INS辅助PLL载波相位跟踪环路高动态测试
2019-11-16班亚龙
摘要：GNSS精密定位技术依赖于高精度的载波相位观测信息，而当载体高动态运动时江iNSS接收机的Pl上跟踪环路由于承受较大的动态应力可能无法保持对导航卫星信号载波相位的稳定跟踪。针对这一问题，该文设计INS辅助的PLL跟踪环路结构，并且系统地设计基于典型高动态圆周运动的仿真（径向加速度509）与实测测试（径向加速度5.29）方法。测试结果表明：设计的INS辅助GNSS PLL跟踪环路结构，可以实现高动态条件下对卫星信号载波相位的稳定跟踪以及连续稳定的导航定位解算，且相比于普通环路，可以通过进一步压缩环路带宽和延长相干积分时间，获得更高精度的载波相位观测信息和多普勒估计信息。
关键词：INS辅助PLL;载波相位;高动态;性能测试
中图分类号：TN967.1 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）10-0045-08
0 引言
卫星导航定位技术在民用和军用领域有着广泛而重要的应用。随着全球导航卫星系统（globalnavigation satellite system，GNSS）的不断发展以及我国北斗三代导航系统的不断完善，卫星导航定位技术将越来越广泛地应用于移动测图、地震测量以及精确武器制导等高精度与高动态场景[1-6]。
目前，GNSS高精度定位的关键在于导航接收
收稿日期：2018-08-11;收到修改稿日期：2018-12-15
作者简介：班亚龙（1987-），男，河南新乡市人，工程师，博士，研究方向为卫星导航与组合导航。机从卫星信号中获得的载波相位测量信息，这一信息的获得主要通过接收机的锁相环路（phaselockedloop，PLL）完成[7]。然而，载体的高动态运动会引起接收信号载波频率与相位的大幅变动，进而可能引起频率与相位跟踪的激烈震荡，甚至失去对相位或频率的稳定跟踪，无法获得高精度的载波相位信息。对于普通接收机，增大环路带宽可以一定程度地提高环路对载体动态的承受能力，但较大的环路带宽会引入更多的环路噪声，从而造成较大的跟踪误差。
引入惯性辅助信息对环路进行辅助是解决这一矛盾的有效途径之一[8]。惯性导航系统（inertialnavigation system，INS）天然对载体动态敏感，可以与GNSS实现优势互补。利用惯性测量信息辅助接收机跟踪环路的方法通常被称为GNSS/INS深组合，通过将惯性辅助信息以前馈支路的形式引入到接收机跟踪环路，减少环路需要承受的动态应力，进而可以实现对信号载波相位的精密测量[9-10]。
目前，国外已成功研制了具有高动态GNSS载波相位测量能力的深组合精确制导系统并广泛应用，但对相关技术进行长期封锁和限制[2];2008年，美国Ohio大学的Soloviev等[11]基于深组合结构，利用软件接收机实现了城市道路低信噪比环境下的GPS信号重捕，并获得了较高精度的载波相位测量：2010年，DEIMOS Space的Fernandez[12]将深组合系统应用于移动测图。目前，国内对高动态条件下GNSS的研究主要停留在仿真与研制阶段。2007年，于海亮[13]采用仿真方法，分析了100g加]到变与100g/s加加速度条件下INS辅助三阶PLL的性能;2010年，王朋辉[14]通过仿真飞行轨迹，分析了深组合系统可以承受50g和10倍音速的动态。上述分析仅通过仿真方法验证高动态深组合系统的功能，却并未进一步给出INS辅助的PLL环路跟踪时，载波相位观测信息的相关分析结果。近年来，国内关于深组合的研究成果多为对组合滤波算法的仿真研究[15-17]，而对于高动态深组合相关实测更未见报道。
针对以上情况，本文基于自主设计的INS辅助GNSS接收机PLL跟踪环路系统和中频数据采集系统，设计典型的高动态仿真运动场景以及实测场景，并对接收机载波相位观测信息与定位结果两个层次分析高动态场景下INS辅助信息对GNSS载波相位跟踪性能的影响。
1 INS辅助PLL设计
如图1所示，INS辅助的接收机PLL跟踪环路结构包括GNSS接收机PLL跟踪环路、INS、组合导航滤波器以及辅助信息估计等[18-19]。
当环路鉴相器的输出指向低通滤波器1时，接收机工作于普通PLL模式，而当鉴相器输出指向低通滤波器2时，接收机工作在INS辅助的环路跟踪模式，当环路跟踪实现帧同步，即可从卫星信号中解调出伪距、载波相位等原始观测信息以及卫星星历。惯性测量单元（inertial measurement unit，IMU）通过对载体的6个自由度的运动信息测量，结合初始化信息，通过惯导算法解算可以得到载体的位置、速度和姿态信息。组合导航滤波器通过卡尔曼滤波实现对INS和GNSS测量信息的综合处理，得到组合导航的结果。
在辅助信息准备好之前，接收机首先工作在普通环跟踪模式，通过低通滤波器1得到的多普勒频率信息包含接收机与导航卫星之间的多普勒信息、接收机钟漂以及热噪声。其中，接收机与卫星k之间的多普勒fdopp，k，可以表示为载体相对于卫星的运动速度在视线方向（Line-of-Sight，LOS）的投影：
式中：ekT——接收机相对卫星k的视线方向的单位矢量，可由INS解算的接收机位置和卫星星历提供的卫星位置信息计算得到;
vINS——INS解算得到接收机速度;
vSV，k——卫星星历中获得卫星k的速度信息;
λ——载波波长。
此外，接收机钟漂可以通过导航定位解算得到，因此，当接收机工作在INS辅助PLL环路模式时，低通滤波器2只需要跟踪环路热噪声与INS辅助信息误差。
最后，辅助信息与低通滤波器2的输出一起作为载波NCO（numerically controlled oscillator）的控制信息，接收机环路可以提前對动态扰动进行预测，消除或减小PLL承受的动态应力，并且INS辅助的PLL环路可以采用更小的噪声带宽或延长相干积分时间，获得比普通接收机更好的跟踪精度。
2 高动态性能测试设计
高动态是指载体运动具有较大的速度及速度各阶导数分量，喷气推进实验室（Jet PropulsionLaboratory，JPL）定义两种典型高动态场景：线性速度模型（加速度50g）和圆周运动（径向加速度50g）[20]。
基于JPL的高动态定义，由于高动态圆周运动的速度及其对时间的各阶导数均为正弦波变化，因此本文设计典型高动态圆周运动仿真与实测场景对INS辅助的GNSS PLL跟踪环路的性能进行测试。如图2所示，INS辅助跟踪环路的系统测试分为仿真测试与实测测试。
2.1 仿真测试方法
INS辅助GNSS PLL跟踪环路的高动态仿真测试采用（]NSS/IMU信号模拟器（图3），通过设置高动态圆周运动场景，实时同步输出GNSS射频信号与IMU模拟信号，并可以生成场景的真值信息。之后，利用自主设计的GNSS中频/IMU数据采集器[21]，对GNSS中频信号和IMU原始数据进行采样、存储;最后利用设计的深组合处理软件对采集的数据进行后处理，分别分析在有无INS辅助的条件下，高动态对接收机PLL跟踪性能和导航定位解算性能的影响。
2.2 实测测试方法
INS辅助GNSS PLL跟踪环路的高动态实测测试基于自主设计的高速旋转平台完成，如图4所示，高速旋转平台主要由伺服电机、旋转杆臂、设备搭载平台以及支撑底座构成。
实测测试通过远程控制伺服电机带动旋转杆臂以一定的速率快速旋转，GNSS和IMU与旋转杆臂刚性固连，天线安装于旋转杆臂边缘以使之承受最大的径向加速度。同样地，在旋转过程中利用GNSS中频/IMU数据采集器记录实测场景的数据，GNSS天线运动的真值数据由旋转平台绝对运动信息测量系统得到[22]，之后利用深组合处理软件对采集的数据进行处理与分析。
3 测试结果与分析
基于第2节设计的高动态性能测试方法，本节将对设计的INS辅助PLL跟踪环路的高动态性能进行测试，并对测试结果进行分析。
3.1 仿真测试结果与分析
3.1.1 场景设置
如图5（a）所示，仿真测试采用典型的圆周运动轨迹，为了便于INS系统的初始化，仿真场景首先设置载体静止300s后首先沿正北向（初始航向0°）匀加速直线运动150s之后转为圆周运动，运动半径约130m。由图5（b）可知，仿真载体径向加速度为50g，最大运动角速度大于100°/s。
高动态圆周运动仿真场景的导航卫星载噪比设置为45dB-Hz，其分布情况如图6所示。可以看出，视野可见卫星为10颗，其中8号和20号卫星的仰角相对较低，根据第2节中的分析，接收机PLL环路对低仰角卫星的跟踪相比于高仰角卫星，更易受载体动态影响。
仿真测试中接收机环路跟踪带宽设置为20Hz，相干积分时间1ms。表1给出了仿真测试中采用的典型的战术级和MEMS IMU的参数。
3.1.2 载波相位跟踪性能分析
图7给出的是低仰角的8号和20号卫星的普通二阶和三阶PLL环路载波相位跟踪结果。结合图5可以看出，当载体动态较小时环路可以保持对卫星信号载波相位的稳定跟踪，而当载体处于高动态圆周运动时，普通二阶或者三阶PLL环路失去了对载波相位的锁定。如图8所示，采用战术级或者MEMS INS辅助的二阶跟踪环路，则无论是在较低动态还是在高动态运动中，都可以稳定跟踪载波相位。
图8还表明，无论是较高等级的IMU还是廉价的MEMS IMU，其对环路的辅助效果基本一致，说明低等级的MEMS IMU同样可以满足高动态应用场景需求。
3.1.3 导航定位解算性能分析
由于在高动态圆周运动场景下，普通接收机环路无法对卫星信号进行稳定跟踪，无法进行有效地导航定位解算，因此本文只给出INS辅助PLL跟踪环路时的接收机定位结果，如图9所示。导航定位解算结果表明，在高动态场景下，采用INS辅助PLL的接收机的性能优于采用普通PLL的接收机。
3.2 实测测试结果与分析
3.2.1 场景设置
实测场景为基于高速旋转平台完成的圆周运动，图10（b）给出了IMU的运动加速度和角速度，可以看出，IMU最大旋转角速度大于300°/s，最大径向加速度约34.5m/s2，而在实测中月My的旋转半径为1.0m，如图10（a）所示，GNSS天线的旋转半径为1.5m，据此可以计算出GNSS天线的最大径向加速度约为51.8m/s2，而最大加速度对时间的一阶导数可达30g/s。
图11给出了实测场景的可见卫星分布，由于测试场地所限，可见GPS卫星仅为6颗，其中26号卫星仰角相对较低，14号卫星仰角相对较高。
实测测试中接收机环路跟踪带宽设置为18Hz，采用的惯性测量单元为典型的MEMSIMU，表2给出了IMU器件的主要参数指标。
3.2.2 载波相位跟踪性能分析
图12给出了实测中普通二阶和三阶环路对低仰角卫星的跟踪误差曲线，结合图10可知，当GNSS天线处于最大径向速度运动时，采用普通二阶或者三阶环路虽然可以保持对卫星载波相位的跟踪，但其跟踪误差波动范围已显著大于±50°。而在相同环路带宽和相干积分时间条件下（1ms，18Hz），采用MEMS INS辅助的二阶PLL对26号卫星载波相位跟踪误差保持在±30°（图13）。
此外，在INS辅助下，接收机环路可以压缩环路带宽，延长相干积分时间，进一步减小热噪声的影响，从图13可以看出，当环路带宽和相干积分时间分别为10Hz和10ms時，MEMS INS辅助的二阶PLL载波相位跟踪误差显著减小（±15°范围内）。
3.2.3 导航定位解算性能分析
图14给出了实测高动态圆周运动场景下，普通二阶环路与MEMS INS辅助的二阶环路的接收机导航定位解算误差。从图14（a）可以看出，无辅助的普通接收机由于在高动态时部分卫星失去稳定跟踪，造成在高动态运动时段导航定位解算中断。
而采用MEMS INS辅助的二阶PLL环路的接收机，在整个测试过程中导航定位结果连续稳定，并且通过压缩环路带宽和延长相干积分时间，可以得到较高精度的测速结果，如图14（b）所示。
4 结束语
本文给出了INS辅助PLL环路的GNSS深组合接收机设计，并针对高动态条件下INS辅助PLL环路的载波相位跟踪性能评估问题系统地设计了仿真和实测测试方法，并对测试数据的处理与分析。仿真与实测测试结果一致表明：本文设计的INS辅助GNSS PLL跟踪环路结构实现了高动态条件下对卫星信号载波相位的稳定跟踪和连续稳定的导航定位解算，且相比于普通环路，可以通过进一步压缩环路带宽和延长相干积分时间，获得更高精度的载波相位观测信息和多普勒估计信息，为下一步高动态条件下的GNSS精密定位（如差分GNSS）的实现提供了观测信息基础。
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（编辑：李刚）
