慣導(dǎo)速度輔助接收機(jī)跟蹤環(huán)路算法

傅金琳，趙子陽，李醒飛，劉紅光，胡 才

（1. 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津航海儀器研究所，天津 300131）

慣導(dǎo)速度輔助接收機(jī)跟蹤環(huán)路算法

傅金琳1,2，趙子陽2，李醒飛1，劉紅光2，胡 才2

（1. 天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，天津 300072；2. 天津航海儀器研究所，天津 300131）

針對(duì)接收機(jī)在強(qiáng)干擾高動(dòng)態(tài)環(huán)境難以定位導(dǎo)航的問題，提出基于慣導(dǎo)速度輔助衛(wèi)星跟蹤環(huán)路算法，通過慣導(dǎo)速度估算環(huán)路多普勒頻移，壓縮了環(huán)路需承載的動(dòng)態(tài)范圍，從而減少了環(huán)路等效噪聲帶寬，進(jìn)而降低了跟蹤環(huán)路帶內(nèi)干擾，提高了衛(wèi)星接收機(jī)抗干擾能力。對(duì)提出算法的普適性、動(dòng)態(tài)性、抗干擾性以及慣導(dǎo)估算誤差影響等方面進(jìn)行了仿真評(píng)估，仿真結(jié)果驗(yàn)證了算法的正確性，同時(shí)證明提出算法相比傳統(tǒng)算法，載體運(yùn)動(dòng)加速度由91g提升至193g，同時(shí)抗干擾能力提升5~8 dB，可以容忍較大慣導(dǎo)輔助信息誤差，為算法工程化奠定了基礎(chǔ)。

慣導(dǎo)速度輔助；高動(dòng)態(tài)；抗干擾性；慣導(dǎo)輔助信息誤差

從圖1可知，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字中頻信號(hào)，通過混頻器和相關(guān)器后獲得剝離載波和偽隨機(jī)碼的信號(hào)，而后通過積分清零、環(huán)路鑒別器獲得環(huán)路相位誤差，經(jīng)過環(huán)路濾波器平滑后，用以校正載波NCO。傳統(tǒng)載波跟蹤環(huán)路中，在外界氣候環(huán)境一定的情況下，環(huán)路穩(wěn)定性主要受到載體動(dòng)態(tài)性和外來干擾的影響。當(dāng)載體動(dòng)態(tài)性過大時(shí)，由于引入跟蹤環(huán)路誤差過大，將導(dǎo)致跟蹤環(huán)路失鎖。外來干擾過大也將導(dǎo)致跟蹤環(huán)路失鎖。增大跟蹤環(huán)路帶寬能夠提升環(huán)路動(dòng)態(tài)性能，但將引入更大的噪聲干擾。為解決動(dòng)態(tài)性和噪聲對(duì)跟蹤環(huán)路帶寬要求的矛盾，本文提出了慣導(dǎo)速度輔助的載波環(huán)路跟蹤算法。

2 慣導(dǎo)速度輔助環(huán)路跟蹤算法

2.1 信號(hào)模型

圖2給出了基于慣導(dǎo)速度輔助載波跟蹤環(huán)路的原理框圖。對(duì)比圖1可知，該跟蹤環(huán)路用環(huán)路鑒別誤差和慣導(dǎo)速度輔助信息共同對(duì)載波 NCO進(jìn)行修正，通過慣導(dǎo)速度輔助減小衛(wèi)星跟蹤環(huán)路所需承載的載波相位誤差范圍。

圖2 慣導(dǎo)速度輔助載波跟蹤環(huán)路框圖Fig.2 INS velocity-aided Carrier tracking loop

為了方便分析慣導(dǎo)速度輔助的優(yōu)勢，圖3只給出了圖2中環(huán)路鑒別器輸出至載波NCO輸入前的原理圖，其中虛線框中為慣導(dǎo)速度輔助部分，是慣導(dǎo)輔助濾波系數(shù)，e(s)為慣導(dǎo)速度輔助引入的誤差，w(s)為原跟蹤環(huán)路中的熱噪聲等，F(xiàn)(s)為原跟蹤環(huán)路的濾波環(huán)路系數(shù)：

式中，K0為環(huán)路濾波器的增益，τ1和τ2為濾波器的時(shí)間常數(shù)。

圖3 慣導(dǎo)速度輔助載波跟蹤濾波環(huán)路原理圖Fig.3 INS velocity-aided Carrier tracking filter loop

假設(shè)慣導(dǎo)速度能夠無誤差估算載波的多普勒頻移，即e(s)為0，則有：

式中，

由式(3)可以看出，當(dāng)慣導(dǎo)系統(tǒng)的帶寬趨向于無窮大，即a→∞時(shí)，系統(tǒng)傳遞函數(shù) H1(s)→1，這說明只要慣導(dǎo)系統(tǒng)的帶寬足夠大，慣導(dǎo)速度輔助的跟蹤環(huán)就可以跟蹤載體的任何機(jī)動(dòng)形式。

2.2 多普勒頻移計(jì)算

慣導(dǎo)速度對(duì)衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)載波跟蹤環(huán)路輔助主要是用到慣導(dǎo)提供的載體速度信息、載體位置信息以及衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星速度信息和衛(wèi)星位置信息估算載波多普勒頻移，用估算的多普勒頻移對(duì)載波跟蹤進(jìn)行輔助。多普勒頻移的具體計(jì)算公式為

式中： fd表示載波多普勒頻移；λ表示載波波長，這里為GPS L1頻點(diǎn)載波波長；vr表示接收機(jī)天線速度，vs表示衛(wèi)星速度， Is為衛(wèi)星到接收機(jī)視線上的單位矢量。衛(wèi)星速度、衛(wèi)星位置、載體速度、載體位置的估算誤差將直接導(dǎo)致估算的載波多普勒頻移誤差。

3 仿真分析

分別基于衛(wèi)星信號(hào)模擬器和中頻信號(hào)生成軟件考察慣導(dǎo)速度輔助載波跟蹤環(huán)路的性能。衛(wèi)星信號(hào)模擬器和中頻信號(hào)生成軟件仿真的是GPS L1頻點(diǎn)數(shù)據(jù)，載波頻率為1757.42 MHz，C/A碼速率為1.023 MHz，采用頻率為62 MHz，中頻頻率為8.58 MHz。

3.1 普適性仿真

普適性仿真目的是考察慣導(dǎo)速度輔助是否對(duì)同時(shí)看到的所有衛(wèi)星跟蹤有效。仿真采用衛(wèi)星信號(hào)模擬器產(chǎn)生衛(wèi)星信號(hào)，其中載體的初始速度為北向10 m/s，加速度為北向10 g。此時(shí)能夠捕獲的衛(wèi)星有2、5、7、8、10、15、26、29號(hào)星。根據(jù)此時(shí)衛(wèi)星和載體的相對(duì)位置，映射到每顆星連線上的加速度數(shù)值依次約為71 m/s2、23 m/s2、67 m/s2、19 m/s2、15 m/s2、24 m/s2、0.16 m/s2、7 m/s2。

衛(wèi)導(dǎo)跟蹤環(huán)路采用三階鎖相環(huán)跟蹤，環(huán)路帶寬為 2 Hz。加和不加慣導(dǎo)速度輔助的環(huán)路跟蹤結(jié)果如圖4所示。

圖4 2號(hào)星跟蹤結(jié)果Fig.4 Tracking results of the satellite 2

從圖4可以看出，當(dāng)載體動(dòng)態(tài)較大時(shí)，采用無輔助跟蹤環(huán)路I路累積值快速減小，在0值附近振蕩，即環(huán)路失鎖。增加慣導(dǎo)速度輔助后，環(huán)路經(jīng)過一定時(shí)間振蕩后，最終達(dá)到穩(wěn)定跟蹤。可見，增加慣導(dǎo)信息輔助能夠改善衛(wèi)星跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)性能。

圖5 7號(hào)星跟蹤結(jié)果Fig.5 Tracking results of the satellite 7

圖5同樣表明了增加慣導(dǎo)速度輔助的優(yōu)勢。對(duì)比圖4、圖5可知，當(dāng)載體動(dòng)態(tài)性減小時(shí)，所需穩(wěn)定跟蹤時(shí)間縮短。

圖6~圖10同樣表明，增加慣導(dǎo)速度輔助能改善衛(wèi)星跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)性，同時(shí)表明，當(dāng)載體動(dòng)態(tài)性不大的時(shí)候，慣導(dǎo)速度輔助能夠使衛(wèi)星跟蹤環(huán)路迅速穩(wěn)定。

從圖11可知，當(dāng)載體動(dòng)態(tài)性較小時(shí)，無慣導(dǎo)信息輔助，窄的跟蹤環(huán)路帶寬也能實(shí)現(xiàn)環(huán)路的穩(wěn)定跟蹤，與采用慣導(dǎo)速度輔助跟蹤結(jié)果類似，慣速度輔助的效果不明顯。也就是說，載體動(dòng)態(tài)性不大的情況下，無需采用慣導(dǎo)速度輔助。

圖6 5號(hào)星跟蹤結(jié)果Fig.6 Tracking results of the satellite 5

圖7 8號(hào)星跟蹤結(jié)果Fig.7 Tracking results of the satellite 8

圖8 10號(hào)星跟蹤結(jié)果Fig.8 Tracking results of the satellite 10

圖9 15號(hào)星跟蹤結(jié)果Fig.9 Tracking results of the satellite 15

圖10 29號(hào)星跟蹤結(jié)果Fig.10 Tracking results of the satellite 29

圖11 26號(hào)星跟蹤結(jié)果Fig.11 Tracking results of the satellite 26

綜合圖4~圖11可知，通過慣導(dǎo)速度輔助，衛(wèi)導(dǎo)跟蹤環(huán)路能夠在較小的帶寬下實(shí)現(xiàn)對(duì)較大動(dòng)態(tài)范圍的穩(wěn)定跟蹤。此外，慣導(dǎo)速度輔助能夠?qū)ν粫r(shí)刻所有衛(wèi)星的跟蹤環(huán)路進(jìn)行有效輔助，證明了算法的普適性和正確性。

3.2 動(dòng)態(tài)性仿真

基于自編中頻信號(hào)生成數(shù)據(jù)對(duì)慣導(dǎo)速度輔助跟蹤環(huán)路算法的動(dòng)態(tài)性進(jìn)行評(píng)估。本仿真的目的是考察有無慣導(dǎo)速度輔助下，跟蹤環(huán)路承載動(dòng)態(tài)應(yīng)力能力的差異。由于無定位結(jié)果，本仿真中以I路累加值無誤判且環(huán)路鎖定為前提條件，在次前提下比較有無慣導(dǎo)速度輔助跟蹤環(huán)路能夠承載的最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力，所得有無慣導(dǎo)速度輔助跟蹤環(huán)路承載的最大動(dòng)態(tài)應(yīng)力與實(shí)際接收機(jī)存在差異，這里只關(guān)注二者的差異。信號(hào)加噪聲為高斯白噪聲，信號(hào)信噪比為-19 dB，即接收信號(hào)功率為-130 dBm，采樣率為62 MHz。仿真結(jié)果如圖12和圖13所示。從圖12可知：當(dāng)載體加速度為91g時(shí)，無慣導(dǎo)信息輔助環(huán)路能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定跟蹤；在載體加速度為92g時(shí)，無慣導(dǎo)信息輔助環(huán)路I路累加值逐漸在0值周圍波動(dòng)，即環(huán)路不再能穩(wěn)定跟蹤，即無慣導(dǎo)信息輔助環(huán)路最大能承受的載體加速度為91g。從圖13可知：當(dāng)載體加速度為193g，慣導(dǎo)速度信息輔助環(huán)路能穩(wěn)定跟蹤；當(dāng)載體加速度為194g時(shí)，I路累加值在0上下頻繁波動(dòng)，慣導(dǎo)速度輔助環(huán)路不再能穩(wěn)定跟蹤?？梢姂T導(dǎo)速度輔助環(huán)路能夠承載的載體最大加速度為193g。對(duì)比圖12、圖13可知，采用慣導(dǎo)速度輔助衛(wèi)導(dǎo)跟蹤環(huán)路，能極大提升跟蹤環(huán)路的動(dòng)態(tài)性。

圖12 無慣導(dǎo)輔助跟蹤環(huán)路動(dòng)態(tài)性Fig.12 Dynamics of tracking loop without INS-aided

圖13 慣導(dǎo)輔助跟蹤環(huán)路動(dòng)態(tài)性Fig.13 Dynamics of tracking loop with INS-aided

3.3 抗干擾性仿真

采用慣導(dǎo)速度對(duì)載波跟蹤環(huán)路進(jìn)行輔助，能夠極大程度上削弱載波環(huán)路需要承受的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，理想情況下環(huán)路帶寬只需滿足熱噪聲誤差需求，因此能夠?qū)⑤d波環(huán)路帶寬設(shè)計(jì)的非常小。載波環(huán)路帶寬的縮小，將減少信號(hào)帶寬內(nèi)的噪聲干擾。

基于自編中頻信號(hào)生成數(shù)據(jù)對(duì)慣導(dǎo)速度輔助跟蹤環(huán)路算法的抗干擾性進(jìn)行評(píng)估，所加噪聲為高斯白噪聲，采樣率為 62 MHz，選擇勻速直航、加速度 50g兩種典型環(huán)境進(jìn)行考察。環(huán)路跟蹤判決采用第3.2節(jié)判決依據(jù)。

當(dāng)勻速直航時(shí)，無慣導(dǎo)信息輔助環(huán)路能夠跟蹤信噪比為-31 dB的衛(wèi)星信號(hào)，慣導(dǎo)速度信息輔助環(huán)路能夠跟蹤信噪比為-36 dB的衛(wèi)星信號(hào)，大約提高了5 dB抗干擾能力。仿真結(jié)果如圖14和圖15所示。

根據(jù)上述判決條件，仿真得到當(dāng)加速度為50g時(shí)，無慣導(dǎo)信息輔助環(huán)路能夠跟蹤信噪比為-28 dB的衛(wèi)星信號(hào)，慣導(dǎo)速度信息輔助環(huán)路能夠跟蹤信噪比為-36 dB的衛(wèi)星信號(hào)，大約提高了8 dB抗干擾能力。仿真結(jié)果如圖16和圖17所示。

圖14 勻速時(shí)，信噪比-31 dB時(shí)，有無慣導(dǎo)輔助環(huán)路跟蹤結(jié)果Fig.14 Loop tracking results with and without INS-aided when velocity is constant, SNR= -31dB

圖15 勻速時(shí)，信噪比-36 dB時(shí)，有無慣導(dǎo)輔助環(huán)路跟蹤結(jié)果Fig.15 Loop tracking results with and without INS-aided when velocity is constant, SNR= -36 dB

圖16 加速度50g，信噪比-28 dB時(shí)，有無慣導(dǎo)輔助環(huán)路跟蹤結(jié)果Fig.16 Loop tracking results with and without INS-aided when acceleration is 50g, SNR= -28 dB

圖17 加速度50g，信噪比-36 dB時(shí)，有無慣導(dǎo)輔助環(huán)路跟蹤結(jié)果Fig.17 Loop tracking results with and without INS-aided when acceleration is 50g, SNR= -36dB

3.4 不同精度慣導(dǎo)速度輔助仿真分析

為了充分評(píng)估慣導(dǎo)信息計(jì)算的載波多普勒誤差對(duì)跟蹤環(huán)路影響，分別采用在多普勒頻率真值加高斯白噪聲誤差和模擬慣導(dǎo)誤差計(jì)算輔助載波多普勒的方式。第一種方式中，選取載體三個(gè)運(yùn)動(dòng)場景作為典型環(huán)境：1）勻速直航；2）加速度為50g，3）加速度為193g。第二種方式中，慣導(dǎo)信息采用主慣導(dǎo)輸出，陀螺常值漂移0.01°，隨機(jī)游走噪聲0.001 (°)/√h，加表零偏10-5g，加表隨機(jī)噪聲10-6g。上述仿真中，信號(hào)信噪比都為-19 dB。

圖18給出了勻速直航時(shí)，載波多普勒估算誤差分別為1 Hz、6 Hz、7 Hz時(shí)，慣導(dǎo)速度輔助衛(wèi)導(dǎo)跟蹤環(huán)路的跟蹤結(jié)果。

圖18 勻速時(shí)，不同載波多普勒誤差下，慣導(dǎo)輔助跟蹤結(jié)果Fig.18 INS-aided tracking results with different carrier Doppler errors when velocity is constant

從圖18可以看出：載波多普勒估算偏差在6 Hz以內(nèi)時(shí)，采用慣導(dǎo)速度輔助能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤；當(dāng)載波多普勒估算偏差為7 Hz時(shí)，跟蹤環(huán)路不再穩(wěn)定?？梢姯h(huán)路能夠承受的最大多普勒頻移估算誤差為6 Hz。

圖19給出了勻速直航時(shí)，采用模擬慣導(dǎo)誤差計(jì)算的載波多普勒輔助的跟蹤結(jié)果。從圖19中可以看出，I路累加值都大于0，即不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)位的誤判，也就是說環(huán)路能夠穩(wěn)定跟蹤。

圖20給出了加速度為50g，載波多普勒估算誤差分別為1 Hz、5 Hz、6 Hz時(shí)，慣導(dǎo)速度輔助衛(wèi)導(dǎo)跟蹤環(huán)路的跟蹤結(jié)果。從圖20可以看出，載波多普勒估算偏差在5 Hz以內(nèi)時(shí)，采用慣導(dǎo)速度輔助能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，可見動(dòng)態(tài)性增大，環(huán)路對(duì)估算誤差的承受力也隨之降低。

圖21給出了加速度為50g時(shí)，采用模擬慣導(dǎo)誤差計(jì)算的載波多普勒輔助的跟蹤結(jié)果。從圖21中可以看出，I路累加值都大于0，即不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)位的誤判，也就是說環(huán)路能夠穩(wěn)定跟蹤。

圖19 勻速時(shí)，采用慣導(dǎo)誤差計(jì)算載波多普勒輔助跟蹤結(jié)果Fig.19 Carrier Doppler-aided tracking results calculated by INS error when velocity is constant

圖22給出了加速度為193g，載波多普勒估算誤差分別為1 Hz、5 Hz、6 Hz時(shí)，慣導(dǎo)速度輔助衛(wèi)導(dǎo)跟蹤環(huán)路的跟蹤結(jié)果。從圖22可以看出，載波多普勒估算偏差在5 Hz以內(nèi)時(shí)，采用慣導(dǎo)速度輔助能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤。

圖20 加速度50g時(shí)，不同載波多普勒誤差下，慣導(dǎo)輔助跟蹤結(jié)果Fig.20 INS-aided tracking results with different carrier Doppler errors when acceleration is 50g

圖21 加速度50g時(shí)，采用慣導(dǎo)誤差計(jì)算載波多普勒輔助跟蹤結(jié)果Fig.21 Carrier Doppler-aided tracking results calculated by INS error when acceleration is 50g

圖22 加速度193g時(shí)，不同載波多普勒誤差下，慣導(dǎo)輔助跟蹤結(jié)果Fig.22 INS-aided tracking results with different carrier Doppler errors when acceleration is 193g

圖23給出了加速度為193g時(shí)，采用模擬慣導(dǎo)誤差計(jì)算的載波多普勒輔助的跟蹤結(jié)果。從圖23中可以看出，I路累加值都大于0，即不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)位的誤判，也就是說環(huán)路能夠穩(wěn)定跟蹤。

圖23 加速度193g時(shí)，采用慣導(dǎo)誤差計(jì)算載波多普勒輔助跟蹤結(jié)果Fig.23 Tracking results aided by carrier Doppler calculated by INS error when acceleration is 193g

此外，考察了同一時(shí)刻慣導(dǎo)位置誤差和速度誤差對(duì)不同衛(wèi)星載波多普勒的估算誤差，當(dāng)慣導(dǎo)位置誤差在1000 m以內(nèi)，速度誤差不超過0.4 m/s時(shí)，引起的載波多普勒估算誤差不大于5 Hz。從而可知，深組合導(dǎo)航方式時(shí)，導(dǎo)航級(jí)慣導(dǎo)都滿足上述指標(biāo)要求。

4 結(jié) 論

本文首先分析了慣導(dǎo)速度輔助衛(wèi)導(dǎo)跟蹤環(huán)路算法的原理，而后分別對(duì)慣導(dǎo)速度輔助衛(wèi)星跟蹤環(huán)路算法的普適性、動(dòng)態(tài)性、抗干擾性以及環(huán)路輔助對(duì)慣導(dǎo)信息精度需求進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果證明，慣導(dǎo)速度輔助對(duì)同一時(shí)刻所有可見星均有效，即證明了提出算法的正確性。此外，仿真結(jié)果表明：本文提出的算法的動(dòng)態(tài)性比傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路提升了約100g，抗干擾能力在不同動(dòng)態(tài)環(huán)境下提升程度不同，約提升 5~8 dB，動(dòng)態(tài)性越高的環(huán)境抗干擾能力提升越明顯；衛(wèi)星跟蹤環(huán)路對(duì)輔助的慣導(dǎo)信息精度要求不高，導(dǎo)航級(jí)慣導(dǎo)即能滿足跟蹤環(huán)路輔助的精度需求，動(dòng)態(tài)性越大的環(huán)境對(duì)慣導(dǎo)輔助信息精度要求越高。

（References）：

[1] Mahmoud A R. Tightly coupled integration of GPS precise point positioning and MEMS-based inertial systems[J]. GPS Solution, 2015, 19(4): 601-609.

[2] Youssef T, Phillip T, Cynl B, et al. Implementation and performance of a GPS/INS tightly coupled assisted PLL architecture using MEMS inertial sensors[J], Sensors, 2014, 14(2): 3768-3796.

[3] Bach-Phi D, Vinh-Hao N. Development of a GPS/INS integrated navigation system for model aircraft[C]// International Conference on Control, Automation and Systems. 2014: 201-206.

[4] Li C J, Yang S X. Optimization of the carrier tracking loop for GPS high dynamic receivers[J]. Journal of Beijing Institute of Technology, 2012, 21(2): 164-171.

[5] 趙琳, 趙洪斌, 閆超. 復(fù)雜環(huán)境下INS輔助GPS跟蹤環(huán)路研究[J]. 傳感器與微系統(tǒng), 2011, 30(10): 22-25. Zhao Lin, Zhao Hong-bin, Yan Chao. Study on tracking loops of INS-aided GPS in complex environment[J]. Transducer and Microsystem Technologies, 2011, 30(10): 22-25.

[6] 李傳軍, 李興城. 一種基于 VDLL和 CaKFPLL的INS/GNSS超緊耦合方法[J]. 中國慣性技術(shù)學(xué)部, 2013, 21(6): 669-774. Li Chuan-jun, Li Xing-cheng. INS/GNSS ultra-tight coupling based on VDLL and CaKFPLL[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2013, 21(6): 669-774.

[7] Lin T, Curran J T, O’Driscoll C, et al. Implementation of a navigation domain GNSS signal tracking loop[C]//24th International Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Fairfax, VA: Institute of Navigation, 2011: 3644-3651.

[8] 呂鵬, 陸明泉, 馮振明. 一種慣導(dǎo)輔助衛(wèi)星導(dǎo)航三階載波PLL算法[J]. 計(jì)算機(jī)仿真, 2013, 12(30): 13-16. LV Peng, Lu Ming-quan, Feng Zhen-ming. Algorithm of three order satellite navigation carrier PLL loop aided by INS[J]. Computer Simulation, 2013, 12(30): 13-16.

[9] Li Peng, Chen Zhoug-gui, Zheng Jin-jin. High dynamic signal pulling with biased doppler aiding from INS[C]// International Conference on Electrical and Control Engineering. 2011: 676-679.

[10] 劉苑伊, 趙昀, 耿生群. 基于 INS輔助的高動(dòng)態(tài) GPS接收機(jī)算法研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 2011, 32(3): 1096-1098. Liu Yuan-yi, Zhao Yun, Geng Sheng-qun. Research on INS aided high dynamic GPS receiver algorithm[J]. Computer Engineering and Design, 2011, 32(3): 1096-1098.

[11] Mahmoud A R, EI-Rabbany A. Non-linear filtering for precise point positioning GPS/INS integration[J]. International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences, 2014, 40(2): 127-132.

[12] Liu Gang, Guo Mei-feng, Zhang Rong, et al. Hardwareimplementable vector tracking loop for GNSS/INS deep integration[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2015, 23(2): 189-195.

INS velocity-aided receiver tracking loop algorithm

FU Jin-lin1,2, ZHAO Zi-yang2, LI Xing-fei1, LIU Hong-guang2, HU Cai2
(1. Tianjin University School of Precision Instrument and Opto-electronics Engineering, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Navigation Instruments Research Institute, Tianjin 300131, China)

In view that the receiver of inertial navigation system (INS) is hard to locate and navigate in high dynamic and noisy environment, an INS velocity-aided satellite tracking loop algorithm is proposed. The tracking loop’s Doppler shift is estimated by INS velocity, which compresses the needed dynamic range of the tracking loop, thereby decreases the equivalent noise bandwidth of the loop, reduces the tracking loop in-band interference, and improves the anti-jamming ability of satellite receiver. Simulations are made to test the proposed algorithm’s universality, dynamicity, anti-interference capacity and its influences on INS’s estimation errors, and the results prove the correctness of the algorithm and show that the proposed algorithm upgrades the vehicle acceleration to 193g compared to 91g by traditional methods, improves the antiinterference ability by 5-8 dB, and can tolerate large estimation error of INS-aided information. These lay the foundation for the algorithm engineering.

inertial navigation system; velocity-aided; high dynamic; anti-jamming; INS-aided information error

U666.1

：A

1 傳統(tǒng)載波跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)

1005-6734(2016)03-0330-07

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2016.03.010

2016-03-30；

：2016-04-12

船舶預(yù)研支撐技術(shù)基金項(xiàng)目（14JZ3.9.2）

傅金琳（1984—），女，博士后，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榫C合導(dǎo)航技術(shù)。E-mail: linkimf@163.com

衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)日益成熟，推動(dòng)著衛(wèi)導(dǎo)接收機(jī)在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。復(fù)雜環(huán)境下導(dǎo)航服務(wù)的精確性和連續(xù)性成為核心技術(shù)，其中衛(wèi)導(dǎo)跟蹤環(huán)路的性能至關(guān)重要[1-3]。當(dāng)載體動(dòng)態(tài)性過大時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)多普勒頻率變化率劣化，導(dǎo)致傳統(tǒng)環(huán)路失鎖，接收機(jī)難以正常工作[4-7]?；谶@個(gè)問題，主要有三種解決方式：一是通過增加環(huán)路帶寬，這將導(dǎo)致環(huán)路噪聲加大，可能導(dǎo)致環(huán)路干擾過大而失鎖；二是采用高階鎖相環(huán)，這種環(huán)路不但設(shè)計(jì)難度大，且穩(wěn)定度不高，難以保證接收機(jī)穩(wěn)定跟蹤；三是引入輔助信息，減小載體的動(dòng)態(tài)應(yīng)力誤差。國內(nèi)外文獻(xiàn)對(duì)于采用慣導(dǎo)信息輔助衛(wèi)導(dǎo)跟蹤環(huán)路進(jìn)行了大量研究[8-12]，研究成果集中于理論分析慣導(dǎo)速度輔助對(duì)環(huán)路帶寬的影響，對(duì)于輔助實(shí)現(xiàn)方式和環(huán)路性能疏于考慮。本文基于理論分析給出了慣導(dǎo)速度輔助衛(wèi)導(dǎo)跟蹤環(huán)路的解決方案，對(duì)輔助后環(huán)路承載的動(dòng)態(tài)能力，抗干擾性以及對(duì)慣導(dǎo)信息精度需求等進(jìn)行了全方位解析。

圖1給出了傳統(tǒng)衛(wèi)導(dǎo)載波跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)圖。