北斗/慣導(dǎo)深組合系統(tǒng)捕獲與環(huán)路控制研究

王煥浩，曾慶化，孟　騫，馮紹軍

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院導(dǎo)航研究中心，南京　210016；

2.英國(guó)帝國(guó)理工交通研究中心，倫敦 英國(guó)　SW7 2AZ)

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北斗/慣導(dǎo)深組合系統(tǒng)捕獲與環(huán)路控制研究

王煥浩1，曾慶化1，孟騫1，馮紹軍2

(1.南京航空航天大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院導(dǎo)航研究中心，南京210016；

2.英國(guó)帝國(guó)理工交通研究中心，倫敦 英國(guó)SW7 2AZ)

摘要：為適應(yīng)我國(guó)對(duì)北斗衛(wèi)星日益廣泛的應(yīng)用和用戶對(duì)于高精度、強(qiáng)干擾能力下的應(yīng)用需求，提出了一種北斗/慣導(dǎo)深組合系統(tǒng)捕獲與環(huán)路控制方案；通過(guò)6 ms并行碼相位搜索捕獲方法成功捕獲衛(wèi)星，同時(shí)利用慣導(dǎo)與接收機(jī)環(huán)路的高度耦合機(jī)制實(shí)現(xiàn)載波環(huán)和碼環(huán)的控制；通過(guò)仿真試驗(yàn)表明：該方法能夠成功實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星信號(hào)的捕獲與接收機(jī)環(huán)路控制，且跟蹤性能優(yōu)于傳統(tǒng)接收機(jī)環(huán)路。

關(guān)鍵詞：北斗衛(wèi)星; 深組合系統(tǒng); 捕獲; 環(huán)路控制

Citation format:WANG Huan-hao，ZENG Qing-hua，MENG Qian，et al.Study on Capture and Loop Control of Deeply BD/INS Integrated System[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(3):77-81.

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自行設(shè)計(jì)的一種全球?qū)Ш较到y(tǒng)，其致力于向全球用戶提供高品質(zhì)的定位、導(dǎo)航和授時(shí)服務(wù)。目前，北斗系統(tǒng)已覆蓋亞太地區(qū)，預(yù)計(jì)到2020年左右能提供全球范圍內(nèi)導(dǎo)航服務(wù)。我國(guó)于2012年12月27日發(fā)布了北斗系統(tǒng)空間信號(hào)控制文件，內(nèi)容主要包括北斗系統(tǒng)概述、信號(hào)規(guī)范、導(dǎo)航電文幾部分內(nèi)容，各高校和院所基于此已開(kāi)展對(duì)北斗衛(wèi)星相關(guān)研究[1]。

受高動(dòng)態(tài)，抗干擾，高精度導(dǎo)航性能需求的推動(dòng)，衛(wèi)星/慣導(dǎo)深組合技術(shù)成為研究熱點(diǎn)。在傳統(tǒng)的松、緊組合系統(tǒng)中，接收機(jī)通道相互獨(dú)立，對(duì)環(huán)路的控制完全由環(huán)路內(nèi)部鑒相器產(chǎn)生。而深組合系統(tǒng)是由已知的慣導(dǎo)解算結(jié)果推測(cè)跟蹤環(huán)路參數(shù)，各通道之間實(shí)現(xiàn)信息共享，其核心思想是將慣性導(dǎo)航與衛(wèi)星接收機(jī)的跟蹤環(huán)路緊密結(jié)合在一起，有效提升跟蹤環(huán)路性能[2]。目前，國(guó)際上許多機(jī)構(gòu)如Draper實(shí)驗(yàn)室利用模擬衛(wèi)星信號(hào)和慣導(dǎo)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了深組合在抗干擾方面相對(duì)于緊組合能提高15 dB，美國(guó)的Honeywell公司和Rockwell Collins公司組建深組合研究團(tuán)隊(duì)，在抗干擾接收機(jī)上采用矢量跟蹤深組合算法，研制了實(shí)物樣機(jī)。國(guó)外在深組合方面技術(shù)成熟，應(yīng)用趨于產(chǎn)品化[3]。國(guó)內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)如清華大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、西安618所等都對(duì)深組合開(kāi)展了積極的研究，但基本都處于算法驗(yàn)證階段，還沒(méi)有與深組合相關(guān)的成熟產(chǎn)品出現(xiàn)。

深組合系統(tǒng)主要可分為衛(wèi)星信號(hào)的捕獲，跟蹤環(huán)路的外部輔助控制和深組合濾波器觀測(cè)量的提取及對(duì)慣導(dǎo)的修正三大部分[4]。本文主要對(duì)北斗信號(hào)的捕獲及跟蹤環(huán)路的控制這兩塊內(nèi)容進(jìn)行說(shuō)明。

1北斗信號(hào)的捕獲

1.1北斗信號(hào)的NH碼調(diào)制

北斗衛(wèi)星系統(tǒng)有三種類型的衛(wèi)星，其中MEO和IGSO衛(wèi)星播放D1導(dǎo)航電文，GEO衛(wèi)星播放D2導(dǎo)航電文。D2導(dǎo)航電文的調(diào)制機(jī)制與GPS相同，而D1導(dǎo)航電文上面調(diào)制了NH碼。D1導(dǎo)航電文速率為50 bps,一個(gè)信息比特持續(xù)20 ms，這期間測(cè)距碼重復(fù)20次。D1導(dǎo)航電文上采用20 ms碼寬的NH碼來(lái)調(diào)制導(dǎo)航電文中的一個(gè)信息位，稱之為二次編碼。調(diào)制過(guò)程采用20比特的NH碼(0,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,1,0)中的每一比特和1 ms擴(kuò)頻碼進(jìn)行調(diào)試[5]，如圖1所示。

圖1　NH調(diào)制后的北斗導(dǎo)航電文

假設(shè)長(zhǎng)度為20 ms的1比特的導(dǎo)航電文由20個(gè)1組成(也可是20個(gè)0)，經(jīng)過(guò)NH碼的調(diào)制(調(diào)制機(jī)制為兩信號(hào)進(jìn)行異或)，得到調(diào)制后的導(dǎo)航電文(1,1,1,1,1,0,1,1,0,0,1,0,1,0,1,1,0,0,0,1)。NH碼能降低各衛(wèi)星信號(hào)之間的相關(guān)性，提高信號(hào)的抗干擾能力，但也增加了信號(hào)的復(fù)雜性，給接收機(jī)尤其是捕獲環(huán)節(jié)增加了很大的難度。

1.26 ms并行碼相位搜索捕獲方法

捕獲的目的是獲得可見(jiàn)星以及相應(yīng)的載波頻率和碼相位的估計(jì)值，本文采用并行碼相位搜索捕獲方法，通過(guò)傅里葉變換實(shí)現(xiàn)相關(guān)操作。

長(zhǎng)度為N的序列x(n)和y(n)的離散傅里葉變換為

(1)

二者的循環(huán)互相關(guān)序列為

(2)

去掉比例因子1/N,Z(n)的N點(diǎn)離散傅里葉變?yōu)?/p>

(3)

得到式(3)后，用傅里葉逆變換得到時(shí)域表達(dá)式。圖2為并行碼相位捕獲流程圖。

圖2　并行碼相位捕獲

天線接收到的北斗衛(wèi)星信號(hào)，與本地產(chǎn)生的載波信號(hào)相乘得到I支路信號(hào)，與90°相移的本地載波相乘得到Q支路信號(hào)，二者組合得到復(fù)數(shù)信號(hào)x(n)=I(n)+jQ(n)，對(duì)該信號(hào)進(jìn)行傅里葉變換后，與傅里葉變換后的本地碼信號(hào)相乘，輸出結(jié)果經(jīng)過(guò)傅里葉逆變換轉(zhuǎn)化為時(shí)域信號(hào)，結(jié)果中若出現(xiàn)峰值，表示捕獲到當(dāng)前碼對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星[6]。

捕獲成功的前提是進(jìn)行捕獲的數(shù)據(jù)不含比特跳變。傳統(tǒng)的GPS的捕獲是采用一段連續(xù)的2 ms的衛(wèi)星信號(hào)，分為兩個(gè)1 ms信號(hào)，分別進(jìn)行捕獲操作。由于GPS信號(hào)的一個(gè)導(dǎo)航電文中全是1或者0，不存在比特跳變，兩個(gè)導(dǎo)航電文之間可能存在比特跳變，故2 ms的數(shù)據(jù)中能夠保證其中有1 ms 的數(shù)據(jù)不存在比特跳變。如圖3所示，北斗由于采用NH碼調(diào)制，導(dǎo)致一個(gè)導(dǎo)航電文中存在多次比特跳變，傳統(tǒng)的方法已不適用。對(duì)于北斗信號(hào)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)方法可以得到，最少應(yīng)截取6 ms的北斗衛(wèi)星信號(hào)，分成6個(gè)1 ms信號(hào)進(jìn)行捕獲操作，則不論信號(hào)的起點(diǎn)位于何處，都能保證這6個(gè)1 ms的數(shù)據(jù)中至少有一個(gè)1 ms的信號(hào)是完全不含任何比特跳變，這樣就能成功實(shí)現(xiàn)捕獲。如圖3所示，不論數(shù)據(jù)起點(diǎn)位于何處，6 ms的數(shù)據(jù)中都能保證其中有1 ms數(shù)據(jù)不含比特跳變(圖3中陰影所示)，這樣對(duì)于可見(jiàn)衛(wèi)星才能從輸出結(jié)果中得到相關(guān)峰值，從而確定衛(wèi)星號(hào)和載波頻率與碼相位的估計(jì)值。

圖3　連續(xù)多毫秒數(shù)據(jù)捕獲

2深組合跟蹤環(huán)路的外部控制

跟蹤的主要目的是時(shí)刻保持本地的載波頻率和碼相位值與衛(wèi)星信號(hào)一致，進(jìn)而從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)出導(dǎo)航電文，解調(diào)方案(圖 4)如下：

圖4　衛(wèi)星信號(hào)解調(diào)

首先，輸入信號(hào)與本地載波相乘剝離載波，接下來(lái)再與本地碼相乘，剝離碼，剩下的即為導(dǎo)航電文。跟蹤模塊需要得到載波頻率與碼相位增量，以此來(lái)產(chǎn)生本地載波和本地碼。傳統(tǒng)接收機(jī)的復(fù)制載波頻率和碼相位增量由接收機(jī)環(huán)路內(nèi)部通過(guò)鑒相器獲得，而深組合的環(huán)路與慣導(dǎo)高度融合，通過(guò)慣導(dǎo)的位置，速度以及衛(wèi)星星歷對(duì)載波頻率和碼相位進(jìn)行估計(jì)，將原接收機(jī)的閉合環(huán)路斷開(kāi)，各個(gè)通道之間不再獨(dú)立[7]。這樣環(huán)路能充分利用導(dǎo)航信息，且跟蹤性能好的環(huán)路可以輔助性能差的環(huán)路，從而提高接收機(jī)的跟蹤性能。

2.1載波環(huán)控制量分析與計(jì)算

接收機(jī)本地載波頻率由中頻、捕獲到的載波初始多普勒頻移、鎖相環(huán)調(diào)整量構(gòu)成，即：

(4)

式(4)中，fI為中頻頻率，fa捕獲到的載波初始多普勒頻移，fI+fa稱為載波中心頻率，fNCO為跟蹤環(huán)路產(chǎn)生的載波NCO，即鎖相環(huán)產(chǎn)生的調(diào)整量。

根據(jù)慣導(dǎo)計(jì)算得到的載體在ECEF坐標(biāo)系中的位置Pr、速度Vr以及根據(jù)星歷計(jì)算得到的衛(wèi)星位置PS、速度VS來(lái)計(jì)算環(huán)路多普勒頻移量。載體速度及衛(wèi)星速度在二者徑向上的投影分量為[8]

(5)

慣導(dǎo)計(jì)算出的載波跟蹤環(huán)的多普勒頻移為

(6)

式(6)中，c為光速，fL1為載波L1的頻率?？梢钥闯?，fdI與深組合導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的載體位置和速度有關(guān)，其中包含慣導(dǎo)的信息量。將載波多普勒頻移送入接收機(jī)環(huán)路中，控制接收機(jī)對(duì)載波信號(hào)的跟蹤。復(fù)制載波信號(hào)頻率的計(jì)算如下式：

(7)

通過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，利用載體預(yù)測(cè)的多普勒頻移fdI與原環(huán)路多普勒頻移之間存在一個(gè)較為穩(wěn)定的頻率偏差，而該頻率偏差與接收機(jī)解算得到的鐘漂頻率Δf基本一致，因此在慣導(dǎo)預(yù)測(cè)的多普勒頻移上補(bǔ)償上接收機(jī)的鐘漂頻率[9]，即

(8)

利用慣導(dǎo)推算的載波頻率frep代替原接收機(jī)的閉環(huán)計(jì)算的載波頻率fcarr來(lái)產(chǎn)生本地載波。

2.2碼環(huán)控制量分析與計(jì)算

信號(hào)接收時(shí)間tu可以直接在衛(wèi)星接收機(jī)時(shí)鐘上讀出。信號(hào)發(fā)射時(shí)間可由下式推算獲得：

(9)

式(9)中Δt為環(huán)路相關(guān)積分時(shí)間間隔，tdI為慣性導(dǎo)航結(jié)果估計(jì)的信號(hào)傳輸延遲時(shí)間，為了對(duì)復(fù)制碼的產(chǎn)生進(jìn)行控制，可通過(guò)間接計(jì)算碼相位增量的方法調(diào)整本地復(fù)制碼的產(chǎn)生，設(shè)k+1和k時(shí)刻推算的信號(hào)發(fā)射時(shí)間分別為[10]

TOW+(30w+b)×0.020+

(10)

(11)

(12)

式(12)中，λBD為測(cè)距碼波長(zhǎng)。通過(guò)載體位置與衛(wèi)星位置可以計(jì)算得到慣導(dǎo)的偽距ρI，通過(guò)光速與信號(hào)傳播時(shí)間相乘可以得到接收機(jī)偽距ρB，二者的差值ρ與碼片誤差γ之間存在如下關(guān)系：

(13)

(14)

3北斗/慣導(dǎo)深組合系統(tǒng)仿真實(shí)現(xiàn)

3.1仿真條件

仿真時(shí)間為48 s；慣性器件數(shù)據(jù)由設(shè)定航跡通過(guò)仿真生成，按照中低精度慣導(dǎo)的誤差模型設(shè)置仿真參數(shù)如下：陀螺儀常值漂移為8 (°)/h，白噪聲均方差為2 (°)/h，一次項(xiàng)系數(shù)為5×10-5；加速度計(jì)常值零偏為800 μg，白噪聲均方差為260 μg，一次項(xiàng)、二次項(xiàng)系數(shù)分別為1×10-3μg、260 μg；使用中頻信號(hào)采樣器通過(guò)天線采集北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)，捕獲門(mén)限值設(shè)定為3，載波環(huán)噪聲帶寬為20 Hz，阻尼因子為0.7，碼環(huán)噪聲帶寬為2 Hz，阻尼因子為0.7；為方便對(duì)比，接收機(jī)跟蹤設(shè)置兩種模式：傳統(tǒng)的獨(dú)立跟蹤模式和和深組合跟蹤模式。

3.2北斗衛(wèi)星信號(hào)捕獲

圖5為捕獲結(jié)果圖，將捕獲的門(mén)限值設(shè)定為3(門(mén)限值若設(shè)定太低將導(dǎo)致難以持續(xù)跟蹤)，可看到衛(wèi)星號(hào)為1,3,4,5,8,11,12的北斗衛(wèi)星被成功捕獲。表1為捕獲到的衛(wèi)星的載波頻率和碼相位(0～16 368)的值。圖6分別為3號(hào)與6號(hào)北斗衛(wèi)星捕獲結(jié)果關(guān)于載波頻率，碼相位和捕獲峰值的三維搜索圖，可以看到3號(hào)衛(wèi)星出現(xiàn)了明顯的峰值，代表捕獲成功，而6號(hào)衛(wèi)星并未出現(xiàn)峰值，表示此時(shí)未捕獲該衛(wèi)星。

圖5　可見(jiàn)星與不可見(jiàn)星

衛(wèi)星號(hào)載波頻率/Hz碼相位14.13134e+006479334.13150e+0061326144.13138e+0061129454.13146e+0061326184.13150e+00611236114.13092e+0068208124.12880e+0067196

3.3深組合環(huán)路外部控制

圖7中左圖為傳統(tǒng)接收機(jī)的環(huán)路跟蹤量，右圖為深組合的環(huán)路跟蹤量。

圖7為環(huán)路相關(guān)值，較大的值為IP，代表導(dǎo)航電文，深組合的IP值比傳統(tǒng)環(huán)路更加平滑，毛刺明顯降低。較小的值為QP，代表環(huán)路的噪聲，深組合的環(huán)路噪聲明顯低于傳統(tǒng)環(huán)路。

圖8和圖9為載波環(huán)和碼環(huán)鑒相器的輸出，它們分別代表環(huán)路的跟蹤誤差。從圖8、圖9中可以看出，深組合環(huán)路的跟蹤誤差明顯比傳統(tǒng)環(huán)路小。

圖6　3號(hào)與6號(hào)衛(wèi)星捕獲結(jié)果圖

圖7　環(huán)路相關(guān)值

圖8　載波環(huán)鑒相器輸出

圖9　碼環(huán)鑒相器輸出

4結(jié)論

本文提出的北斗/慣導(dǎo)深組合捕獲和跟蹤的控制方法，一方面，利用6 ms并行碼相位搜索捕獲的方法，能夠在捕獲過(guò)程中規(guī)避NH碼影響；另一方面，通過(guò)中低精度慣導(dǎo)的解算結(jié)果推算接收機(jī)跟蹤環(huán)路控制量，在慣導(dǎo)精度不高的情況下實(shí)現(xiàn)了環(huán)路的持續(xù)跟蹤。試驗(yàn)表明，該方法能夠成功實(shí)現(xiàn)北斗衛(wèi)星的捕獲并且提升跟蹤環(huán)路的性能。

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(責(zé)任編輯楊繼森)

Study on Capture and Loop Control of Deeply BD/INS Integrated System

WANG Huan-hao1，ZENG Qing-hua1，MENG Qian1，F(xiàn)ENG Shao-jun2

(1.Navigation Research Center of College of Automation, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China; 2.Centre for Transport Studies, Department of Civil and Environmental Engineering, Imperial College London, London SW7 2AZ, UK)

Abstract:In order to meet the demands of the increasingly wide applications of Beidou and the requirements of the users for high accuracy and strong interference ability, a method of capture and loop control for deeply BD/INS integrated system was proposed. Search method used 6 ms parallel code phase was used to capture the satellites successfully, and the carrier and code loop were controlled by the highly coupling between tracking loop and INS navigation system. The simulation results indicate that this method can capture the Beidou signal and control the tracking loop, and the tracking performance is superior to the traditional receiver loop.

Key words:Beidou satellite; deeply integrated system; capture; loop control

文章編號(hào)：1006-0707(2016)03-0077-05

中圖分類號(hào)：U666.1;TN967.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi:10.11809/scbgxb2016.03.019

作者簡(jiǎn)介：王煥浩(1990—)，男，碩士，主要從事基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究。

收稿日期：2015-09-23；修回日期：2015-10-18

本文引用格式：王煥浩，曾慶化，孟騫，等.北斗/慣導(dǎo)深組合系統(tǒng)捕獲與環(huán)路控制研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2016(3):77-81.

【信息科學(xué)與控制工程】