硬件可实现的GNSS/INS矢量深组合跟踪环路（英文）

GNSS矢量跟踪环路(VTL)跟踪灵敏度和定位精度优于标量跟踪环路(STL),但实现复杂度高,三个主要难点是:多通道联合跟踪要求各通道同时获取观测量并在同一时刻更新环路参数;高频率计算卫星位置加重处理器运算负担;无法跟踪载波相位导致无法解调导航电文。以上三个难点阻碍VTL在硬件平台上实现,因此商业接收机通常使用容易硬件实现的STL,但性能次优。为了在嵌入式硬件平台上实现VTL,引入三种方法:异步观测量线性插值、卫星位置计算算法优化、特殊的导航电文解调方法,之后通过仿真验证优化算法的功能及性能。使用航迹发生器生成飞机协调转弯航迹,再使用GNSS卫星信号模拟器产生中频采样信号,基于Matlab平台处理数据并进行了对比分析。仿真结果表明该VTL计算卫星位置效率提升55倍,成功解调导航电文,VTL位置精度优于3 m,速度精度优于0.3 m/s,基于该VTL的矢量深组合(VDI)算法位置精度优于2 m,速度精度优于0.1 m/s。     

环路跟踪卡尔曼滤波算法的性能分析

基于卡尔曼滤波的环路跟踪算法多是通过一定仿真证明算法性能,没有系统性性能评估,难以较好指导工程应用。在原有算法基础上进行了优化,并系统性地对比分析、评估了基于卡尔曼环路滤波算法性能,以期为算法工程化提供指导。首先提出对跟踪环路反馈调整量进行预测,使之更符合系统实际,减小环路跟踪误差。而后基于卫星信号模拟器输出信号和自生产信号源,充分评估基于卡尔曼滤波环路跟踪算法的收敛时间和灵敏度。仿真结果表明,相比目前工程常用的二阶FFL辅助三阶PLL算法,基于卡尔曼滤波环路跟踪算法能够缩短环路所需稳定时间约90%,并能提升跟踪灵敏度约5 d B,有效改善弱信号场景中接收机输出信息的完好性和连续性。     

北斗/INS深耦合接收机基带滤波器设计

随着北斗导航系统的组网,北斗/INS深耦合接收机的研制具有重要价值。传统的接收机基带滤波环路通常为相互独立的载波环路滤波器与码环路滤波器,码环路无法充分利用载波环路的信息,因此码环的动态性能受到限制。设计了载波/码组合滤波器,将载波环与码环的测量信息在一个滤波器内进行耦合,实时估计码相位、载波相位、多普勒频移与其变化率。通过北斗B3频点实际静态数据和GNSS模拟器采集的卫星-用户视线方向40g高动态数据进行离线跟踪测试,载波/码组合滤波环路可跟踪40g高动态信号,且静态数据的跟踪精度相比传统滤波环路提高27%。上述算法成功应用于基于Xilinx平台的卫星信号处理设备在线跟踪。提出的组合滤波器结构简单,测试有效,为北斗/INS深耦合接收机的工程实现提供参考。     

一种GNSS/SINS容错深组合导航系统设计

卫星惯性深组合导航技术是卫星惯性组合导航领域最有前景的技术之一。深组合导航系统的关键技术之一就是矢量跟踪环路技术,当一个或者多个通道信号质量较差时,组合导航滤波器必然会受影响,从而会影响矢量跟踪环路的参数计算,因此通道运行状态的实时检测十分必要。针对此问题,为每个通道设计了新的通道子滤波器和对应的子滤波器状态检测函数,当通道存在故障时,能够及时检测出故障并对故障通道进行隔离;当通道恢复正常时,也能够及时检测到并充分利用恢复正常的通道卫星信号。仿真结果表明,在部分通道卫星信号被遮挡导致伪距异常的环境下,改进的矢量跟踪环路提高了矢量跟踪卫星惯性深组合的导航性能,有效遏制了故障通道对组合导航系统的影响。     

基于环路相关积分观测的SINS/GPS深组合导航算法

深组合模式下惯性系统与卫星接收机基带信号进行深层次融合,可实现惯性和卫星导航系统的双向辅助。在分析深组合技术原理的基础上,研究了直接利用相关积分输出作为观测量构建环路预处理滤波器的方法,有效减小了传统跟踪环路中信号参量的估计误差;然后设计了基于环路相关观测信息的深组合系统主滤波器模型,实现了原跟踪环路中复制信号生成的外部控制;最后,利用深组合仿真平台对卫星信号载噪比变化环境下的紧组合与深组合性能进行实验对比分析,结果表明深组合算法在弱信号环境下具有环路失锁后快速恢复跟踪的特点及稳定的导航性能。     

矢量频率跟踪辅助锁相环的设计与实现

由于传统卫星导航矢量跟踪环路使用矢量频率跟踪环路,无法实现对载波相位的跟踪,难以实现载波平滑码伪距,其定位和测速精度较低。针对上述问题,提出了一种新型面向高精度的矢量跟踪算法,采用矢量频率锁定环辅助锁相环代替传统的频率锁定环路辅助锁相环,通过矢量频率跟踪环路实现更精确的频率跟踪,再进行载波相位跟踪和码相位平滑,从而提高接收机的载波相位跟踪和定位性能。给出了上述结构的理论性能分析结果,并通过模拟信号和软件接收机进行了静态和动态两种场景的实验验证。结果证明,矢量频率跟踪辅助锁相环能够充分利用多个信号跟踪通道的矢量关系,在10个卫星同时跟踪的条件下,将载波相位原始观测量精度提高16%,速度精度提高40%左右。     

基于实时调节GPS射频前端采样周期的INS辅助GPS组合导航方法

为了提高GPS卫星接收机在高动态环境下的跟踪能力,提出了一种基于GPS射频前端采样周期实时调节的INS辅助GPS组合导航方法。首先通过组合滤波器将INS导航信息和GPS导航信息进行融合,修正INS导航信息误差。然后利用修正后的INS导航信息和GPS导航电文,实时计算出载体相对于每颗卫星的多普勒频移,并将得到的多普勒频移换算为GPS中频信号载波的波长变化。最后根据载波的波长变化实时调节GPS接收机射频前端ADC的采样时间间隔,补偿因为多普勒频移导致的中频数字信号采样点变化,隔离多普勒频移对GPS接收机跟踪环路的影响。仿真结果表明,此方法可以在不改变传统GPS接收机跟踪环路结构的前提下,显著提升GPS接收机的高动态性能,即使在多普勒频移变化率为5000 Hz/s的情况下,GPS跟踪环路仍能可靠工作。     

一种低复杂度的惯性/GNSS矢量深组合方法

针对标量跟踪中接收机各跟踪通道相互独立,通道之间没有信息交互和相关辅助的现象,提出了一种惯性/GNSS矢量深组合方法。该方法将接收机标量跟踪独立的跟踪通道合并为一个大通道,通过所有通道信息联合对各通道控制信息进行估计,一方面降低了通道噪声,另一方面能够实现强信号通道对弱信号通道的辅助,进一步提升接收机的跟踪灵敏度。此外,它将惯导滤波与接收机滤波融合为一个滤波器,降低了计算复杂度,易于工程实现。仿真结果表明,所提出算法相比标量深组合算法,能够有效改善多普勒频率误差、灵敏度以及速度、高度误差,将多普勒频率误差从原来的9.21 Hz降低到0.94 Hz,速度误差改善约33.3%,高度误差减少1.5～2 m。     

基于软件GPS接收机的高动态跟踪环路设计

介绍了三阶载波跟踪环路的设计方法,并在MATLAB软件上通过低动态实验和高动态仿真实验对设计的跟踪环路性能进行验证。低动态实验采用中频信号采样器采集的真实GPS信号,高动态实验采用GPS信号仿真器生成的高动态仿真信号。实验结果表明,基于软件GPS接收机设计的二阶载波跟踪环路可满足一般低动态要求,而三阶载波环路则可满足载体相对于卫星加速度为10个g的高动态要求。     

惯导速度辅助下GNSS高精度定位

传统的卫星导航接收机无法同时适应高动态和高精度要求。对于10g以上的加速度,高精度接收机很难达到高精度的指标,甚至基带环路失锁无法正常导航定位。针对GNSS动态条件下高精度定位需求,引入惯性/卫星深组合导航技术,在应用惯性信息辅助接收机减小基带跟踪环路带宽基础上,采用码片窄相关方法降低伪距抖动误差,提高动态条件下GNSS伪距定位精度。仿真结果表明:通过惯性信息辅助跟踪环路可实现较小跟踪环路带宽下的稳定跟踪;在此基础上,通过码片窄相关方法并提高射频前端带宽可实现定位精度的提高。对比传统的伪距定位方法,定位精度(1?)从6 m提高到3 m左右。