CN106125117B - 一种惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，该方法分别给出本地码信号和载波信号的控制量生成方法，并提出一种利用初相位调整的方法保证载波信号的稳定良好跟踪；本发明详细地介绍了各个物理量的来源和处理手段，对工程实现由非常好的参考价值；本发明适用于DSP+FPGA平台、MATLAB平台、C++平台等多种平台上的惯性/卫星超紧组合***搭建；此方法适用于GPS、北斗等多种卫星导航***及多频多***卫星导航***与惯性***的组合。

Description

一种惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法

技术领域

本发明涉及一种惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，属于组合导航方法的技术领域。

背景技术

惯性导航***和卫星导航***具有良好互补性，构建惯性/卫星组合导航***可实现全球范围内全天时、全天候的高精度连续导航，是导航技术近年来以及未来相当长一段时期内发展的主要方向，是解决航空、航天、陆地、水面、水下等武器装备***导航问题的主要技术手段，在国防和民用等领域具有重要的应用价值。

近年来，在高动态环境适应性和抗干扰、高精度等导航需求的牵引下，惯性/卫星组合导航***的信息融合模式，经历了松组合、紧组合、超紧组合(也称为深组合)几个重要的阶段。目前，超紧组合技术已成为国外组合导航领域的一个研究热点，其技术要点是将卫星导航接收机设计和惯性导航***进行信息深度耦合，实现惯性和卫星接收机信息的双向辅助，在组合导航***的信息流程架构设计层面改变组合导航体制。

本地信号控制量生成技术是超紧组合实现中的关键技术，通过控制环节将惯性误差引入卫星接收机内部，实现信号的深度融合；同时载波和码相位的估计精度确定了环路能否正常工作，因此在计算过程中需要考虑多种误差量的影响。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，分别给出本地码信号和载波信号的控制量生成方法，详细地介绍了各个物理量的来源和处理手段，对工程实现有非常好的参考价值。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，包括如下步骤：

步骤1，初始化捷联惯性导航***和卫星导航接收机，其中，捷联惯性导航***初始化包括初始对准，卫星导航接收机初始化包括接收机参数设置；

步骤2，卫星导航接收机对接收到的卫星信号进行捕获、码和载波跟踪、导航电文解码、伪距估算、位置和速度解算处理；

步骤3，卫星导航接收机对跟踪环路进行状态条件判断，当跟踪环路没有环路失锁并且满足超紧组合控制的切换条件时，转到步骤4，否则，转到步骤2；

步骤4，获取卫星星历信息，按照星历格式解算卫星星历参数；

步骤5，根据捷联惯性导航解算算法计算惯性导航位置、速度、姿态信息；

步骤6，根据步骤4和步骤5得到的卫星星历参数和惯性导航位置、速度、姿态信息，计算本地码和载波信号控制量；

步骤7，将步骤6得到的本地码和载波信号控制量，写入本地信号数字控制振荡器，生成本地码和载波信号。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述环路失锁的判断条件为以下条件中的至少一个：

1)1秒内载波鉴相值大于45度的次数，若超过10次，则判断环路失锁；

2)6秒内I支路相邻两次值异号的次数，两个相邻值之间的时间间隔为1ms，若次数小于4次或者大于400次，则判断环路失锁。

作为本发明的一种优选方案，步骤3所述超紧组合控制的切换条件为同时满足以下条件：

a)跟踪环路满足位同步且帧同步状态；

b)跟踪卫星的健康状态良好；

c)获取的伪距信息有效；

d)载噪比值大于34；

e)1秒内I支路积分值的累加值大于3倍的Q支路积分值的累加值。

作为本发明的一种优选方案，步骤6所述本地码信号控制量的计算步骤为：

I)Δt^s＝a_f0+a_f1(t-t_oc)+a_f2(t-t_oc)²，Δt^s为卫星时钟相对***标准时间的校正量，a_f0、a_f1、a_f2、t_oc均由卫星导航电文的第一数据块给出，t为卫星时间；

Δt_r为相对论效应的校正量，e_s为卫星轨道偏心率，a_s为轨道长半径，E_k为偏近点角，F为常数，且μ＝3.986005×10¹⁴，c为光速；

T_GD为群波延时校正值，由卫星导航电文的第一数据块给出；

II)δt^s＝Δt^s+Δt_r-T_GD，δt^s为卫星时钟总钟差；

III)ρ_Ii＝r+c(δt_u-δt^s)+cT+cI，ρ_Ii为估计的伪距，r为载体与卫星间的几何距离，x_I,y_I,z_I为捷联惯性导航***输出的载体的位置坐标，x_si,y_si,z_si为卫星的位置坐标，c为光速，δt_u为接收机钟差，δt^s为卫星钟差，T、I分别为对流层、电离层传播影响；

IV) 为要求解的新码相位，φ_code,i为接收机中的原码相位，Δφ为估计的码相位差，ρ_Ii为估计的伪距，ρ_Gi为接收机伪距，λ_code,i为码波长。

作为本发明的一种优选方案，步骤6所述本地载波信号控制量的计算步骤为：

A)δf^s为卫星时钟频率漂移，a_f1、a_f2、t_oc均由卫星导航电文的第一数据块给出，t为卫星时间，e_s为卫星轨道偏心率，a_s为轨道长半径，E_k为偏近点角，F为常数，且μ＝3.986005×10¹⁴，c为光速；

B) 为几何距离变化率，x^s、v^s分别为卫星的位置、速度，x、v分别为捷联惯性导航***输出的载***置、速度；

C)f_carr为要求解的载波频率，f_IF为中频频率，λ_carr为载波波长，δf_u为接收机时钟频漂，δf^s为卫星时钟频漂，Δθ为载波鉴相器值，ΔT为环路控制周期。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，分别给出本地码信号和载波信号的控制量生成方法，并提出一种利用初相位调整的方法保证载波信号的稳定良好跟踪，实现了卫星导航***与惯性导航***的深度融合。

2、本发明惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，详细地介绍了各个物理量的来源和处理手段，对工程实现有非常好的参考价值。

3、本发明惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，适用于DSP+FPGA平台、MATLAB平台、C++平台等多种平台上的惯性/卫星超紧组合***搭建；适用于GPS、北斗等多种卫星导航***及多频多***卫星导航***与惯性***的组合。

附图说明

图1是本发明惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法的步骤流程图。

图2是实现本发明惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法的实施例装置结构示意图。

图3是本发明环路中的I、Q值散点图。

图4是本发明导航电文示意图。

图5是本发明本地信号控制效果示意图，其中，(a)为载波鉴相器输出，(b)码鉴相器输出。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提供了一种惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，步骤流程如图1所示，卫星导航接收机完成信号捕获、跟踪、位/帧同步、定位定速解算后，进行环路状态判断，如果环路正常跟踪且满足超紧组合切换条件，则获取星历信息和惯性导航信息进行本地码信号和载波信号的控制量的计算，最后将计算的控制量写入本地信号数字控制振荡器，完成本地信号的生成。

图2为本发明实施例的装置结构示意图，本发明可以用本装置实现，但不局限于图2所示装置。整个装置包括：天线、射频模块和基带处理模块。基带处理模块由DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)及***芯片组成。其中FPGA和DSP共同配合完成本发明的本地信号控制量生成功能，由FPGA实现多通道并行处理，DSP控制流程的运行和***信息的收发。

具体的步骤如下：

步骤1、对捷联惯性导航***和卫星导航接收机进行初始化，其中捷联惯性导航***初始化包括初始对准，卫星导航接收机***初始化包括初始化硬件参数、通道相关变量、环路滤波器参数等。

步骤2、卫星导航接收机对接收到的卫星信号进行捕获、码和载波跟踪、导航电文解码、伪距估算、位置和速度解算处理。

步骤3、对跟踪环路进行状态条件判断，如果该通道环路跟踪正常(没有环路失锁)并满足超紧组合控制的切换条件，则执行步骤4，否则返回步骤2。

环路失锁的判断条件具体为：

[1]统计1秒内载波鉴相值大于45度的次数，如果超过10次，则认为载波跟踪不稳定；

[2]统计6秒内I支路当前值与前一次的值异号的次数，如果次数小于4次或者大于400次，则认为环路跟踪丢失。

环路超紧组合控制的切换条件为同时满足以下条件：

[a]环路满足位同步且帧同步状态；

[b]本通道跟踪卫星的健康状态良好；

[c]获取有效的伪距信息；

[d]载噪比值大于34；

[e]1秒内I支路积分值的累加值大于3倍的Q支路积分值的累加值。

步骤4、获取卫星星历信息，按照星历格式解算相关参数。

步骤5、根据捷联惯性导航解算算法计算惯性导航结果。

步骤6、结合星历信息和惯性导航结果，计算本地码信号控制量。

具体计算为：

[I]Δt^s为卫星时钟相对***标准时间的校正量，Δt^s＝a_f0+a_f1(t-t_oc)+a_f2(t-t_oc)²，其中，a_f0、a_f1、a_f2、t_oc均由卫星导航电文的第一数据块给出，t为卫星时间；

Δt_r为相对论效应的校正量，其中，e_s为卫星轨道偏心率，a_s为轨道长半径，E_k为偏近点角，常数F的值为μ＝3.986005×10¹⁴，c为光速；

T_GD为群波延时校正值，由卫星导航电文的第一数据块给出；

[II]δt^s为卫星时钟总钟差，δt^s＝Δt^s+Δt_r-T_GD；

[III]ρ_Ii为估计的伪距，ρ_Ii＝r+c(δt_u-δt^s)+cT+cI，其中，r为载体与卫星间的几何距离，x_I,y_I,z_I为捷联惯性导航***输出的载体的位置坐标，x_si,y_si,z_si为卫星的位置坐标；c为光速；δt_u为接收机钟差，由接收机定位解算获得；δt^s为卫星钟差；T、I分别为对流层、电离层传播影响，由卫星导航电文信息结合模型求解；

[IV]为要求解的新码相位，其中，φ_code,i为接收机中的原码相位；Δφ为估计的码相位差；ρ_Ii为估计的伪距；ρ_Gi为接收机伪距；λ_code,i为码波长。

步骤7、结合星历信息和惯性导航结果，计算本地载波信号控制量。

具体计算为：

[A]δf^s为卫星时钟频率漂移，其中，a_f1、a_f2、t_oc均由卫星导航电文的第一数据块给出，t为卫星时间，其中，e_s为卫星轨道偏心率，a_s为轨道长半径，E_k为偏近点角，常数F的值为μ＝3.986005×10¹⁴，c为光速；

[B]为几何距离变化率，其中，x^s、v^s分别为卫星的位置、速度，x、v分别为捷联惯性导航***输出的载***置、速度；

[C]f_carr为要求解的载波频率，其中，f_IF为中频频率，λ_carr为载波波长，δf_u为接收机时钟频漂，由接收机定位定速解算获得，δf^s为卫星时钟频漂，Δθ为载波鉴相器值，ΔT为环路控制周期。

步骤8、按照步骤7计算的本地码和载波信号控制量，写入本地信号数字控制振荡器，生成本地码和载波信号。

基于以上装置和超紧组合本地信号控制量生成实现方法步骤，利用DSP和FPGA进行在线仿真，仿真结果如图3、图4以及图5的(a)、(b)所示。由仿真结果可以看出使用本发明的超紧组合本地信号控制量生成方法控制本地信号生成后，环路中的I、Q值分离较明显、载波鉴相值和码鉴相值在正常误差范围内，因此使用本发明的超紧组合本地信号控制量生成实现方法能够稳定可靠地实现本地环路控制。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，初始化捷联惯性导航***和卫星导航接收机，其中，捷联惯性导航***初始化包括初始对准，卫星导航接收机初始化包括接收机参数设置；

步骤2，卫星导航接收机对接收到的卫星信号进行捕获、码和载波跟踪、导航电文解码、伪距估算、位置和速度解算处理；

步骤3，卫星导航接收机对跟踪环路进行状态条件判断，当跟踪环路没有环路失锁并且满足超紧组合控制的切换条件时，转到步骤4，否则，转到步骤2；

所述超紧组合控制的切换条件为同时满足以下条件：

a)跟踪环路满足位同步且帧同步状态；

b)跟踪卫星的健康状态良好；

c)获取的伪距信息有效；

d)载噪比值大于34；

e)1秒内I支路积分值的累加值大于3倍的Q支路积分值的累加值；

步骤4，获取卫星星历信息，按照星历格式解算卫星星历参数；

步骤5，根据捷联惯性导航解算算法计算惯性导航位置、速度、姿态信息；

步骤6，根据步骤4和步骤5得到的卫星星历参数和惯性导航位置、速度、姿态信息，计算本地码和载波信号控制量；

步骤7，将步骤6得到的本地码和载波信号控制量，写入本地信号数字控制振荡器，生成本地码和载波信号。

2.根据权利要求1所述惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，其特征在于，步骤3所述环路失锁的判断条件为以下条件中的至少一个：

1)1秒内载波鉴相值大于45度的次数，若超过10次，则判断环路失锁；

2)6秒内I支路相邻两次值异号的次数，两个相邻值之间的时间间隔为1ms，若次数小于4次或者大于400次，则判断环路失锁。

3.根据权利要求1所述惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，其特征在于，步骤6所述本地码信号控制量的计算步骤为：

I)Δt^s＝a_f0+a_f1(t-t_oc)+a_f2(t-t_oc)²，Δt^s为卫星时钟相对***标准时间的校正量，a_f0、a_f1、a_f2、t_oc均由卫星导航电文的第一数据块给出，t为卫星时间；

Δt_r为相对论效应的校正量，e_s为卫星轨道偏心率，a_s为轨道长半径，E_k为偏近点角，F为常数，且μ＝3.986005×10¹⁴，c为光速；

T_GD为群波延时校正值，由卫星导航电文的第一数据块给出；

II)δt^s＝Δt^s+Δt_r-T_GD，δt^s为卫星时钟总钟差；

III)ρ_Ii＝r+c(δt_u-δt^s)+cT+cI，ρ_Ii为估计的伪距，r为载体与卫星间的几何距离，x_I,y_I,z_I为捷联惯性导航***输出的载体的位置坐标，x_si,y_si,z_si为卫星的位置坐标，c为光速，δt_u为接收机钟差，δt^s为卫星钟差，T、I分别为对流层、电离层传播影响；

IV) 为要求解的新码相位，φ_code,i为接收机中的原码相位，Δφ为估计的码相位差，ρ_Gi为接收机伪距，λ_code,i为码波长。

4.根据权利要求1所述惯性/卫星超紧组合本地信号控制量生成方法，其特征在于，步骤6所述本地载波信号控制量的计算步骤为：

A)δf^s为卫星时钟频率漂移，a_f1、a_f2、t_oc均由卫星导航电文的第一数据块给出，t为卫星时间，e_s为卫星轨道偏心率，a_s为轨道长半径，E_k为偏近点角，F为常数，且μ＝3.986005×10¹⁴，c为光速；

B) 为几何距离变化率，x^s、v^s分别为卫星的位置、速度，x、v分别为捷联惯性导航***输出的载***置、速度；

C)f_carr为要求解的载波频率，f_IF为中频频率，λ_carr为载波波长，δf_u为接收机时钟频漂，Δθ为载波鉴相器值，ΔT为环路控制周期。