GPS/INS深組合技術(shù)及其應(yīng)用*

周坤芳　任卓誼

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院　廣州　510430)

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GPS/INS深組合技術(shù)及其應(yīng)用*

周坤芳任卓誼

(海軍陸戰(zhàn)學(xué)院廣州510430)

摘要分析GPS/INS深組合結(jié)構(gòu),研究INS信息輔助GPS接收機基帶環(huán)路技術(shù),仿真研究GPS/INS深組合模式特性,其具有提高接收機動態(tài)適應(yīng)能力、抗干擾能力、偽距測量精度等特性,拓展了衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用范圍。隨著BDS具備亞太區(qū)域?qū)Ш侥芰?鑒借GPS/INS深組合技術(shù),分析BDS/INS深組合中的若干技術(shù)問題,以供相關(guān)人士研究參考。

關(guān)鍵詞GPS/INS深組合; 組合特性; 組合技術(shù); BDS/INS組合應(yīng)用

Application of Modular Technology of Tightly-coupled GPS/INS

ZHOU KunfangREN Zhuoyi

(Naval Academy of Arms Command, Guangzhou510430)

AbstractIt analyzes tightly coupled GPS/INS model portfolio composition, researches the GPS signal acquisition and tracking technologies with INS, simulation research tightly coupled GPS/INS mix of features. It has high anti-interference capability, high-precision measurement of pseudo-range and high capacity of navigation and positioning. It broadens application of satellite navigation. With application of the BDS system, learning from technology tight coupling of GPS/INS, it explores deep BDS/INS portfolio in several key technical issues related to the purpose for the navigation system in the development of reference.

Key Wordstightly-coupled GPS/INS, modular characeristics, modular technology, application of tightly-coupled BDS/INS

Class NumberU666

1引言

隨著導(dǎo)航技術(shù)在航空航天等軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,對導(dǎo)航系統(tǒng)準確性和可靠性的要求也越來越高,任何單一的導(dǎo)航形式有著各自的獨特性和局限性,已經(jīng)不能完全滿足系統(tǒng)導(dǎo)航需求,不同導(dǎo)航系統(tǒng)組合,多信息源互相補充,可以達到更好的導(dǎo)航效果。GPS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng),特別GPS/INS深組合被認為是目前組合導(dǎo)航領(lǐng)域較為理想的一種組合方式[1～3]。

2GPS/INS深組合結(jié)構(gòu)[1,3～4]

GPS/INS組合一般分為三種:松組合、緊組合和深組合。松組合和緊組合是一種軟件形式的組合,分別將GPS輸出的位置、速度信息和偽距、偽距率信息同INS解算結(jié)果進行數(shù)據(jù)融合,利用卡爾曼濾波器產(chǎn)生各導(dǎo)航參數(shù)的誤差修正量,通過輸出或反饋校正INS,達到改善INS精度的目的。深組合是將GPS/INS進行軟硬件一體化設(shè)計,將GPS接收機基帶、導(dǎo)航解算與INS的導(dǎo)航解算進行整體化設(shè)計,利用GPS接收機的輸出信息去輔助INS的同時,將短時高精度的INS速度、加速度信息,提供給接收機的基帶環(huán)路,為GPS接收機的信號捕獲、跟蹤提供輔助,提高接收機的靈敏度、消除環(huán)路的動態(tài)特性影響、減小多路徑效應(yīng),提高組合導(dǎo)航的定位精度。GPS/INS深組合方式在高動態(tài)、強干擾、多路徑效應(yīng)嚴重等多種惡劣環(huán)境中仍然能夠體現(xiàn)較為優(yōu)異的性能,它是組合發(fā)展的一個重要方向,如圖1所示。

圖1　深組合GPS/INS組成方框圖

3GPS/INS深組合技術(shù)

GPS/INS深組合主要是將慣性信息引入GPS接收機的基帶環(huán)路,輔助衛(wèi)星信號的捕獲與跟蹤,以提高接收機導(dǎo)航性能。

3.1慣性輔助GPS捕獲技術(shù)

慣性輔助捕獲主要針對解決GPS信號的快速捕獲和失鎖重捕兩方面問題,旨在縮小搜索范圍,加快捕獲速度,提高接收機的捕獲性能[4～5]。通過慣性測量的載體速度、姿態(tài)信息,經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換計算得到粗略的多普勒頻移和碼相位估計,可以減少信號二維搜索的空間,減小捕獲時間,并利用坐標轉(zhuǎn)換后的載體加速度信息為相干積分時間提供頻率誤差和碼相位誤差修正,使得捕獲時的相干積分時間可以盡量長,提高捕獲的靈敏度。

在慣性輔助下的GPS接收機中,載波信號多普勒頻率[4,6]:

(1)

利用慣性導(dǎo)航解算得到當(dāng)前歷元時刻載體位置和速度信息,結(jié)合衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)解算得到衛(wèi)星的位置、速度信息,計算得到載體至衛(wèi)星視線方向的單位矢量和偽距信息,從而得到視線方向上的多普勒頻移和碼相位偏移,以此作為搜索范圍的中心,并根據(jù)慣性解算位置和速度信息的不確定度來設(shè)定搜索范圍,控制本地碼/載波數(shù)控振蕩器在此范圍內(nèi)進行搜索,從而縮短GPS接收機信號捕獲的時間,提高GPS信號捕獲的性能。

在接收機對衛(wèi)星信號的捕獲過程中,利用慣性提供的載體位置信息結(jié)合獲得的GPS歷書數(shù)據(jù),幫助獲得可視衛(wèi)星狀況。若受到阻礙物遮擋或過大的動態(tài)應(yīng)力出現(xiàn)信號失鎖時,運用慣性輔助信息計算出多普勒頻率和碼相位的變化情況,重新設(shè)定搜索中心頻率,提高預(yù)測的精確度,縮小搜索范圍,提高重捕速度。

3.2慣性輔助GPS跟蹤技術(shù)

GPS接收機通過載波輔助碼跟蹤延遲鎖相環(huán)(DLL),使得碼跟蹤環(huán)相對于載波跟蹤環(huán)更加穩(wěn)定,通常慣性輔助GPS載波跟蹤環(huán)[5～6]。利用慣性導(dǎo)航解算出的位置、速度信息和GPS星歷數(shù)據(jù)解算得到的衛(wèi)星位置和速度信息,計算并預(yù)測載體至衛(wèi)星視線方向上的多普勒頻移信息,與載波環(huán)的環(huán)路濾波器輸出值相加,將結(jié)果反饋至載波NCO中,控制載波頻率的輸出,使載波維持在鎖定狀態(tài),再對其跟蹤結(jié)果進行碼跟蹤。

在慣性輔助下,本地同相、正交信號可表示[5]:

cos(tn)=cos[2π(fIF+fdopp)tn+φPLL(tn)]

sin(tn)=sin[2π(fIF+fdopp)tn+φPLL(tn)]

(2)

式中:fdopp表示INS估計的多普勒頻移,可通過式(1)進行計算。

本地產(chǎn)生的同相、正交載波信號分別與GPS中頻信號相乘,實現(xiàn)載波剝離功能;根據(jù)環(huán)路濾波器輸出的頻率誤差和慣性估計的多普勒偏差,不斷調(diào)整復(fù)現(xiàn)本地信號的參數(shù),實時調(diào)節(jié)載波NCO,以實現(xiàn)對輸入GPS信號的穩(wěn)定跟蹤。

4GPS/INS深組合特性

通過慣性輔助信息,改變信號動態(tài)特性及接收信號的信噪比,改進跟蹤回路能力,提高接收機動態(tài)適應(yīng)能力、弱信號檢測能力、抗干擾能力、偽距測量精度等。

4.1提高接收機動態(tài)適應(yīng)能力

慣性輔助下GPS接收機,載波環(huán)路跟蹤誤差、信號信噪比及慣性的性能指標關(guān)系[6]:

(3)

式中:c/n0為噪聲功率密度比,T為預(yù)檢積分時間,Bn為環(huán)路等效噪聲帶寬,λL為載波長,α=Bn/ωn,ωn為環(huán)路自然頻率,ΔfINS表示多普勒誤差。

通過慣性測量多普勒誤差,并引入到接收機載波跟蹤環(huán)路,使得接收機動態(tài)性能取決于慣性性能,從而消除來自跟蹤環(huán)的動態(tài)應(yīng)力,動態(tài)引起接收機跟蹤誤差取決于外部慣性元器件質(zhì)量。慣性加速度計通常能感測高達1.0kHz速率的速度變化,其導(dǎo)航解的輸出速率通常高于GPS接收機1～2個數(shù)量級。在GPS/INS深組合中,高速率的慣性速度信息輔助,使接收機跟蹤環(huán)可以在窄噪聲帶寬上運行,從而提高了接收機動態(tài)適應(yīng)性。

4.2提高接收機弱信號檢測能力

通過多普勒頻移估計值為跟蹤環(huán)路提供頻率補償,對積分過程中的載波多普勒頻率進行修正,使得多普勒頻移估計誤差為零,經(jīng)過積分的I、Q支路數(shù)據(jù)表示[5,7]:

(4)

在進行預(yù)檢測積分的過程中,沒有多普勒頻率誤差的影響,I、Q將完全反映全部的信號功率,利用加長預(yù)檢測積分時間將可以實現(xiàn)對信號能量的累積,通過提高信號處理增益來實現(xiàn)對更弱信號的跟蹤。

4.3提高接收機抗干擾能力

通過慣性引入多普勒頻移,估計出載體的動態(tài),消除跟蹤環(huán)路中的動態(tài)應(yīng)力誤差,加快載波環(huán)路的響應(yīng)速度,減小環(huán)路跟蹤誤差,在保證信號跟蹤的前提下,有效降低環(huán)路帶寬,提高接收機抗干擾能力。

干擾對GPS接收機的根本影響是降低C/N0,而C/N0的降低將直接影響GPS接收機的抗干擾能力,通常采用干信比(J/S)衡量GPS接收機的抗干擾能力[8]。

(5)

若采用典型的1海里/小時慣導(dǎo)的速度輔助,INS/GPS緊耦合模式,載波環(huán)帶寬Bn可從18Hz減小到2Hz,深組合模式,載波環(huán)帶寬Bn可減小到0.8Hz。當(dāng)把載波環(huán)帶寬降低到2Hz和0.8Hz,則CostalPLL跟蹤門限大約處于18.5dB-Hz的[C/N0]eq值和16.5dB-Hz上[8],則慣性輔助下接收機J/S與C/N0變化如圖2所示。

圖2　INS輔助下接收機J/S與C/N0關(guān)系

從圖2可以看出,無論對于窄帶干擾,還是寬帶干擾,GPS/INS深組合模式比緊耦合模式,接收機抗干擾能力提高4dB左右。

4.4提高接收機偽距測量精度

采用慣性輔助GPS接收機跟蹤環(huán)路消除動態(tài)應(yīng)力誤差,降低碼延遲跟蹤環(huán)帶寬,改善接收機偽距測量精度。

以載波噪聲功率比(C/N0)為基礎(chǔ),偽距測量的方差公式如下[8]:

(6)

在實際工作過程中,由于C/N0的取值較BDLLBID大的多,所以BDLLBID8d3/(C/N0)2項近似為0,故式(6)可以簡單化為

(7)

從式(7)可見,σpr是BDLL、C/N0的函數(shù)。

假設(shè)數(shù)字GPS接收機相關(guān)器的d=1/2,碼片長度C/A碼為293.26m,P(Y)碼為29.326m,則不同C/N0下的GPS接收機偽距測量方差σpr、DLL噪聲帶寬BDLL關(guān)系如圖3所示。相同C/N0條件下,接收機偽距測量方差σpr隨著DLL噪聲帶寬BDLL的減小而減小。

圖3　接收機偽距測呈誤差σpr、載噪比C/N0及噪聲帶BDLL關(guān)系

采用深組合模式,DLL噪聲帶寬BDLL允許更窄。在相同的C/N0條件下,BDLL由2Hz降低到0.01Hz,偽距測量精度提高大約9倍。

5BDS/INS深組合應(yīng)用中若干技術(shù)問題

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BDS)已經(jīng)正式具備了亞太

區(qū)域?qū)Ш侥芰?通過GPS/INS深組合技術(shù)的研究,將深組合相關(guān)技術(shù)應(yīng)用于INS與BDS的組合,拓展BDS的應(yīng)用范圍,提高BDS的應(yīng)用能力[1,4,8～10]。

5.1深組合方案

深組合模式涉及到接收機內(nèi)部結(jié)構(gòu)的編排,甚至重新設(shè)計,使得組合工程化技術(shù)難度大。雖然國外已經(jīng)實現(xiàn)了有關(guān)方案,但缺乏詳細的技術(shù)細節(jié),難以進行具體的借鑒和參考。從深組合模式信息融合、算法、仿真等技術(shù)方面入手,深入研究組合方案。

5.2數(shù)據(jù)信息融合

在深組合系統(tǒng)中有慣導(dǎo)輔助信息和北斗輸出信息,在硬件確定的情況下,對其采用不同的數(shù)據(jù)融合方法,得到的效果也不一樣。在研究組合數(shù)據(jù)信息融合時,注重研究分散化濾波算法,通過對信息融合不同算法的仿真,尋求系統(tǒng)最佳的信息融合。

5.3故障信息診斷

系統(tǒng)Kalman濾波器處理必須要判定來自BDS和INS的原始測量數(shù)據(jù)是否因動態(tài)或者干擾而變差,而且在分系統(tǒng)失效情況下,濾波器必須能切換到不同的導(dǎo)航模式。組合時要深入研究故障信息診斷技術(shù),確保能對系統(tǒng)的各種狀態(tài)做出檢測,提高組合系統(tǒng)的可靠性。

5.4系統(tǒng)試驗驗證

BDS/INS組合系統(tǒng)實際應(yīng)用環(huán)境比較復(fù)雜,一般難以達到理論分析或?qū)嶒炇宜玫降睦硐虢Y(jié)果。因此,各種復(fù)雜條件下的試驗驗證是提高系統(tǒng)性能的重要保證。

6結(jié)語

拓寬衛(wèi)星導(dǎo)航的應(yīng)用范圍,提高接收機動態(tài)適應(yīng)性、抗干擾能力等是衛(wèi)星導(dǎo)航所尋求的目標,而衛(wèi)星導(dǎo)航/慣性導(dǎo)航深組合是實現(xiàn)此目標的最佳選擇。因此,要加強深組合模式關(guān)鍵技術(shù)的研究,進一步提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位能力。

參 考 文 獻

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中圖分類號U666

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.003

作者簡介:周坤芳,男,教授,研究方向:導(dǎo)航定位技術(shù)。

*收稿日期:2015年7月3日,修回日期:2015年8月27日