CN110864686A - 一种非相干分散式深耦合抗干扰组合导航方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本专利公开了一种非相干分散式深耦合抗干扰接收机实现方法,该方法摒弃了传统的跟踪环路，利用了惯导单元实现所有接收卫星通道的载波环路和伪码跟踪环路的闭合，利用所有通道联合跟踪的思想，提高了跟踪灵敏度和抗干扰性能，同时采用采样脉冲调整相位和数据信息帧标记相结合的方法，解决惯性测量数据与基带测量信号的时间一致性问题，增加系统的稳定性能。
Description
技术领域
本发明属于组合导航领域，涉及一种非相干分散式深耦合抗干扰组合导航方法和系统，用于非相干分散式深耦合抗干扰导航接收机的实现。
背景技术
卫星导航系统(GPS、北斗、GLONASS)具有全天候、全球覆盖的为各种用户提供高可靠、高精度的导航、定位与授时能力的优势，但是它也具有如发射信号功率小、容易被干扰、数据更新速率比较低等特点；惯性导航系统具有能够不受外面电磁干扰，抗干扰能力强，独立自主进行导航工作的能力，它有数据更新速率高、短时间内定为精度高、导航信息齐全、能够测量载体的姿态等众多优点。将GNSS(Global Navigation Satellite System)与INS(Inertial Navigation System)进行组合，克服两个系统的缺点，提高整体性能，因此组合导航成为未来导航领域最具有发展前景的方向之一。
组合导航抗干扰技术在战场环境应用中日益增多，美军也已经发展了大量应用GPS/INS 组合导航的装备，可以说美军重要武器装备的导航系统几乎都是组合导航形式，具有很强的抗干扰能力。GNSS/INS深耦合导航系统自从提出以来，经历了惯导辅助环路，集中式矢量接收机等阶段。惯导辅助接收机环路只是从动态性来考虑，利用惯导预测接收机所承受的动态来预先估计接收机的多普勒，从而减小接收机环路带宽的方式来实现惯导和GNSS接收机的深层次耦合。集中式矢量接收机架构利用多个通道联合跟踪技术及惯导数据来闭合接收机环路，从而提高了接收机的鲁棒性，但是缺点在于集中式矢量跟踪本质就是一个扩展卡尔曼滤波器，其观测量多，更新率快，不利于工程实现。
发明内容
针对上述背景技术存在的问题，本发明的目的是提供一种非相干分散式深耦合抗干扰导航方法和系统，能够在保证深耦合导航系统定位精度的前提下，获得比较强的抗干扰能力。
本发明的技术方案是：
一种非相干分散式深耦合抗干扰接收机实现方法，其特征在于，通过深组合方式提高卫星导航接收机的抗干扰能力，算法实现步骤如下：
1)在卫星接收机(GNSS接收机)通道中，本地生成超前、即时、滞后三种伪码和载波信号，分别进入相关器与接收的数字中频信号进行相关计算，三路相关数据进入测量残差预滤波器，经过测量残差预滤波器处理后得到伪距、伪距率，将其送到组合滤波器中；即时信号一路的相关值用于导航电文的收集与解调得到导航电文，进而利用收到的卫星星历计算卫星位置、速度；
2)通过本地时钟采样惯性测量单元的测量数据，将基带测量信号时间对齐到系统整秒边沿，利用同一时钟分频得到惯性测量单元的采样触发脉冲，对每个采样数据增加信息帧标记用于软件对齐；
3)采样的惯性测量数据输入到捷联惯导解算单元，首先通过初始对准获得初始姿态信息，然后通过捷联惯导解算，得到姿态、位置、速度值，并将位置和速度信息也送到组合导航滤波器中用于组合滤波；
4)通过组合导航滤波器处理，得到速度、位置误差估计值，并将经过校正的位置速度信息和由卫星星历计算得到的卫星位置速度信息结合，计算多普勒频率和码相位，再分别计算载波生成NCO和伪码生成NCO控制量，实现信号跟踪环路闭合。
步骤1)中采用非相干和分散式的方法其特征在于残差预处理滤波中，采用非相干处理方式，对相关值先鉴相再滤波，消除了滤波器的非线性问题，同时能够有效提出滤波输入中的干扰信息，保证相关鉴相工作在线性区域的方式来确保系统稳定性，同时提高了接收机跟踪灵敏度以及抗干扰能力。采用的残差预预滤波其特征在于即时信号一路的相关值用于导航电文的收集与解调，组合滤波器的输出是伪距和伪距率的最优估计误差值，并将误差一方面送入定位解算模块，另一路相关值送入调节时钟误差模块中，调节时钟误差包括相位和频率。
步骤2)中为了解决惯性测量数据与基带测量信号的时间一致性问题，采用采样脉冲调整相位和数据信息帧标记相结合的方法。同步脉冲合成器完全基于逻辑设计实现上述方法，基带测量单元和惯性测量单元采用同一本地晶振，利用接收机本地生成的秒脉冲信号测量，本地频率测量单元完成对本地晶振实际频率的测量，并根据惯性数据采样频率计算分频系数，相位修正单元用于完成由分频器生成的脉冲与1PPS脉冲信号的相位误差检测，最终使得产生的合成脉冲的上升沿与1PPS脉冲信号的上升沿对齐。
一种实施所述方法的系统，其特征在于，包括射频单元和基带信号、信息处理单元，其中：
射频单元包括：分路器将导航天线接收的信号分成L1信道、L2信道、B1信道、B2信道、 B3信道后，分别送入基带信号信息处理单元的输入端；
基带信号信息处理单元包括：AD采样器将所述的L1信道、L2信道、B1信道、B2信道、B3信道进行处理后分别送入50Hz相关器输入端的L1通道、L2通道、B1通道、B2通道、B3 通道，50Hz相关器的输出端与测量残差预滤波器的输入端连接，后者的输出端依次经过组合滤波器和误差补偿器后获得导航结果信号并输出；惯性测量单元的输出端经惯性导航算法模块与该组合滤波器的另一输入端以及误差补偿器另一输入端连接；连接有10M晶振的时钟模块的两个输出端分别与AD采样器和基准频率模块的对应端连接，基准频率模块的一个输出端与常规信号捕获通道与信息处理单元的输入端连接，后者的输出输入接口与所述的50Hz相关器的对应的接口连接；基准频率模块的不同输出端还分别与定时器、载波NCO、码NCO连接；载波NCO和码NCO的输入端与伪据/伪据率计算模块的对应输出端连接，载波NCO的输出端与 50Hz相关器的Cos和Sin端连接，码NCO的输出端与伪码发生器的输入端连接，后者的输出端与50Hz相关器的对应输入端连接；电文收集及解调器的输出端与卫星位置与速度计算模块的输入端连接，电文收集及解调器的定时端与所述的定时器的一个输出端连接，伪据/伪据率计算模块的不同输入端分别与卫星速度计算模块的输出端和误差补偿器的一个对应输出端连接。
所述的电文收集及解调器的一输入端与所述的常规信号捕获通道与信息处理单元的即时信号相关值输出端连接。
本发明的优点是：本发明所提出的非相干分散式深耦合抗干扰接收机，采用测量残差预滤波和组合滤波结合的方式来完成信号处理以及环路控制，结构简单，可以实现多通道联合跟踪，不仅提高了跟踪灵敏度和抗干扰能力，而且运算量小，可实现实时处理。
附图说明
图1是本发明非相干分散式深耦合抗干扰接收机系统结构示意图。
图2是本发明非相干分散式深耦合导航系统信息同步原理框图。
图3是本发明非相干分散式深耦合信息同步采样脉冲同步效果图。
图4是本发明非相干分散式深耦合接收机处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的一种非相干分散式深耦合抗干扰接收机实现方法做进一步的描述。
图1为非相干分散式深耦合抗干扰接收机系统结构图，其构成结构和工作流程为：
1)在卫星接收机(GNSS接收机)射频单元的L1、L2、B1、B2、B3五频点信号通道中，本地生成超前、即时、滞后三种伪码和载波信号，分别经过AD采样模块处理后进入相关器，并与常规信号捕获通道与信息处理单元产生的数字中频信号进行相关计算，三路相关数据进入测量残差预滤波器，经过测量残差预滤波器处理后得到伪距和伪距率，将其送到组合滤波器中；即时信号一路的相关值经过常规信号捕获通道与信息处理单元处理后送入电文收集及解调模块对导航电文收集与解调，得到导航电文，进而利用收到的卫星星历由卫星位置及速度计算模块计算卫星位置、速度。
2)通过本地时钟采样惯性测量单元的测量数据，将基带测量信号时间对齐到系统整秒边沿，利用同一时钟分频得到惯性测量单元的采样触发脉冲，对每个采样数据增加信息帧标记用于软件对齐。
3)由惯性测量单元采样的惯性测量数据输入到惯性导航算法单元，首先通过初始对准获得初始姿态信息，然后通过捷联惯导解算，得到姿态、位置、速度值，并将位置和速度信息也送到组合导航滤波器中用于组合滤波。
4)通过组合导航滤波器处理，得到速度、位置误差估计值，并将经过误差补偿模块校正的位置速度信息和由(卫星位置及速度计算模块)卫星星历计算得到的卫星位置速度信息结合，(经伪距\伪距率计算模块)计算多普勒频率和码相位，再分别计算载波生成NCO和伪码生成NCO控制量，实现信号跟踪环路闭合。
非相干分散式深耦合抗干扰接收机主要由测量残差预滤波器和组合导航滤波器组成，测量残差预滤波器用于利用三路I、Q支路相关值进行测量残差滤波，得到伪距、伪距率测量残差估计；测量残差预滤波器输出的伪距、伪距率残差与INS系统输出的速度、位置信息等构成了组合导航滤波器的量测信息，通过组合滤波得到了速度、位置、姿态误差估计；由卫星星历计算得到的卫星位置和速度信息，结合组合滤波得到的载体位置速度信息可以推算导航信号多普勒频移以及伪码相位，实现对载波NCO和码NCO的控制，闭合接收机信号跟踪环路。
非相干分散式深耦合抗干扰接收机摒弃了传统的跟踪环路，采用了惯导单元实现所有接收卫星通道的载波环路和伪码跟踪环路的闭合，利用所有通道联合跟踪的思想，提高了跟踪灵敏度和抗干扰性能，提高接收机整体性能。
采用非相干和分散式的概念解决深耦合闭合环路的高运算复杂性难题以及非线性问题。测量残差预处理滤波其中，采用非相干处理方式，对相关值先鉴相再滤波，消除了滤波器的非线性问题，保证相关值鉴相工作在线性区域的方式来确保系统稳定性，同时提高了跟踪灵敏度。在滤波处理中采用分散式处理，通过预滤波加主滤波的方式来减少整个深耦合处理的运算复杂度，其中预滤波采用更快速的更新频率，而主滤波器采用1Hz左右的处理速率，其中预滤波对应每颗卫星一个预滤波器，所有预滤波结果送给主处理器的架构方式，大大减小了整个深耦合处理的运算复杂度。
图2是深耦合导航系统信息同步原理框图，惯性测量数据与基带测量信号是进行后续信息融合的基本信息，两者测量时间的一致性(同一时刻性)是保证信息融合准确的前提，不一致的时间将带来较大的误差，尤其是在高动态的情况下，误差将更加明显。产生该误差的原因在于惯性测量单元采样时刻与导航基带测量信号采样时刻不一致造成的。基带测量信号的时刻一般是整秒对齐，可以表征为1PPS(Pulse Per Second)的上升沿。时间一致性控制就是保证惯性测量单元的采样时刻与1PPS的上升沿对齐，且保证IMU的采集触发脉冲频率是 1PPS脉冲频率的整数倍。本发明采用反馈控制的方法以1PPS脉冲为基准，实现两者测量时间的一致性。
基带测量信号的对齐时间一般都是对齐在整秒边沿，即1PPS上升沿，而惯性测量数据的有效时刻对齐在采集触发脉冲的上升沿。在没有同步机制的情况下，两者的不同步表现在频率与相位两个方面。频率方面的不同步就是在1PPS意义上的1秒钟期间内惯性测量数据的更新率不是严格为整数倍。以更新率为200Hz的惯性测量数据为例，在频率不同步的情况下，其更新率不是严格的200帧数据。相位不同步就是指惯性测量数据的触发脉冲的上升沿不与1PPS脉冲的上升沿对齐。
为了解决惯性测量数据与基带测量信号的时间一致性问题，采用采样脉冲调整相位和数据信息帧标记相结合的方法。以一个更新率为200Hz的惯性测量单元为例，采用同步脉冲合成器实现1PPS和IMU同步。同步脉冲合成器完全基于逻辑设计实现上述方法，基带测量单元和惯性测量单元采用同一本地晶振，利用接收机本地生成的秒脉冲信号测量，本地频率测量单元完成对本地晶振实际频率f0的测量，并根据惯性数据采样频率计算分频系数，相位修正单元用于完成由分频器生成的脉冲与1PPS脉冲信号的相位误差检测，最终使得产生的合成脉冲的上升沿与1PPS脉冲信号的上升沿对齐。
图3为信息同步采样脉冲同步效果图，保证了IMU采集触发脉冲频率稳定为200Hz且相位与1PPS的上升沿对齐。
图4为非相干分散式深耦合抗干扰接收机处理流程图，首先接收机判断当前工作状态，是否完成了系统初始化，如果没有，则进入常规接收机工作模式；当完成了初次定位后，则开始进行惯导解算初始化，完成初始对准并进入捷联惯导解算状态。当惯导系统完成初始化后，接收机切换到深耦合工作模式，深耦合工作模式下通过测量残差预滤波器获得伪距、伪距率测量残差，通过捷联惯导解算得到本地位置、速度信息，通过信息信息计算卫星位置、速度信息，将上述信息输入到组合滤波器中，滤波得到位置、速度误差估计，对位置、速度误差进行补偿后进行导航结果输出。通过卫星位置、速度信息和组合滤波补偿后的载体位置、速度信息推算导航信号多普勒频移以及伪码相位，实现对载波NCO和码NCO的控制，闭合接收机信号跟踪环路。
利用原理样机开展验证试验表明，本发明公开的一种非相干分散式深耦合抗干扰接收机实现方法可有效提高卫星接收机的跟踪灵敏度和抗干扰性能，同时采用采样脉冲调整相位和数据信息帧标记相结合的方法，解决惯性测量数据与基带测量信号的时间一致性问题，增加系统的稳定性能。
Claims (6)
1.一种非相干分散式深耦合抗干扰接收机实现方法，其特征在于，通过深组合方式提高卫星导航接收机的抗干扰能力，算法实现步骤如下：
1)在卫星接收机通道中，本地生成超前、即时、滞后三种伪码和载波信号，分别进入相关器与接收的数字中频信号进行相关计算，三路相关数据进入测量残差预滤波器，经过测量残差预滤波器处理后得到伪距、伪距率，将其送到组合滤波器中；即时信号一路的相关值用于导航电文的收集与解调得到导航电文，进而利用收到的卫星星历计算卫星位置、速度；
2)通过本地时钟采样惯性测量单元的测量数据，将基带测量信号时间对齐到系统整秒边沿，利用同一时钟分频得到惯性测量单元的采样触发脉冲，对每个采样数据增加信息帧标记用于软件对齐；
3)采样的惯性测量数据输入到捷联惯导解算单元，首先通过初始对准获得初始姿态信息，然后通过捷联惯导解算，得到姿态、位置、速度值，并将位置和速度信息也送到组合导航滤波器中用于组合滤波；
4)通过组合导航滤波器处理，得到速度、位置误差估计值，并将经过校正的位置速度信息和由卫星星历计算得到的卫星位置速度信息结合，计算多普勒频率和码相位，再分别计算载波生成NCO和伪码生成NCO控制量，实现信号跟踪环路闭合。
2.如权利要求1所述的非相干分散式深耦合抗干扰接收机实现方法，其特征在于，所述的步骤1)中残差预滤波器处理的方法，采用非相干处理方式，对相关值先鉴相再滤波，消除了滤波器的非线性问题，同时能够有效提出滤波输入中的干扰信息，保证相关鉴相工作在线性区域的方式来确保系统稳定性，同时提高了接收机跟踪灵敏度以及抗干扰能力。
3.如权利要求2所述的非相干分散式深耦合抗干扰接收机实现方法，其特征在于，采用的残差预预滤波，即时信号一路的相关值用于导航电文的收集与解调，组合滤波器的输出是伪距和伪距率的最优估计误差值，并将误差一方面送入定位解算模块，另一路相关值送入调节时钟误差模块中，调节时钟误差包括相位和频率。
4.如权利要求1所述的非相干分散式深耦合抗干扰接收机实现方法，其特征在于，所述的步骤2)中，为了解决惯性测量数据与基带测量信号的时间一致性问题，采用采样脉冲调整相位和数据信息帧标记相结合的方法；同步脉冲合成器完全基于逻辑设计实现上述方法，基带测量单元和惯性测量单元采用同一本地晶振，利用接收机本地生成的秒脉冲信号测量，本地频率测量单元完成对本地晶振实际频率的测量，并根据惯性数据采样频率计算分频系数，相位修正单元用于完成由分频器生成的脉冲与1PPS脉冲信号的相位误差检测，最终使得产生的合成脉冲的上升沿与1PPS脉冲信号的上升沿对齐。
5.一种实施权利要求1所述方法的系统，其特征在于，包括射频单元和基带信号、信息处理单元，其中：
射频单元包括：分路器将导航天线接收的信号分成L1信道、L2信道、B1信道、B2信道、B3信道后，分别送入基带信号信息处理单元的输入端；
基带信号信息处理单元包括：AD采样器将所述的L1信道、L2信道、B1信道、B2信道、B3信道进行处理后分别送入50Hz相关器输入端的L1通道、L2通道、B1通道、B2通道、B3通道，50Hz相关器的输出端与测量残差预滤波器的输入端连接，后者的输出端依次经过组合滤波器和误差补偿器后获得导航结果信号并输出；惯性测量单元的输出端经惯性导航算法模块与该组合滤波器的另一输入端以及误差补偿器另一输入端连接；连接有10M晶振的时钟模块的两个输出端分别与AD采样器和基准频率模块的对应端连接，基准频率模块的一个输出端与常规信号捕获通道与信息处理单元的输入端连接，后者的输出输入接口与所述的50Hz相关器的对应的接口连接；基准频率模块的不同输出端还分别与定时器、载波NCO、码NCO连接；载波NCO和码NCO的输入端与伪据/伪据率计算模块的对应输出端连接，载波NCO的输出端与50Hz相关器的Cos和Sin端连接，码NCO的输出端与伪码发生器的输入端连接，后者的输出端与50Hz相关器的对应输入端连接；电文收集及解调器的输出端与卫星位置与速度计算模块的输入端连接，电文收集及解调器的定时端与所述的定时器的一个输出端连接，伪据/伪据率计算模块的不同输入端分别与卫星速度计算模块的输出端和误差补偿器的一个对应输出端连接。
6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述的电文收集及解调器的一输入端与所述的常规信号捕获通道与信息处理单元的即时信号相关值输出端连接。
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2019
- 2019-11-21 CN CN201911146039.3A patent/CN110864686A/zh active Pending
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