CN105954775A - 惯导加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加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后得到同向I路信号和正交Q路信号；同向超前信号I_E、同向滞后信号I_L、正交超前信号Q_E、正交滞后信号Q_L经过码环鉴别器得到码相位误差，该码相位误差经过码环滤波器平滑后的码相位误差加上f_aid/M反馈控制本地C/A码发生器；同向即时信号I_P、正交即时信号Q_P通过鉴相器获得环路相位误差，该环路相位误差经过环路滤波器平滑后得到的载波相位误差加上f_aid对本地载波发生器进行修正。本发明解决环路需承受的动态应力问题，使得环路在很小的带宽下即能实现大动态环境的稳定跟踪，极大提升了环路的动态性，有效提升了环路的抗干扰能力。

Description

惯导加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，尤其是一种惯导加速度辅助接收机跟踪环路算法。

背景技术

在高动态环境下，GNSS信号载波频率和码频率会受到载体较高速度，加速度，加加速度影响，产生很大的多普勒频移、多普勒频移变化率以及多普勒频移二次变化率。对于普通接收机来说，为了保持环路锁定必须增加环路带宽。环路带宽的加大将引入宽带噪声，当噪声电平增大到一定程度时将导致环路失锁。为了解决高动态下环路跟踪问题，一些学者提出采用二阶锁频环辅助三阶锁相环的载波跟踪算法。此算法的特点为二阶锁频环切换到三阶锁相环的门限不易确定，且当载体运动变化比较快时，会导致环路不断切换，影响环路的稳定性。还有一些学者提出了自适应环路最优带宽设置算法，该算法也需要带宽不断变化，影响环路稳定性。还有一些学者提出基于模糊控制的环路跟踪算法和基于卡尔曼滤波的环路跟踪算法，这些算法都没有从根本上解决环路需承受的动态应力问题，当载体动态性到达一定程度后，环路都将失锁。

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，通过混频后得到同向I路信号和正交Q路信号，分别与超前码E、即时码P、滞后码L相关后获得剥离载波和伪随机码的六路信号：同向超前信号I_E，同向即时信号I_P，同向滞后信号I_L，正交超前信号Q_E，正交即时信号Q_P，正交滞后信号Q_L。I_E、I_L、Q_E、Q_P经过码环鉴别器得到码相位误差，经过滤波后反馈控制本地C/A码发生器。I_P、Q_P通过鉴相器获得环路相位误差，经过环路滤波器平滑后，用以校正本地载波发生器。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，提供一种惯导加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：

一种惯导加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后得到同向I路信号和正交Q路信号；

步骤2、I路信号和正交Q路信号分别与超前码E、即时码P、滞后码L相关后获得剥离载波和伪随机码的六路信号：同向超前信号I_E，同向即时信号I_P，同向滞后信号I_L，正交超前信号Q_E，正交即时信号Q_P，正交滞后信号Q_L；

步骤3、同向超前信号I_E、同向滞后信号I_L、正交超前信号Q_E、正交滞后信号Q_L经过码环鉴别器得到码相位误差，该码相位误差经过码环滤波器后的码相位误差加上f_aid/M反馈控制本地C/A码发生器；

步骤4、同向即时信号I_P、正交即时信号Q_P通过鉴相器获得环路相位误差，该环路相位误差经过环路滤波器平滑后得到的载波相位误差加上f_aid对本地载波发生器进行修正；

其中，f_aid为惯导加速度辅助信息，M表示载波频率与码频率的比值。

所述惯导加速度辅助信息f_aid为多普勒，上述惯导加速度辅助信息直接通过惯导信息和卫导信息计算得到。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过引入惯导加速度对载波跟踪环路和码跟踪环路辅助，从根本上解决上环路需承受的动态应力问题，使得环路在很小的带宽下即能实现大动态环境的稳定跟踪，极大提升了环路的动态性。由于环路动态性被惯导加速度辅助信息弥补，环路带宽可以设置得比较小，从而有效提升了环路的抗干扰能力。

2、本发明通过惯导加速度估算环路多普勒频移变化率，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为惯导加速度辅助跟踪环路原理图；

图3为惯导加速度辅助载波跟踪环路原理图；

图4为锁相环加速度门限与等效噪声带宽关系示意图；

图5为锁相环加加速度门限与等效噪声带宽关系示意图；

图6为2号星跟踪结果示意图；

图7为7号星跟踪结果示意图；

图8为8号星跟踪结果示意图；

图9为10号星跟踪结果示意图；

图10为15号星跟踪结果示意图；

图11为29号星跟踪结果示意图；

图12为26号星跟踪结果示意图；

图13为匀速时的惯导加速度辅助下环路跟踪结果示意图；

图14为匀速时的无辅助下环路跟踪结果示意图；

图15为加速度50g时的惯导加速度辅助下环路跟踪结果示意图；

图16为加速度50g时的无辅助下环路跟踪结果示意图；

图17为惯导加速度辅助跟踪环路动态性示意图；

图18为无惯导辅助跟踪环路动态性示意图；

图19为匀速直航且信噪比-19dB时的不同多普勒频移变化率误差下跟踪结果示意图；

图20为匀速直航且信噪比-36dB时的不同多普勒频移变化率误差下跟踪结果示意图；

图21为加速度50g且信噪比-19dB时的不同多普勒频移变化率误差下跟踪结果示意图；

图22为加速度50g且信噪比-36dB时的不同多普勒频移变化率误差下跟踪结果示意图。

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：

一种惯导加速度辅助接收机跟踪环路算法，是在如图2所示惯导加速度辅助接收机跟踪环路上实现的，包括以下步骤：

经过A/D转换后的数字中频信号，通过混频后得到同向I路信号和正交Q路信号，分别与超前码E、即时码P、滞后码L相关后获得剥离载波和伪随机码的六路信号：同向超前信号I_E，同向即时信号I_P，同向滞后信号I_L，正交超前信号Q_E，正交即时信号Q_P，正交滞后信号Q_L。同向超前信号I_E、同向滞后信号I_L、正交超前信号Q_E、正交滞后信号Q_L经过码环鉴别器得到码相位误差，经过码环滤波器后的码环相位误差加上惯导加速度辅助信息反馈控制本地C/A码发生器。同向即时信号I_P、正交即时信号Q_P通过鉴相器获得环路相位误差，经过环路滤波器平滑后的载波相位误差加上惯导加速度辅助信息共同对本地载波发生器进行修正。其中，f_aid表示采用惯导加速度计算的惯导加速度辅助信息，M表示载波频率与码频率的比值。

本发明中的惯导加速度辅助信息f_aid为多普勒，惯导加速度辅助信息可以直接利用惯导信息和卫导信息计算得到。

为了方便分析惯导加速度辅助的优势，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中载波环路鉴别器输出至本地载波发生器输入前的惯导加速度辅助载波跟踪环路原理图)。图3中虚线框内为惯导加速度辅助部分，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)为惯导加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。

假设惯导加速度能够无误差估算载波的多普勒频移变化率，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***的带宽趋向于无穷大，即a→∞时，***传递函数H₁(s)→1，这说明只要惯导***的带宽足够大，惯导加速度辅助的载波跟踪环就可以跟踪载体的任何机动形式。

同理可知，只要惯导***带宽足够的，惯导加速度辅助的码环也能跟踪载体的任何机动形式。

下面对本专利的性能进行分析：

1、惯导加速度辅助跟踪环路误差：

传统锁相环经验1σ跟踪门限可表示为

式中，σ_PLL表示总的锁相环跟踪误差，σ_i表示总的相位抖动方差，θ_e表示锁相环的稳态跟踪误差。其中总的锁相环跟踪误差包括热噪声误差机械颤动所引起的振荡频率抖动以及艾兰均方差三种，

${\mathrm{\σ}}_i=\sqrt{{\mathrm{\σ}}_{tPLL}^2+{\mathrm{\σ}}_v^2+{\mathrm{\σ}}_A^2}---\left(6\right)$

热噪声均方差σ_tPLL的估算公式为：

式中，B_L为环路带宽，C/N₀为载噪比，单位为Hz，T_coh为相干积分时间，一般为1毫秒，λ为波长。从上式可知，热噪声与环路阶数无关。用户运动和接收装置的机械颤动引起的接收机基准振荡频率的相位抖动均方差和艾兰均方差相对热噪声误差较小，这里忽略不计。

用ω_n表示特征频率，由带宽决定的一阶环路的典型值为B_L/0.25，二阶环路的典型值为B_L/0.53，三阶环路的典型值为B_L/0.7845。对于不同阶数的环路滤波器来说，锁相环动态应力误差可表示为：

一阶环：

${\mathrm{\θ}}_{e1}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_n}\frac{dR}{dt}=\frac{1}{B_L/0.25}\frac{dR}{dt}=0.25\·\frac{dR}{B_{L}dt}---\left(8\right)$

二阶环：

${\mathrm{\θ}}_{e2}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_n^2}\frac{d^{2}R}{{\mathrm{dt}}^2}=\frac{1}{{(B_L/0.53)}^2}\frac{d^{2}R}{{\mathrm{dt}}^2}=0.2809\·\frac{d^{2}R}{B_L^2{\mathrm{dt}}^2}---\left(9\right)$

${\mathrm{\θ}}_{e3}=\frac{1}{{\mathrm{\ω}}_n^3}\frac{d^{3}R}{{\mathrm{dt}}^3}=\frac{1}{{(B_L/0.7845)}^3}\frac{d^{3}R}{{\mathrm{dt}}^3}=0.4828\·\frac{d^{3}R}{B_L^3{\mathrm{dt}}^3}---\left(10\right)$

根据式(5)计算锁相环的动态应力误差门限为

θ_e≤45°-3σ_i (11)

从而进一步得到锁相环的加速度和加加速度门限为

式中，g表示重力加速度。图4和图5给出了锁相环加速度门限，加加速度门限与等效噪声带宽的关系。

从图4和图5可知，在载噪比35dB·Hz的情况下，二阶锁相环能够承受的最大加速度不超过2g，三阶锁相环能承受的最大加加速度不超过21g。

采用惯导加速度辅助后，锁相环需承受的动态应力被惯导辅助信息弥补，只需承受热噪声误差和惯导辅助信息估算误差，即锁相环1σ跟踪门限为

式中，θ_error表示惯导辅助信息估算误差，它与载体的动态性无关，因此在保证惯导辅助信息精度的情况下，卫星跟踪环路能够承受任何动态性。

2、多普勒频移变化率计算

惯导加速度对卫导接收机跟踪环路辅助主要用到惯导提供的载体加速度信息、载***置信息以及卫星星历提供的卫星位置信息估算载波多普勒频移变化率(由于卫星加速度很小，忽略不计)，用估算的多普勒频移变化率对载波跟踪进行辅助。多普勒频移变化率的具体计算公式为

${\stackrel{\·}{f}}_{aid}=\frac{1}{\mathrm{\λ}}{a}_r{J}_s---\left(15\right)$

式中，表示载波多普勒频移变化率，λ表示卫星信号的载波波长，a_r表示接收机天线加速度，I_s为卫星到接收机视线上的单位矢量，即

$I_s=\frac{X_s-X_r}{|X_s-X_r|}---\left(16\right)$

式中：X_s为卫星位置，X_r为接收机位置，|·|表示取模。

3、普适性仿真分析

普适性仿真目的是考察惯导加速度辅助是否对同时看到的所有卫星跟踪有效，卫星信号从卫星信号模拟器采集。仿真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，映射到每个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，加和不加惯导加速度辅助的环路跟踪结果如下图所示。

从图6-11可以看出，当载体动态较大时，三阶锁相环在该噪声带宽下难以实现稳定跟踪。增加惯导加速度辅助后，环路能够实现稳定跟踪。可见，增加惯导加速度辅助能够改善卫星跟踪环路的动态性能。

从图12，当载体动态性较小时，无惯导加速度辅助时，窄的跟踪环路带宽也能实现环路的稳定跟踪，与采用惯导加速度辅助跟踪结果类似，即惯导加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，无需采用惯导加速度辅助。

综合图6-图12可知通过惯导加速度辅助，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，惯导加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。

4、抗干扰性评估

基于自编中频信号数据对惯导加速度辅助跟踪环路算法的抗干扰性进行评估。本仿真中生成中频信号比实际卫星信号理想，这里不考虑具体各算法抗干扰能力，只关注有无惯导加速度辅助跟踪环路抗干扰能力差异。信号中所加噪声为高斯白噪声，采样率为62MHz，选择匀速直航和50g两种典型环境进行考察。环路稳定跟踪的判决依据选取为无数据位错判。由于生成数据位都为1，同时考虑到可能存在180°相位翻转，因此稳定跟踪后I路累加值都为正或者都为负。如果稳定跟踪后，出现某个I路累加值符号与其他相反，则认为不能正确跟踪。从图13可以看出根据上述此判决条件，匀速直航时，卫星信号信噪比为-36dB时，惯导加速度信息辅助环路稳定跟踪；当卫星信号信噪比为-37dB时，将出现比特位误判。可见惯导加速度辅助下，环路能够稳定跟踪信噪比-36dB的信号。

图14给出了无惯导加速度辅助时，卫导跟踪环路仿真结果，从图中可知当信噪比为-31dB时，跟踪环路稳定跟踪；当信噪比为-32dB时，在1954、1975、1994、5134点出现I路累加值符号误判，即传统跟踪环路能稳定跟踪信噪比最低-31dB的卫星信号。由此可知，惯导加速度辅助让跟踪环路大约提高了5dB抗干扰能力。

根据上述判决条件，从图15可知，当加速度为50g时，卫星信号信噪比为-36dB时，惯导加速度信息辅助环路稳定跟踪；当卫星信号信噪比为-37dB时，将出现比特位误判。可见惯导加速度辅助下，环路能够稳定跟踪信噪比-36dB的信号。

从图16可知，无辅助时跟踪环路在信噪比-28dB时能稳定跟踪，信噪比-29dB时在5881点后出现误判，即无辅助时稳定跟踪信噪比最低为-28dB。由此可知惯导加速度辅助让跟踪环路提高了约8dB抗干扰能力。

从上述分析可知，采用惯导加速度辅助能够增强跟踪环路的抗干扰能力，并且动态性越高，抗干扰能力改善越明显。

5、动态性评估

基于自编中频信号数据对惯导加速度辅助跟踪环路算法的动态性进行评估。同上这里只关注有无辅助情况下跟踪环路动态性差异。信号所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。惯导加速度辅助下跟踪环路仿真结果如图17所示。从上图可知，当载体加速度为1000g时，经过一段时间后跟踪环路能够稳定，但是稳定时间较长；加速度较小时，稳定跟踪所需时间较短。由于实际中载体加速度不会超过1000g，且考虑到加速度1000g时稳定时间已经很长，没有研究更大加速度下跟踪环路的性能。

从图18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，也就是说无惯导信息辅助环路最大能承受的载体加速度为91g。

对比图17和图18可知，采用惯导加速度辅助能够极大提升跟踪环路的动态性。

6、载波多普勒估算误差影响评估

为了充分评估惯导辅助信息计算的载波多普勒误差对跟踪环路影响，采用在多普勒频移变化率真值加高斯白噪声误差作为跟踪环路辅助信息。选取如下几个运动场景作为典型环境，1)匀速直航，信噪比分别为-19dB和-36dB；2)加速度为50g，信噪比分别为-19dB和-36dB。

图19给出了匀速直航时，信噪比为-19dB，跟踪环路能够容忍的多普勒频移变化率估计误差的仿真图。从图中可知，当多普勒频移变化率误差为141Hz/s时，环路能够稳定跟踪；当多普勒频移变化率误差为142Hz/s时，比特位在3726点处出现误判。因此认为此种情况下，环路能够容忍的最大多普勒频移变化率估计误差为141dB/Hz。

图20给出了匀速直航时，信噪比为-36dB，跟踪环路能够容忍的多普勒频移变化率估计误差的仿真图。从图中可知，当多普勒频移变化率误差为100Hz/s时，环路能够稳定跟踪，无比特位误判；当多普勒频移变化率误差为101Hz/s时，比特位在5007点处出现误判，因此认为环路此种情况下能够容忍的最大多普勒频移变化率误差为100Hz/s。

图21给出了加速度50g时，信噪比为-19dB，跟踪环路能够容忍的多普勒频移变化率估计误差的仿真图。从图中可知，当多普勒频移变化率误差为111Hz/s时，环路能够稳定跟踪；当多普勒频移变化率误差为112Hz/s时，比特位在3034和3042点处出现误判。因此认为此种情况下，环路能够容忍的最大多普勒频移变化率估计误差为111dB/Hz。

图22给出了加速度50g时，信噪比为-36dB，跟踪环路能够容忍的多普勒频移变化率估计误差的仿真图。从图中可知，当多普勒频移变化率误差为81Hz/s时，环路能够稳定跟踪；当多普勒频移变化率误差为82Hz/s时，比特位在3153和5580点处出现误判。因此认为此种情况下，环路能够容忍的最大多普勒频移变化率估计误差为81dB/Hz。

从图19到图22可知，卫星跟踪环路能够容忍较大的多普勒频移变化率估算误差，即普通惯导即能满足卫星跟踪环路需求。

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)

1.一种惯导加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后得到同向I路信号和正交Q路信号；

步骤2、I路信号和正交Q路信号分别与超前码E、即时码P、滞后码L相关后获得剥离载波和伪随机码的六路信号：同向超前信号I_E，同向即时信号I_P，同向滞后信号I_L，正交超前信号Q_E，正交即时信号Q_P，正交滞后信号Q_L；

步骤3、同向超前信号I_E、同向滞后信号I_L、正交超前信号Q_E、正交滞后信号Q_L经过码环鉴别器得到码相位误差，该码相位误差经过码环滤波器后的码相位误差加上f_aid/M反馈控制本地C/A码发生器；

步骤4、同向即时信号I_P、正交即时信号Q_P通过鉴相器获得环路相位误差，该环路相位误差经过环路滤波器平滑后得到的载波相位误差加上f_aid对本地载波发生器进行修正；

其中，f_aid为惯导加速度辅助信息，M表示载波频率与码频率的比值。

2.根据权利要求1所述的一种惯导加速度辅助接收机跟踪环路算法，其特征在于：所述惯导加速度辅助信息f_aid为多普勒，上述惯导加速度辅助信息直接通过惯导信息和卫导信息计算得到。