高動態(tài)衛(wèi)星信號跟蹤技術(shù)研究

陳玉君

（中船智能(上海)信息科技有限公司 上海市 200120）

隨著全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域、影響范圍和復(fù)雜應(yīng)用場景的不斷擴大，用戶對GNSS 接收機的性能提出了新的要求，接收機技術(shù)面臨著新的機遇和挑戰(zhàn)。通常采用GNSS 接收機環(huán)路優(yōu)化和慣性信息輔助。在接收機環(huán)路中引入慣性信息輔助接收機跟蹤，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)來承受載體的動態(tài)應(yīng)力，提高衛(wèi)星接收機的動態(tài)適應(yīng)性，綜合結(jié)果可用于修正慣性導(dǎo)航系統(tǒng)形成優(yōu)勢互補的導(dǎo)航信息輸出。將慣性信息引入接收機環(huán)路屬于深度組合的范疇，在較低層次實現(xiàn)信號融合和互助，可以更有效地提高接收機的動態(tài)適應(yīng)性。

1 高動態(tài)環(huán)境下北斗接收機跟蹤環(huán)路分析

1.1 傳統(tǒng)接收機載波跟蹤特性研究

北斗衛(wèi)星接收機作為導(dǎo)航定位授時設(shè)備，在結(jié)構(gòu)上分為射頻前端、基帶處理模塊和導(dǎo)航解決方案模塊三部分。射頻前端通過天線接收到衛(wèi)星下行信號后，首先通過混頻機制進行下變頻，目的是將高頻衛(wèi)星信號轉(zhuǎn)換為微處理器可以處理的中頻信號。基帶處理模塊接收到射頻前端處理后的中頻信號后，會在本地復(fù)制一個載波和測距碼，實現(xiàn)載波和碼的剝離。因此，基帶處理模塊要不斷檢測本地復(fù)制的載波和編碼與實際接收的中頻信號的差異，及時調(diào)整本地信號。如果本地復(fù)制的載體和編碼不準(zhǔn)確，會降低載體和編碼剝離后的導(dǎo)航電文質(zhì)量，嚴(yán)重時無法解調(diào)導(dǎo)航電文。所以基帶處理模塊是一個動態(tài)調(diào)整載波和編碼的過程。

1.2 北斗載波自適應(yīng)跟蹤環(huán)路總體設(shè)計

北斗載波自適應(yīng)跟蹤環(huán)路包括傳統(tǒng)接收機的載波鑒相器、環(huán)路濾波器和載波NCO。此外，還設(shè)計了噪聲比檢測模塊、載波動態(tài)檢測模塊和載波參數(shù)自適應(yīng)更新模塊。通過添加這三個功能模塊，可以提高接收機的性能。負(fù)載噪聲比檢測模塊提供電流載波與回路噪聲之間的關(guān)系；載波動態(tài)檢測模塊計算出載體與衛(wèi)星在視線方向上的相對運動參數(shù)；載波參數(shù)自適應(yīng)模塊通過識別負(fù)載噪聲比和載波動態(tài)參數(shù)來計算和更新環(huán)路濾波器的帶寬和階數(shù)。北斗載波自適應(yīng)跟蹤環(huán)路系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1：北斗載波自適應(yīng)跟蹤環(huán)路系統(tǒng)方案圖

該系統(tǒng)由二階回路和三階回路組成。跟蹤過程是通過檢測識別環(huán)境因素和動態(tài)調(diào)整環(huán)路參數(shù)來完成的。載波跟蹤環(huán)路根據(jù)載波動態(tài)得到二階和三階NCO 控制信號權(quán)重，使一階濾波器和二階濾波器同時工作在載波跟蹤環(huán)路中。目的是避免頻繁循環(huán)切換導(dǎo)致的濾波不連續(xù)，導(dǎo)致失鎖和無法輸出導(dǎo)航數(shù)據(jù)位流。當(dāng)載波動態(tài)較大時，三階回路起主導(dǎo)作用。當(dāng)載波是動態(tài)的時，二階回路起主導(dǎo)作用。同時，環(huán)路通過檢測載波動態(tài)和信號負(fù)載噪聲比，自適應(yīng)地更新二階和三階環(huán)路的噪聲帶寬。通過不斷迭代，得到當(dāng)前動態(tài)下的最優(yōu)帶寬，保證了失鎖，引入的噪聲更少，使解調(diào)后的導(dǎo)航數(shù)據(jù)碼流具有更高的質(zhì)量。

2 基于慣性輔助的高動態(tài)北斗載波跟蹤增強算法研究

2.1 慣性輔助北斗接收機跟蹤環(huán)路數(shù)學(xué)模型的建立

針對環(huán)路的動態(tài)適應(yīng)性與跟蹤精度之間的矛盾，設(shè)計了慣性輔助接收機的載波跟蹤環(huán)路模型。該模型細(xì)化了輔助過程，與現(xiàn)有方案相比，增加了輔助延遲的影響因素。慣性傳感器和衛(wèi)星接收機安裝在同一載體上，通過陀螺儀和加速度計感應(yīng)車輛位置、速度和姿態(tài)的慣性，并通過視線方向投影將載體的速度傳遞給載體和衛(wèi)星凝視方向，這樣就可以使用慣性信息載體，載波多普勒信息輔助環(huán)路。在傳統(tǒng)的接收器回路的基礎(chǔ)上，該回路引入了慣性信息。通過將慣性信息與環(huán)路濾波器的輸出信息相結(jié)合，共同控制數(shù)字壓控振蕩器。

考慮到工程實踐中，多普勒輔助信息存在姿態(tài)轉(zhuǎn)換、視線投影、慣性更新率、信號傳輸?shù)戎T多時延，因此增加輔助時延環(huán)路，使仿真環(huán)節(jié)更加貼近實際。通過對上述示意圖進行數(shù)學(xué)建模，可以得到慣性輔助北斗接收機跟蹤環(huán)路在S 域的系統(tǒng)模型和傳遞函數(shù)。在傳統(tǒng)接收機環(huán)路的基礎(chǔ)上，在數(shù)字壓控振蕩器前引入慣性前饋信息。因此，接收機中多普勒頻移的測量分為兩個獨立的分支，它們的測量互不干擾，互不影響。因此，整個回路的分析可以分為兩部分，傳統(tǒng)的接收機支路和慣性輔助支路。

2.2 慣性輔助北斗自適應(yīng)跟蹤環(huán)路仿真實驗驗證

仿真條件設(shè)置：

將傳統(tǒng)的PLL 環(huán)路與本文提出的PLL&INS 載波自適應(yīng)跟蹤環(huán)路進行比較。分別設(shè)置不同的動態(tài)，比較分析兩種跟蹤方案的差異。仿真IMU 參數(shù)采用表1所示的IMU 精度指標(biāo)，慣性輔助延遲設(shè)置為0.1ms。

表1：MEMS 慣性器件仿真誤差參數(shù)

從圖2 可以看出，PLL&INS 自適應(yīng)載波跟蹤環(huán)路在51ms 切換到PLL 和INS 集成的跟蹤策略，環(huán)路仍然可以輸出有效信息。

圖2：PLL&INS 自適應(yīng)載波跟蹤環(huán)路策略切換圖

從圖3 可以看出，PLL 和 INS 的加權(quán)融合策略在3.021s 后首先切換到，輔助PLL 策略在20ms 后切換到。

圖3：PLL&INS 自適應(yīng)載波跟蹤環(huán)路策略切換圖

通過以上三個對比測試可以發(fā)現(xiàn)，PLL&INS 自適應(yīng)載波跟蹤環(huán)路通過檢測載波所在的動態(tài)場景，選擇載波所在的動態(tài)場景，將信號鎖定在低動態(tài)、動態(tài)切換和高動態(tài)等不同階段自適應(yīng)跟蹤策略?？梢钥闯觯琍LL&INS 自適應(yīng)載波跟蹤環(huán)路在相同的初始帶寬和動態(tài)條件下具有更可靠的跟蹤性能。

3 結(jié)語

在此研究的基礎(chǔ)上，研究了傳統(tǒng)北斗衛(wèi)星接收機在高動態(tài)場景下的性能增強方案并實現(xiàn)了軟件實現(xiàn)。深入分析高動態(tài)場景對接收機環(huán)路和衛(wèi)星信號的影響是改進工作的前提。在此基礎(chǔ)上，為提高北斗衛(wèi)星接收機的整體性能，應(yīng)從接收機自身環(huán)路優(yōu)化、外部信息輔助等不同角度研究性能增強方案。