INS輔助PLL載波相位跟蹤環(huán)路高動態(tài)測試

摘要：GNSS精密定位技術依賴于高精度的載波相位觀測信息，而當載體高動態(tài)運動時江iNSS接收機的Pl上跟蹤環(huán)路由于承受較大的動態(tài)應力可能無法保持對導航衛(wèi)星信號載波相位的穩(wěn)定跟蹤。針對這一問題，該文設計INS輔助的PLL跟蹤環(huán)路結構，并且系統(tǒng)地設計基于典型高動態(tài)圓周運動的仿真（徑向加速度509）與實測測試（徑向加速度5.29）方法。測試結果表明：設計的INS輔助GNSS PLL跟蹤環(huán)路結構，可以實現(xiàn)高動態(tài)條件下對衛(wèi)星信號載波相位的穩(wěn)定跟蹤以及連續(xù)穩(wěn)定的導航定位解算，且相比于普通環(huán)路，可以通過進一步壓縮環(huán)路帶寬和延長相干積分時間，獲得更高精度的載波相位觀測信息和多普勒估計信息。

關鍵詞：INS輔助PLL;載波相位;高動態(tài);性能測試

中圖分類號：TN967.1 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）10-0045-08

0 引言

衛(wèi)星導航定位技術在民用和軍用領域有著廣泛而重要的應用。隨著全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)（globalnavigation satellite system，GNSS）的不斷發(fā)展以及我國北斗三代導航系統(tǒng)的不斷完善，衛(wèi)星導航定位技術將越來越廣泛地應用于移動測圖、地震測量以及精確武器制導等高精度與高動態(tài)場景[1-6]。

目前，GNSS高精度定位的關鍵在于導航接收

收稿日期：2018-08-11;收到修改稿日期：2018-12-15

作者簡介：班亞龍（1987-），男，河南新鄉(xiāng)市人，工程師，博士，研究方向為衛(wèi)星導航與組合導航。機從衛(wèi)星信號中獲得的載波相位測量信息，這一信息的獲得主要通過接收機的鎖相環(huán)路（phaselockedloop，PLL）完成[7]。然而，載體的高動態(tài)運動會引起接收信號載波頻率與相位的大幅變動，進而可能引起頻率與相位跟蹤的激烈震蕩，甚至失去對相位或頻率的穩(wěn)定跟蹤，無法獲得高精度的載波相位信息。對于普通接收機，增大環(huán)路帶寬可以一定程度地提高環(huán)路對載體動態(tài)的承受能力，但較大的環(huán)路帶寬會引入更多的環(huán)路噪聲，從而造成較大的跟蹤誤差。

引入慣性輔助信息對環(huán)路進行輔助是解決這一矛盾的有效途徑之一[8]。慣性導航系統(tǒng)（inertialnavigation system，INS）天然對載體動態(tài)敏感，可以與GNSS實現(xiàn)優(yōu)勢互補。利用慣性測量信息輔助接收機跟蹤環(huán)路的方法通常被稱為GNSS/INS深組合，通過將慣性輔助信息以前饋支路的形式引入到接收機跟蹤環(huán)路，減少環(huán)路需要承受的動態(tài)應力，進而可以實現(xiàn)對信號載波相位的精密測量[9-10]。

目前，國外已成功研制了具有高動態(tài)GNSS載波相位測量能力的深組合精確制導系統(tǒng)并廣泛應用，但對相關技術進行長期封鎖和限制[2];2008年，美國Ohio大學的Soloviev等[11]基于深組合結構，利用軟件接收機實現(xiàn)了城市道路低信噪比環(huán)境下的GPS信號重捕，并獲得了較高精度的載波相位測量：2010年，DEIMOS Space的Fernandez[12]將深組合系統(tǒng)應用于移動測圖。目前，國內對高動態(tài)條件下GNSS的研究主要停留在仿真與研制階段。2007年，于海亮[13]采用仿真方法，分析了100g加]到變與100g/s加加速度條件下INS輔助三階PLL的性能;2010年，王朋輝[14]通過仿真飛行軌跡，分析了深組合系統(tǒng)可以承受50g和10倍音速的動態(tài)。上述分析僅通過仿真方法驗證高動態(tài)深組合系統(tǒng)的功能，卻并未進一步給出INS輔助的PLL環(huán)路跟蹤時，載波相位觀測信息的相關分析結果。近年來，國內關于深組合的研究成果多為對組合濾波算法的仿真研究[15-17]，而對于高動態(tài)深組合相關實測更未見報道。

針對以上情況，本文基于自主設計的INS輔助GNSS接收機PLL跟蹤環(huán)路系統(tǒng)和中頻數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，設計典型的高動態(tài)仿真運動場景以及實測場景，并對接收機載波相位觀測信息與定位結果兩個層次分析高動態(tài)場景下INS輔助信息對GNSS載波相位跟蹤性能的影響。

1 INS輔助PLL設計

如圖1所示，INS輔助的接收機PLL跟蹤環(huán)路結構包括GNSS接收機PLL跟蹤環(huán)路、INS、組合導航濾波器以及輔助信息估計等[18-19]。

當環(huán)路鑒相器的輸出指向低通濾波器1時，接收機工作于普通PLL模式，而當鑒相器輸出指向低通濾波器2時，接收機工作在INS輔助的環(huán)路跟蹤模式，當環(huán)路跟蹤實現(xiàn)幀同步，即可從衛(wèi)星信號中解調出偽距、載波相位等原始觀測信息以及衛(wèi)星星歷。慣性測量單元（inertial measurement unit，IMU）通過對載體的6個自由度的運動信息測量，結合初始化信息，通過慣導算法解算可以得到載體的位置、速度和姿態(tài)信息。組合導航濾波器通過卡爾曼濾波實現(xiàn)對INS和GNSS測量信息的綜合處理，得到組合導航的結果。

在輔助信息準備好之前，接收機首先工作在普通環(huán)跟蹤模式，通過低通濾波器1得到的多普勒頻率信息包含接收機與導航衛(wèi)星之間的多普勒信息、接收機鐘漂以及熱噪聲。其中，接收機與衛(wèi)星k之間的多普勒f_dopp，k，可以表示為載體相對于衛(wèi)星的運動速度在視線方向（Line-of-Sight，LOS）的投影：

式中：e_k^T——接收機相對衛(wèi)星k的視線方向的單位矢量，可由INS解算的接收機位置和衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星位置信息計算得到;

v_INS——INS解算得到接收機速度;

v_SV，k——衛(wèi)星星歷中獲得衛(wèi)星k的速度信息;

λ——載波波長。

此外，接收機鐘漂可以通過導航定位解算得到，因此，當接收機工作在INS輔助PLL環(huán)路模式時，低通濾波器2只需要跟蹤環(huán)路熱噪聲與INS輔助信息誤差。

最后，輔助信息與低通濾波器2的輸出一起作為載波NCO（numerically controlled oscillator）的控制信息，接收機環(huán)路可以提前對動態(tài)擾動進行預測，消除或減小PLL承受的動態(tài)應力，并且INS輔助的PLL環(huán)路可以采用更小的噪聲帶寬或延長相干積分時間，獲得比普通接收機更好的跟蹤精度。

2 高動態(tài)性能測試設計

高動態(tài)是指載體運動具有較大的速度及速度各階導數(shù)分量，噴氣推進實驗室（Jet PropulsionLaboratory，JPL）定義兩種典型高動態(tài)場景：線性速度模型（加速度50g）和圓周運動（徑向加速度50g）[20]。

基于JPL的高動態(tài)定義，由于高動態(tài)圓周運動的速度及其對時間的各階導數(shù)均為正弦波變化，因此本文設計典型高動態(tài)圓周運動仿真與實測場景對INS輔助的GNSS PLL跟蹤環(huán)路的性能進行測試。如圖2所示，INS輔助跟蹤環(huán)路的系統(tǒng)測試分為仿真測試與實測測試。

2.1 仿真測試方法

INS輔助GNSS PLL跟蹤環(huán)路的高動態(tài)仿真測試采用（]NSS/IMU信號模擬器（圖3），通過設置高動態(tài)圓周運動場景，實時同步輸出GNSS射頻信號與IMU模擬信號，并可以生成場景的真值信息。之后，利用自主設計的GNSS中頻/IMU數(shù)據(jù)采集器[21]，對GNSS中頻信號和IMU原始數(shù)據(jù)進行采樣、存儲;最后利用設計的深組合處理軟件對采集的數(shù)據(jù)進行后處理，分別分析在有無INS輔助的條件下，高動態(tài)對接收機PLL跟蹤性能和導航定位解算性能的影響。

2.2 實測測試方法

INS輔助GNSS PLL跟蹤環(huán)路的高動態(tài)實測測試基于自主設計的高速旋轉平臺完成，如圖4所示，高速旋轉平臺主要由伺服電機、旋轉桿臂、設備搭載平臺以及支撐底座構成。

實測測試通過遠程控制伺服電機帶動旋轉桿臂以一定的速率快速旋轉，GNSS和IMU與旋轉桿臂剛性固連，天線安裝于旋轉桿臂邊緣以使之承受最大的徑向加速度。同樣地，在旋轉過程中利用GNSS中頻/IMU數(shù)據(jù)采集器記錄實測場景的數(shù)據(jù)，GNSS天線運動的真值數(shù)據(jù)由旋轉平臺絕對運動信息測量系統(tǒng)得到[22]，之后利用深組合處理軟件對采集的數(shù)據(jù)進行處理與分析。

3 測試結果與分析

基于第2節(jié)設計的高動態(tài)性能測試方法，本節(jié)將對設計的INS輔助PLL跟蹤環(huán)路的高動態(tài)性能進行測試，并對測試結果進行分析。

3.1 仿真測試結果與分析

3.1.1 場景設置

如圖5（a）所示，仿真測試采用典型的圓周運動軌跡，為了便于INS系統(tǒng)的初始化，仿真場景首先設置載體靜止300s后首先沿正北向（初始航向0°）勻加速直線運動150s之后轉為圓周運動，運動半徑約130m。由圖5（b）可知，仿真載體徑向加速度為50g，最大運動角速度大于100°/s。

高動態(tài)圓周運動仿真場景的導航衛(wèi)星載噪比設置為45dB-Hz，其分布情況如圖6所示。可以看出，視野可見衛(wèi)星為10顆，其中8號和20號衛(wèi)星的仰角相對較低，根據(jù)第2節(jié)中的分析，接收機PLL環(huán)路對低仰角衛(wèi)星的跟蹤相比于高仰角衛(wèi)星，更易受載體動態(tài)影響。

仿真測試中接收機環(huán)路跟蹤帶寬設置為20Hz，相干積分時間1ms。表1給出了仿真測試中采用的典型的戰(zhàn)術級和MEMS IMU的參數(shù)。

3.1.2 載波相位跟蹤性能分析

圖7給出的是低仰角的8號和20號衛(wèi)星的普通二階和三階PLL環(huán)路載波相位跟蹤結果。結合圖5可以看出，當載體動態(tài)較小時環(huán)路可以保持對衛(wèi)星信號載波相位的穩(wěn)定跟蹤，而當載體處于高動態(tài)圓周運動時，普通二階或者三階PLL環(huán)路失去了對載波相位的鎖定。如圖8所示，采用戰(zhàn)術級或者MEMS INS輔助的二階跟蹤環(huán)路，則無論是在較低動態(tài)還是在高動態(tài)運動中，都可以穩(wěn)定跟蹤載波相位。

圖8還表明，無論是較高等級的IMU還是廉價的MEMS IMU，其對環(huán)路的輔助效果基本一致，說明低等級的MEMS IMU同樣可以滿足高動態(tài)應用場景需求。

3.1.3 導航定位解算性能分析

由于在高動態(tài)圓周運動場景下，普通接收機環(huán)路無法對衛(wèi)星信號進行穩(wěn)定跟蹤，無法進行有效地導航定位解算，因此本文只給出INS輔助PLL跟蹤環(huán)路時的接收機定位結果，如圖9所示。導航定位解算結果表明，在高動態(tài)場景下，采用INS輔助PLL的接收機的性能優(yōu)于采用普通PLL的接收機。

3.2 實測測試結果與分析

3.2.1 場景設置

實測場景為基于高速旋轉平臺完成的圓周運動，圖10（b）給出了IMU的運動加速度和角速度，可以看出，IMU最大旋轉角速度大于300°/s，最大徑向加速度約34.5m/s²，而在實測中月My的旋轉半徑為1.0m，如圖10（a）所示，GNSS天線的旋轉半徑為1.5m，據(jù)此可以計算出GNSS天線的最大徑向加速度約為51.8m/s²，而最大加速度對時間的一階導數(shù)可達30g/s。

圖11給出了實測場景的可見衛(wèi)星分布，由于測試場地所限，可見GPS衛(wèi)星僅為6顆，其中26號衛(wèi)星仰角相對較低，14號衛(wèi)星仰角相對較高。

實測測試中接收機環(huán)路跟蹤帶寬設置為18Hz，采用的慣性測量單元為典型的MEMSIMU，表2給出了IMU器件的主要參數(shù)指標。

3.2.2 載波相位跟蹤性能分析

圖12給出了實測中普通二階和三階環(huán)路對低仰角衛(wèi)星的跟蹤誤差曲線，結合圖10可知，當GNSS天線處于最大徑向速度運動時，采用普通二階或者三階環(huán)路雖然可以保持對衛(wèi)星載波相位的跟蹤，但其跟蹤誤差波動范圍已顯著大于±50°。而在相同環(huán)路帶寬和相干積分時間條件下（1ms，18Hz），采用MEMS INS輔助的二階PLL對26號衛(wèi)星載波相位跟蹤誤差保持在±30°（圖13）。

此外，在INS輔助下，接收機環(huán)路可以壓縮環(huán)路帶寬，延長相干積分時間，進一步減小熱噪聲的影響，從圖13可以看出，當環(huán)路帶寬和相干積分時間分別為10Hz和10ms時，MEMS INS輔助的二階PLL載波相位跟蹤誤差顯著減?。ā?5°范圍內）。

3.2.3 導航定位解算性能分析

圖14給出了實測高動態(tài)圓周運動場景下，普通二階環(huán)路與MEMS INS輔助的二階環(huán)路的接收機導航定位解算誤差。從圖14（a）可以看出，無輔助的普通接收機由于在高動態(tài)時部分衛(wèi)星失去穩(wěn)定跟蹤，造成在高動態(tài)運動時段導航定位解算中斷。

而采用MEMS INS輔助的二階PLL環(huán)路的接收機，在整個測試過程中導航定位結果連續(xù)穩(wěn)定，并且通過壓縮環(huán)路帶寬和延長相干積分時間，可以得到較高精度的測速結果，如圖14（b）所示。

4 結束語

本文給出了INS輔助PLL環(huán)路的GNSS深組合接收機設計，并針對高動態(tài)條件下INS輔助PLL環(huán)路的載波相位跟蹤性能評估問題系統(tǒng)地設計了仿真和實測測試方法，并對測試數(shù)據(jù)的處理與分析。仿真與實測測試結果一致表明：本文設計的INS輔助GNSS PLL跟蹤環(huán)路結構實現(xiàn)了高動態(tài)條件下對衛(wèi)星信號載波相位的穩(wěn)定跟蹤和連續(xù)穩(wěn)定的導航定位解算，且相比于普通環(huán)路，可以通過進一步壓縮環(huán)路帶寬和延長相干積分時間，獲得更高精度的載波相位觀測信息和多普勒估計信息，為下一步高動態(tài)條件下的GNSS精密定位（如差分GNSS）的實現(xiàn)提供了觀測信息基礎。

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（編輯：李剛）