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      一種FLL 輔助PLL 的GNSS 接收機矢量跟蹤環(huán)路

      2022-07-28 09:06牟明會顧明星王勝正
      現(xiàn)代電子技術(shù) 2022年15期
      關(guān)鍵詞:標(biāo)量環(huán)路載波

      劉 衛(wèi),牟明會,顧明星,胡 媛,王勝正

      (1.上海海事大學(xué) 商船學(xué)院,上海 201306;2.上海海洋大學(xué) 工程學(xué)院,上海 201306)

      0 引 言

      全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System,GNSS)已廣泛應(yīng)用于軍事和民用領(lǐng)域,成為最受用戶歡迎的導(dǎo)航方法之一。GNSS 接收機設(shè)計主要包括捕獲、跟蹤、解算三個環(huán)節(jié),跟蹤環(huán)節(jié)逐步精細估計載波頻率和碼相位值,獲取偽距、偽距率信息,在解算環(huán)節(jié)結(jié)合衛(wèi)星位置解算出接收機位置、速度、時間信息。傳統(tǒng)的GNSS 跟蹤環(huán)路是借助載波跟蹤環(huán)路(簡稱載波環(huán))和碼跟蹤環(huán)路(簡稱碼環(huán))完成的,其中碼環(huán)實現(xiàn)形式通常表現(xiàn)為延遲鎖定環(huán)路(DLL),而載波環(huán)通常有相位鎖定環(huán)路(PLL)和頻率鎖定環(huán)路(FLL)兩種。然而,動態(tài)環(huán)境中的GNSS 環(huán)路跟蹤存在載波頻率和碼頻率波動問題,大幅度的頻率波動會影響跟蹤性能,從而直接影響導(dǎo)航定位效果。

      GNSS 環(huán)路濾波器以比例積分濾波(PIF)為主,其利用載波相位差或載波頻率差,結(jié)合環(huán)路濾波參數(shù)及相干積分時間確定當(dāng)前時刻最佳相位或頻率,從而完成環(huán)路跟蹤。GNSS 環(huán)路跟蹤精度主要受熱噪聲和動態(tài)應(yīng)力誤差兩部分因素影響,相較于PLL,F(xiàn)LL 能更加魯棒地容忍用戶的動態(tài)應(yīng)力,能跟蹤信噪比更低的信號,然而,F(xiàn)LL 輸出的載波相位測量值不夠精確,并且數(shù)據(jù)解調(diào)過程中發(fā)生的比特錯誤率更高。綜合考慮到PLL 與FLL 優(yōu)缺點,文獻[5]將FLL 與PLL 結(jié) 合 起 來,以FLL 輔助PLL 的方式估計載波頻率,經(jīng)過穩(wěn)定狀態(tài)下的功率譜分析、均值及方差比較,結(jié)果表明FLL 輔助PLL 的環(huán)路跟蹤方式能在環(huán)路噪聲與載體動態(tài)性之間做出平衡,從而優(yōu)化環(huán)路跟蹤性能。但缺點是載體運動參數(shù)需要根據(jù)接收機所處環(huán)境的信噪比、動態(tài)應(yīng)力情況預(yù)先調(diào)整,這制約了該環(huán)路結(jié)構(gòu)在實時場景下的應(yīng)用。

      為了充分利用跟蹤環(huán)節(jié)中的環(huán)路狀態(tài)量,更具有普遍適應(yīng)性的矢量跟蹤(Vector Tracking,VT)被提出。不同于傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤,VT 結(jié)構(gòu)將GNSS 跟蹤環(huán)節(jié)和解算環(huán)節(jié)緊密相連,利用載波頻率差、碼相位差,計算偽距差、偽距率差,通過導(dǎo)航濾波更新導(dǎo)航結(jié)果,并將導(dǎo)航結(jié)果送入跟蹤環(huán)路,實現(xiàn)所有通道之間的信息共享。矢量跟蹤結(jié)構(gòu)自提出以來,經(jīng)過不斷發(fā)展,文獻[7]以VT 為基礎(chǔ),將載波環(huán)輸出的多普勒頻移信息和碼環(huán)輸出的碼相位信息送入導(dǎo)航濾波器進行導(dǎo)航解算,并利用解算環(huán)節(jié)的偽距信息實時更新碼頻率,輔助環(huán)路跟蹤。但其載波環(huán)路實現(xiàn)形式仍然是單一的PIF 環(huán)路,動態(tài)環(huán)境中GNSS 載波相位或頻率測量值精度低,易造成環(huán)路失鎖并影響定位結(jié)果。

      為改善動態(tài)環(huán)境中載波頻率和碼頻率的波動問題,提高定位精度,本文提出一種FLL 輔助PLL 的GNSS 矢量跟蹤結(jié)構(gòu)。首先確定導(dǎo)航跟蹤與導(dǎo)航解算的系統(tǒng)模型,包括FLL 輔助PLL 的載波跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)設(shè)計、矢量碼環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計和導(dǎo)航解算部分的卡爾曼濾波(KF)狀態(tài)模型和量測模型。實驗結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤方法,本文所提出的FLL 輔助PLL 的矢量跟蹤方法能夠在動態(tài)環(huán)境下輸出較小的載波頻率和碼頻率誤差,且具有更高的定位精度。

      1 標(biāo)量跟蹤結(jié)構(gòu)

      傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤結(jié)構(gòu)如圖1 所示。接收的射頻信號經(jīng)過降頻量化后,轉(zhuǎn)化為數(shù)字中頻信號()。每個通道的數(shù)字中頻信號首先與本地載波振蕩器復(fù)制的載波信號(包括同相支路I 和反相支路Q)進行混頻,然后與本地碼發(fā)生器復(fù)制的超前(Early)、即時(Prompt)、滯后(Late)碼信號進行相關(guān),經(jīng)積分-清除后得到相干積分結(jié)果。環(huán)路鑒別器根據(jù)6 個相干積分結(jié)果可以估算出載波相位差和碼相位差,并由環(huán)路濾波后作為載波數(shù)控振蕩器(NCO)和碼NCO 的控制輸入。標(biāo)量跟蹤結(jié)構(gòu)的碼環(huán)為DLL,載波環(huán)為PLL 或FLL。如圖1 所示,每個跟蹤通道之間相互獨立,偽距差、偽距率差被送入導(dǎo)航解算部分,通過KF 實現(xiàn)導(dǎo)航信息解算。

      圖1 標(biāo)量跟蹤結(jié)構(gòu)

      2 矢量跟蹤結(jié)構(gòu)

      本文提出的FLL輔助PLL的矢量跟蹤結(jié)構(gòu)如圖2所示。

      圖2 FLL 輔助PLL 的矢量跟蹤結(jié)構(gòu)

      載波環(huán)部分通過FLL 輔助PLL 的形式更新載波相位值,控制載波NCO 的輸入從而保持環(huán)路鎖定。其中,PLL 采用三階環(huán)路濾波,F(xiàn)LL 采用二階環(huán)路濾波。碼環(huán)矢量結(jié)構(gòu)以KF 為導(dǎo)航處理器,將導(dǎo)航解算部分的偽距信息反饋到碼NCO,調(diào)整各跟蹤通道的碼頻率,以此跟蹤GPS 偽碼信號并實現(xiàn)所有通道的信息共享。對于導(dǎo)航濾波器,除碼環(huán)輸出的碼相位信息外,載波環(huán)濾波輸出的多普勒頻移信息也送入KF 中,計算接收機位置、速度、時間信息。

      2.1 載波環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計

      載波環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計包括三階PLL 設(shè)計、二階FLL 設(shè)計和FLL 輔助PLL 設(shè)計共三部分。PLL 和FLL 設(shè)計均采用PIF 形式,分別更新環(huán)路狀態(tài)量,最后通過線性組合獲得載波相位值從而控制載波NCO 輸入。

      2.1.1 三階PLL 設(shè)計

      PLL 是以鎖定輸入信號載波相位為目標(biāo)的一種載波環(huán)實現(xiàn)方式?;赑IF 的三階PLL 通過預(yù)測載波相位、載波角頻率和載波角頻率率(載波角頻率的變化率)實現(xiàn)載波信號的跟蹤鎖定。

      載波相位鑒別器鑒別時刻的載波相位差Δθ

      式中:IQ分別表示時刻即時同相支路和正交支路的相干積分值。

      三階PLL 結(jié)合當(dāng)前時刻的狀態(tài)量x,計算下一時刻的狀態(tài)量x

      2.1.2 二階FLL 設(shè)計

      FLL 是以鎖定輸入信號載波頻率為目標(biāo)的一種載波環(huán)實現(xiàn)方式?;赑IF 的二階FLL 通過預(yù)測載波頻率和載波頻率率(載波頻率的變化率)實現(xiàn)載波信號的跟蹤鎖定。

      載波頻率鑒別器鑒別-1 和兩相鄰時刻的角頻率差Δ?

      二階FLL 結(jié)合當(dāng)前時刻的狀態(tài)量x,計算下一時刻的狀態(tài)量x

      2.1.3 FLL 輔助PLL 設(shè)計

      時刻三階PLL 參與反饋到載波NCO 的值為:

      時刻二階FLL 參與反饋到載波NCO 的值為:

      通過線性組合,得到最終反饋到載波NCO 的載波相位為:

      通過更新的載波相位值,反饋到載波NCO 復(fù)制出本地載波信號,與輸入信號混頻實現(xiàn)載波穩(wěn)定跟蹤。

      2.2 矢量跟蹤環(huán)設(shè)計

      碼相位鑒別器鑒別接收碼和復(fù)制碼之間的碼相位差Δτ

      碼相位差Δτ經(jīng)線性轉(zhuǎn)換得到偽距誤差Δ:

      式中:為衛(wèi)星信號被發(fā)射時的碼頻率,其值為1.023 MHz。

      利用KF 計算當(dāng)前時刻接收機的位置、接收機鐘差Δ,結(jié)合星歷解算出的衛(wèi)星位置、衛(wèi)星時鐘鐘差Δ、電離層延時、對流層延時、偽距量測噪聲量ε,計算當(dāng)前時刻的偽距值:

      計算時刻的碼頻率值:

      通過更新的碼頻率反饋到碼NCO,調(diào)整各跟蹤通道的碼頻率實現(xiàn)所有通道的信息共享。

      2.3 導(dǎo)航解算

      為了計算接收機的位置、速度、時間信息,并對跟蹤過程與解算過程建立聯(lián)系,選取KF 作為導(dǎo)航濾波器。KF 包括狀態(tài)模型和量測模型兩部分,具體理論如下。

      KF 狀態(tài)量為:

      狀態(tài)模型為:

      狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為:

      式中為KF 更新時間間隔。

      量測量由跟蹤環(huán)路測得的偽距誤差Δ、偽距率誤差Δ˙構(gòu)成。

      KF 的量測模型為:

      其中:

      式中:1,2,…,表示參與定位的衛(wèi)星代號;[I,I,I]是衛(wèi)星在接收機處的單位觀測矢量。

      3 實驗和結(jié)果分析

      3.1 實驗數(shù)據(jù)采集

      為了驗證所提出的FLL 輔助PLL 的矢量跟蹤結(jié)構(gòu)相較于傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤結(jié)構(gòu)有更好的跟蹤性能和定位性能,本文進行了動態(tài)實驗驗證。在本實驗中,中頻信號采集器采集GPS 的L1 波段信號并轉(zhuǎn)換為頻率為3.996 MHz 的中頻信號,采樣頻率為16.369 MHz。

      實驗裝置如圖3 所示,天線設(shè)備安裝在電瓶車車筐頂端,電源和中頻信號采集器在車筐內(nèi)。實驗在上海海事大學(xué)擲球場跑道進行,實驗時長為150 s,實驗場地如圖4所示。

      圖3 實驗裝置

      圖4 實驗場地

      3.2 實驗結(jié)果分析

      根據(jù)所提出的FLL 輔助PLL 的矢量跟蹤環(huán)路結(jié)果進行實驗數(shù)據(jù)處理,分別對衛(wèi)星信號的載波頻率、碼頻率和定位結(jié)果三個參量進行對比分析。

      圖5 和圖6 給出了環(huán)路跟蹤的載波頻率和碼頻率對比結(jié)果,灰色點代表傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤結(jié)果,黑色點代表本文提出的FLL 輔助PLL 的矢量跟蹤結(jié)果。

      圖5 載波環(huán)

      圖6 碼環(huán)

      載波頻率標(biāo)準(zhǔn)差分別為10.663 1 m,9.632 3 m;碼頻率標(biāo)準(zhǔn)差分別為4.011 1 m,1.832 6 m。從圖5、圖6中可以看出,動態(tài)環(huán)境下所提出的FLL 輔助PLL 的矢量跟蹤方法相較于傳統(tǒng)標(biāo)量跟蹤方法具有更高的跟蹤精度,GNSS 跟蹤環(huán)路輸出的載波頻率和碼頻率波動性明顯更小。載波環(huán)精度提高是因為FLL 輔助PLL 的載波跟蹤方式可以更穩(wěn)定地跟蹤載波信號。碼環(huán)精度提高是因為矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的碼頻率是通過導(dǎo)航解算部分的偽距信息預(yù)測的,相較于傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤精度更高。標(biāo)準(zhǔn)差計算公式為:

      圖7 對比了兩種方法的定位結(jié)果,星形標(biāo)號代表傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤方法輸出的定位結(jié)果,小圓圈代表本文提出的FLL 輔助PLL 的矢量跟蹤方法輸出的定位結(jié)果。運動過程中,前者的球概率誤差(SEP)為51.637 3 m,后者的SEP 為3.372 6 m。從圖7 中可以看出,使用傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤方法解算出的定位結(jié)果較為分散,定位結(jié)果甚至分布在擲球場中央,部分結(jié)果的高度也不正確,而采用FLL輔助PLL的矢量跟蹤方法所得的定位結(jié)果軌跡效果明顯更好,定位精度更高。SEP計算公式為:

      圖7 定位結(jié)果

      式中:σ為東向標(biāo)準(zhǔn)差;σ為北向標(biāo)準(zhǔn)差;σ為天向標(biāo)準(zhǔn)差。

      4 結(jié) 論

      本文提出了一種FLL 輔助PLL 的矢量跟蹤方法,并通過實驗驗證了該方法的跟蹤及定位性能。分別對所提出方法與傳統(tǒng)方法的載波跟蹤頻率、碼頻率、定位結(jié)果三個參量進行對比分析。實驗結(jié)果表明,相較于傳統(tǒng)的標(biāo)量跟蹤方法,本文提出的FLL 輔助PLL 的矢量跟蹤方法能夠在動態(tài)環(huán)境下輸出較小的載波頻率和碼頻率誤差,且具有更高的定位精度。

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