫星信号；若不需要，则不采用；
步骤七、组合导航滤波器根据伪距、伪距率及惯导解算结果进行组合滤波得到载体的定位信息。
本实施例所述装置中主要功能模块的工作流程如下：
IMU测量和INS解算模块：
步骤一：惯性测量装置(IMU)通过敏感的三轴加速度计和三轴陀螺仪测量出弹体三个方向上的加速度和姿态角。
步骤二：将测得的加速度和姿态角送入器件补偿器，进行误差补偿。
步骤四：补偿后的结果通过姿态更新模块，进行进一步的误差校正。
步骤五：惯性导航解算器对校正后的数据进行解算，得到惯导的伪距和伪距率。
步骤六：基于EKF的组合导航滤波器对惯导解算的伪距和伪距率与GNSS信号处理模块解算的伪距和伪距率进行处理，输出最优估计后的伪距和伪距率用以辅助GNSS信号处理模块的跟踪环路，从而实现INS与GNSS信号处理模块的紧组合。
步骤七：超紧组合导航滤波器的结果对IMU输出的结果进行补偿校正，对惯导的姿态更新处理进行姿态校正，形成闭环控制。
GNSS信号处理模块：
步骤一：卫星信号接收天线接收GNSS卫星信号。
步骤二：接收到的GNSS卫星信号通过射频前端完成射频信号到中频信号的变换以及模拟中频到数字中频的转化。
步骤三：射频前端处理得到的数字中频信号进入快速捕获模块实现卫星信号捕获。
步骤四：设置粗略的码和载波NCO控制生成本地伪码和载波。
步骤五：多模基带相关器将本地伪码和载波与数字中频信号进行相关处理。
步骤六：相关结果进入基于INS自适应辅助算法模块的载波跟踪环路和码跟踪环路实现高动态的卫星信号跟踪。
INS自适应辅助跟踪环路的具体流程如下：
1：先采用INS辅助三阶PLL实现卫星信号的初步的跟踪环路锁定；
2：通过功率比的方法估计跟踪信号的载噪比C/N0；
3：根据INS估计的视距加速度和加加速度自适应调节环路的阶数；
4：根据估计的视距动态应力参数和信号的C/N0计算最优带宽，自适应调节环路带宽；
5：根据信号的C/N0和载体的动态特性判断是否需要进行INS辅助跟踪环路，信号质量较高且动态性能较低时返回到步骤2，否则进入步骤6。
6：计算FLL的环路锁定指示器和PLL的环路锁定指示器；
7：根据PLL的环路锁定指示器及其它环路参数确定是否采用IPLL，如果PLL锁定良好则进入步骤8，否则进入步骤10；
8：基于EKF滤波器估计载体多普勒频率，实现INS辅助PLL；
9：返回步骤5；
10：根据FLL指示器及其它环路参数判断是否采用IFLL，如果FLL锁定良好则进入步骤11，否则环路失锁，进行重捕获。
11：基于EKF滤波器估计载体多普勒频率，实现INS辅助FLL；
12：返回步骤5。
步骤七：完成信号的跟踪后，GNSS信号处理模块解算初伪距、伪距率以及卫星的星历或卫星的位置和速度。
步骤八：组合导航滤波器采用扩展卡尔曼滤波器EKF对GNSS接收机的伪距和伪距率以及惯导的伪距和伪距率作为观测量进行滤波处理。
步骤九：组合导航滤波器的结果对IMU输出的结果进行误差补偿，对惯导的姿态更新处理进行姿态校正。
步骤十：组合导航滤波器估计的载体多普勒频率式(8)和二阶FLL环路滤波器的输出式(2)用于控制GNSS信号处理模块的码/载波NCO的控制，使步骤四得到更精确的控制，实现INS辅助FLL环路跟踪。
步骤十一：基于EKF滤波的INS自适应辅助跟踪环路的导航装置安置在高动态飞行的制导武器上，输出载体的位置、速度和姿态。
图2为三阶锁相环(PLL3)、INS辅助二阶锁相环(IPLL2)和INS辅助二阶锁频环(IFLL2)跟踪试验结果，图2(a)为PLL3跟踪C/N0，图2(b)为PLL3测量的多普勒误差，图2(c)为PLL3跟踪下SINS位置误差，图2(d)为PLL3跟踪下SINS速度误差，图2(e)为IPLL2跟踪C/N0，图2(f)为IPLL2测量的多普勒误差，图2(g)为IPLL2跟踪下SINS位置误差，图2(h)为IPLL2跟踪下SINS速度误差，图2(i)为IFLL2跟踪C/N0，图2(j)为IFLL2测量的多普勒误差，图2(k)为IFLL2跟踪下SINS位置误差，图2(l)为IFLL2跟踪下SINS速度误差。
以上试验的采集数据对应的飞行时间是30～85s，在30秒时设置的对准误差为纬度-31.28603m，经度-107.39593m，高程34.68m，东向速度-7.09196m/s，北向速度-3.81055m/s，天向速度-0.01352m/s。对比三种试验结果，得出在高动态弱信号环境下IFLL2的跟踪能力显然高于IPLL2和PLL3跟踪能力强，对于本飞行轨迹，IFLL2延长了与SINS组合导航的时间，提高了最终的组合导航精度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种INS辅助GNSS标量跟踪环的导航方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将接收到的GNSS卫星信号转化为数字中频信号；
步骤二、利用数字中频信号得到码相位和载波相位，利用码相位和载波相位生成本地卫星信号；
步骤三、对本地卫星信号与数字中频信号进行相关处理得到I/Q值；
步骤四、I/Q值分别进入码跟踪环路和载波跟踪环路得到伪距、伪距率、码跟踪误差、载波跟踪误差、码环路载噪比和载波环路载噪比；
步骤五、若码环路载噪比小于设定阈值a，则设置码跟踪环路采用三阶跟踪环路，否则采用二阶跟踪环路；若载波环路载噪比小于设定阈值b，则设置载波跟踪环路采用三阶跟踪环路，否则采用二阶跟踪环路；
根据码环路载噪比C/N0确定码跟踪环路的最优带宽Bn_opt：根据载波环路载噪比C/N0′确定载波跟踪环路的最优带宽Bn_opt′；
步骤六、根据载体的动态特征判断是否需要外部多普勒辅助频率锁定环路跟踪(IFLL)；若需要则采用IFLL跟踪中频数字信号的码频率和载波频率，并将所述码频率和载波频率发送给码跟踪环路和载波跟踪环路，进而控制码和载波NCO生成本地卫星信号；若不需要，则不采用；
步骤七、组合导航滤波器根据伪距、伪距率及惯导解算结果进行组合滤波得到载体的定位信息。
2.如权利要求1所述的一种INS辅助GNSS标量跟踪环的导航方法，其特征在于，
其中，d3R/dt3为动态应力误差；T为预检测积分时间；
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