INS辅助GNSS高动态捕获跟踪技术研究

马国驹，蔚保国，贾瑞才，智奇楠

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)



INS辅助GNSS高动态捕获跟踪技术研究

马国驹，蔚保国，贾瑞才，智奇楠

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

摘要在高动态的环境下，由于载体的运动速度及加速度非常大，卫星与载体之间的相对Dopple很大，超出了常规全球卫星导航(GNSS)收机的捕获搜索范围与跟踪门限，因此会造成搜索不到卫星或失锁。针对这一问题开展了利用惯导测量系统(INS)辅助GNSS接收机捕获与跟踪技术研究，GNSS接收机利用INS提供载体的速度、加速度和位置参数，预测载体的多普勒(Dopple)频移，结合接收机的星历及环路信息，共同调节环路中的NCO，及时重新设定环路搜索中心频率，从而解决了高动态引起大的Dopple频移这一问题。仿真结果表明，相比传统的接收机，通过INS辅助的GNSS接收机可以在超高动态模拟环境下，加速度100 g和速度为4 000 m/s时仍可以快速捕获及稳定跟踪信号。

关键词高动态环境；信号捕获；INS辅助；稳定跟踪；载波多普勒

INS-aided High Dynamic GNSS Rapid Acquisition and Stable Tracking

MA Guo-ju,YU Bao-guo,JIA Rui-cai,ZHI Qi-nan

(The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractIn high dynamic environment,due to the high speed and acceleration of carrier,the relative Doppler between satellite and carrier is so great that it is beyond the conventional GNSS acquisition searching scope and tracking limit,and results in losing lock.To solve this problem,it is proposed in this paper to use INS-aided GNSS receiver acquisition and tracking.GNSS receiver uses the motion speed,acceleration and location parameters provided by INS plus the information of satellite and loop to calculate the carrier’s Doppler frequency,which adjusts the NCO and resets the center searching frequency,thus the Doppler shift caused by high dynamic is solved.Simulation result indicates that compared with traditional receiver,the INS-aided receiver can realize rapid acquisition and steady tracking of signal in ultrahigh dynamic environment with acceleration of 100g and speed of 4000m/s.

Key wordshigh dynamic environment;signal acquisition;INS-aided;stable tracking;carrier Doppler

0引言

随着现代社会的发展，高速、超高速运动的载体应用越来越普遍，比如火箭、航天飞机和导弹等日益增多，由于载体的运动速度、加速度非常大，会造成很大的频率和码相位的多普勒频移，常常会超出普通接收机的搜索范围，因而不能正常工作。

在高动态的环境下，接收机为了可以很好地捕获与跟踪信号，常常增大频率搜索的范围与环路的带宽。一般接收机的频率搜索范围在±10 kHz,高动态环境下，多普勒频移甚至会达到40 kHz,如果增大搜索范围，这会大大增加GNSS接收机的捕获时间，即使多普勒频移在搜索的范围之内，由码相位引起的多普勒频移，在相干积分的损耗会大大减小捕获与跟踪的灵敏度。如果增大跟踪环路的带宽，这样又引入了更多的噪声，反而会降低环路的性能。针对这一问题，本文提出利用INS辅助GNSS接收机捕获与跟踪的方法，既不用增大频率搜索范围，也不用增大环路的带宽，并且可以在超高动态环境下，快速捕获与稳定跟踪信号[1]。

1INS 辅助GNSS接收机的原理

INS辅助GNSS接收机的原理框图如图1所示。INS系统提供载体运动的位置、速度和加速度，结合卫星星历提供卫星运动的速度、加速度，从而可以计算出二者之间的多普勒频移，即Δf，加上载波/码环路滤波器的输出量来调节接收机环路[2]，本文采用载波环辅助码环的结构设计，INS与载波环可以抵消掉码环所受到的几乎所有的动态应力。因此，在高动态环境下，不用增大环路的带宽和频率搜索范围，就可以快速地捕获与跟踪信号。以原频率搜索中心加上计算所得到得多普勒频移，一起调节载波NCO,找到新的搜索频率中心，由于INS 估算出来的速度、加速度多普勒频移等比较精确。因此，在很小的频率搜索范围内搜索，就可以捕获信号，大大减小捕获时间，同时根据载波环辅助码环[3]，可以估算出码相位的多普勒，减小相干积分所造成的损耗，提高跟踪灵敏度。

图1　INS辅助GNSS接收机的原理

2 INS辅助GNSS信号的捕获

INS辅助信号的捕获主要分为粗捕获与精捕获2个部分。捕获就是对接收到的信号进行展开搜索的过程，进行匹配，二维搜索方式如图2所示。

图2　二维搜索方式

粗捕获采用基于快速傅里叶变换的循环相关捕获方法，INS和卫星星历共同预测多普勒信息，提高接收机搜索性能，从而减小频率搜索范围，达到快速捕获信号的目的[4]。

在粗捕获阶段，INS结合星历，提供载体与卫星的速度、加速度，从而可以计算出多普勒频移Δf,将计算的频移量反馈到载波NCO中，共同调节本地载波频率中心值。为了更好地利用INS提供的频移估计量，应该将INS与接收机信息融合应该放在捕获流程靠前的位置。设GPS信号在L1 波段的载波波长为λL1，频率为fL1，载体的运动速度V2，卫星速度为V1，卫星载体单位视线矢量为e，由于载体运动而产生的多普勒频移估计值和本地载波fc的估计值分别为：

(1)

fc=fL1+Δf。

(2)

通过INS 输出的惯性速度信息可以估算出载体的速度V2;通过历书解算得到卫星的速度V1;利用INS结合星历提供的卫星位置信息，可以计算出载体和卫星视线方向的矢量e，结合式(1)和式(2)可以准确地估算出载波中心频率，因此大大地减小频率搜索范围，到达快速捕获的目的。

在粗捕获情况下，搜索频格的每个搜索范围比较大，如果选用Tcoh=1 ms的导航电文数据，锁频环以

(3)

为鉴频器时，它的频率签入范围宽为1/Tcoh，相应的频率牵入范围为±500 Hz。这对于跟踪环路来说太粗糙，它工作带宽一般为几Hz或十几Hz，因此就必须对得到的频率进行精细处理，使其满足跟踪环路带宽的需求。如果相位正确的C/A码与输入信号相乘，那么输入信号就变为一个连续的信号。假设在N时刻，找到了1 ms电文中的最高频率分量为xN(k)，在距离这N时刻之后很短的时间间隔T时刻，又出现一个频率很强的分量xN+T(k)，一般可以通过相位的方法来得到满足跟踪环路需求的精细频率，可以通过DFT计算出xN(k)的初始相位θN(k)为 :

(4)

式中，Im和Re分别表示虚部和实部，那么同样的T时刻之后的xN+T(k)的初始相位θN+T(k)为：

(5)

用这2个相位可以计算出精细频率为：

(6)

那么此时的载波频率为:

fT=f+f′。

(7)

再次计算所得的频率估计值fT就非常准确，可以满足后面跟踪过程所需的频率要求。

3INS辅助GNSS信号的跟踪

INS辅助GNSS的跟踪环路核心就是对接收机锁相环多普勒频移估计的辅助，INS 的更新速率特别快，导航解算速率一般比接收机高1个或2个数量级。对于没有INS 辅助的接收机环路，反馈校正量是从鉴相器中I、Q支路测量中产生，通过压控振荡器调节本地载波相位变化，随着载体动态的变大，I、Q支路产生的相位差可能会超过鉴相器的工作范围，从而造成锁相环失锁，接收机不能正常工作。INS 辅助的跟踪环路，反馈校正量可以同时从环路和INS中获得，INS能够提供速度信息，抵消掉跟踪环中大部分的动态，因此接收机在不增大环路带宽的情况下，可以稳定跟踪信号。INS辅助的接收机PLL环数学模型[5]如图3所示。

图3　INS辅助的接收机PLL环数学模型

(8)

环路的误差传递函数为：

(9)

如果卫星相对载体做加速度运动，输入信号的伪距为：

(10)

如果卫星相对载体做加加速度运动，则输入信号伪距为：

(11)

可以分别求出式(4)和式(5)的拉式变换θi(s)，将式(4)带入到惯性速度辅助的稳态误差[8]函数eθ(s)中：

(12)

将式(5)带入到其中得：

(13)

当k值非常大的时候，稳态误差τ1/k≈0，因此INS辅助的GNSS跟踪环路[9]对很大的加速度、速度不敏感，理论上无论载体的速度、加速度有多大，在不增大环路带宽的情况下，系统都能稳定地跟踪。

4 仿真结果分析

本文采用卫星导航信号源模拟高动态载体运动[10]，采用笔记本调试机进行仿真，设置信号的载噪比为40 dB/Hz，直线运动速度最大为6 000 m/s,最大的加速度为100 g，频率搜索范围为±10 kHz,DLL的牵引带宽为10 Hz，工作带宽为2 Hz，PLL的牵引带宽为10 Hz,工作带宽为5 Hz。下面分别对传统接收机与INS辅助的GNSS接收机进行捕获、跟踪进行仿真分析[11]。

图4和图5是对接收机的6个通道进行捕获，由于有INS预测出多普勒偏移，因此在很小的频率搜索范围内搜索即可，无INS辅助的捕获时间大约在0.2 s，有INS辅助的捕获时间大约在0.019 s，性能提升约10倍。

图4　无INS辅助GNSS(6个通道)捕获时间

图5　有INS辅助GNSS(6个通道)捕获时间

7号星的I/Q值如图6和图7所示。

图6　无INS辅助GNSS跟踪(I/Q值，7号星)

图7　INS辅助GNSS跟踪(I/Q值，7号星)

在超高动态环境下[12]，由于多普勒偏移过大，超过了环路的鉴相范围，普通接收机不能对信号锁定，I/Q比值大约在0.02左右，远远低于判决门限0.9，有INS辅助的I/Q值大约都在0.97左右，因此能够稳定跟踪环路。

5结束语

通过INS估算的加速度、速度观测量计算多普勒偏移，来辅助载波环。本文通过仿真实验，分析对比了在高动态环境下有无INS辅助接收机在信号捕获、跟踪这2个方面的性能，从时间和稳定性2个方面验证了INS辅助GNSS接收机快速捕获与稳定跟踪的可行性。通过仿真可知，有INS辅助要比没有INS辅助在捕获时间上缩短了10倍，对于载体的超高动态，通过INS辅助可以稳定跟踪信号，没有辅助的不能跟踪，对以后的工程应用有重要的实际指导意义。

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马国驹男，(1991—)，在读硕士。主要研究方向：INS/GNSS组合导航深耦合接收机。

蔚保国男，(1966—)，研究员，博士生导师。主要研究方向：GNSS信号处理与评估。

作者简介

中图分类号TN967

文献标识码A

文章编号1003-3106(2016)02-0023-04

基金项目：国家高技术研究发展计划(“863”计划)基金资助项目(2015AA124001，2013AA12A206)。

收稿日期：2015-11-10

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2016.02.06

引用格式：马国驹，蔚保国，贾瑞才，等.INS辅助GNSS高动态捕获跟踪技术研究[J].无线电工程,2016,46(2):23-26.