一种惯性信息辅助卫星信号跟踪环路处理方法与流程

本发明属于卫星接收机基带信号处理领域，涉及一种利用惯性信息辅助卫星接收机跟踪环路处理方法。

背景技术：

惯性导航系统以自主、隐蔽性强、全天候、抗干扰、输出信息量大、输出信息实时性强等突出优点，已成为航空、航天、航海、陆地导航及大地测量等领域不可缺少的重要组成部分，但其高精度会随时间增长而降低。

卫星导航系统(GPS、GLONASS、北斗等)是一种高精度的导航定位系统，可以给用户提供经度、纬度、高度、速度以及时间等信息，在军事领域和民用领域得到了广泛应用。但由于信号易受干扰和载体高动态这两方面的局限性都会导致用户设备无法正常获取卫星信号，因而不能产生定位信息，这很大程度上局限了卫星导航系统的应用。

组合导航是采用两种或两种以上导航系统，形成的性能更高、安全性和可靠性更强的导航方式。惯性导航系统和卫星导航系统在性能上具有很强的互补性，将两者组合不仅可以充分发挥各自的优势，而且随着组合程度的加深，惯性/卫星组合系统的总体性能要远远优于各独立系统。利用卫星导航系统的长期稳定性与适中精度，来弥补惯性导航系统的误差随时间传播或增大的缺点，同时再利用惯性导航系统的短期高精度来弥补卫星导航接收机在受干扰时误差增大或遮挡时丢失信号等的缺点，提高卫星导航的动态性能和抗干扰能力和卫星的重新捕获能力，从而实现完整的高精度、高可靠性、高稳定性、高适用性、持续全天候的导航，广泛应用于海、陆、空、天各领域，包括导弹、飞机、轮船、车辆、机器人等的导航。目前松散、紧密这两种组合模式应用较为广泛。然而，随着高速飞行器、先进飞航导弹等对高精度、高可靠性、高稳定性、高适用性导航性能的需求，深组合逐渐成为惯性/卫星组合系统的最具发展前景的技术。

技术实现要素：

针对上述现有技术，本发明的目的在于提供一种利用惯性信息辅助卫星接收机跟踪环路处理方法，实现卫星接收机在高动态环境下和弱信号环境下的稳定跟踪，在提高卫星接收机跟踪动态性能的同时，提高接收机灵敏度。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案。

本发明的目的在于提供一种利用惯性信息辅助卫星接收机跟踪环路处理方法，包括以下步骤：

步骤一、在无惯性信息辅助情况下，采用传统跟踪环路；

在存在惯性信息辅助情况下，采用惯性辅助载波跟踪环路；传统跟踪环路和惯性辅助载波跟踪环路的切换，由有无惯性信息决定；

步骤二、将惯导输出的载体加速度信息作为惯性辅助信息，加速度信息换算为每一颗跟踪卫星的视距加速度；

步骤三、每一颗视距加速度信息作为惯性辅助信息用于载波二阶跟踪环路；

步骤四、在惯性辅助形式下，二阶载波跟踪环路等效噪声带宽进行压缩；

步骤五、在惯性辅助形式下，二阶载波跟踪环路采用长预检测积分时间。

进一步，所述视距加速度的计算公式为：

式中：为卫星加速度矢量，为用户加速度矢量；f为信号频率，c为光速；

其中：

式中：x_u、y_u、z_u是用户三维位置，x_s、y_s、z_s是卫星空间三维位置；是用户三维加速度分量，是卫星三维加速度分量；

1)(x_u、y_u、z_u)和是惯导提供的辅助信息；

2)(x_s、y_s、z_s)和是接收机在本机完成的计算；(x_s、y_s、z_s)按卫星导航系统ICD文件推荐公式进行计算，此后利用对卫星位置(x_s、y_s、z_s)的二次微分结果，可计算得到卫星的加速度

3)卫星位置和加速度的计算也可以在100～200s分段三次埃米特插值法；

4)要求a_u和a_s同时采样；a_s采用插值计算；

5)环路滤波器运算周期和惯导解算周期相同，为2ms。

进一步，如果每100s按ICD文件计算一次a_s，要求该次计算和惯导2ms采样时间对齐，后续在100s内采用插值的方法。

进一步，锁相环鉴别器为：

式中：φ表示锁相环鉴别器鉴相误差；I_PS表示同相即时支路的相干积分结果；Q_PS表示正交即时支路的相干积分结果；

惯性辅助载波跟踪环路为加速度辅助二阶锁相环形式；

二阶锁相环滤波器系数为：

a₀＝1.414ω₂ (4)

式中：ω₂＝1.6B_LF，B_LF为等效环路噪声带宽，T＝1ms是环路滤波器采样时间间隔，在惯性辅助方式下，取为2Hz，环路增益K＝1；

k1、k2是加速度积分环节系数：

k1＝T²/2×K_n (6)

k2＝T²/6×K_n (7)

K_n＝6×f_c/c是环路增益，其中，f_c是载波频率，c是光速。

进一步，传统载波跟踪环路为二阶锁频环辅助三阶锁相环的形式；

锁频环鉴频器采用叉积鉴频实现精确的频率跟踪，计算公式为：

Cross＝Q_ps[k]·I_ps[k-1]-I_ps[k]·Q_ps[k-1] (8)

则归一化叉积鉴频器输出e_fk为：

式中：T_ID＝1ms，为积分清除器的积分间隔时间；

锁相环鉴别器为：

式中：φ表示锁相环鉴别器鉴相误差；I_PS表示同相即时支路的相干积分结果；Q_PS表示正交即时支路的相干积分结果；

二阶载波环路滤波器系数为：

b₀＝1.414ω₁T (10)

式中：T为滤波器输入采样时间间隔，T＝1ms；ω₁＝1.6B_LF为环路的自然频率，B_LF＝2Hz为环路等效噪声的带宽；

三阶锁相环环路滤波器系数为：

a₀＝2.4ω₀(12)

式中：ω₀＝1.2B_LF，B_LF＝10Hz为跟踪环路等效噪声带宽，T＝1ms是环路滤波器采样时间间隔。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明一种利用惯性信息辅助卫星接收机跟踪环路处理方法，充分利用惯性\卫星组合导航系统信息融合，提升了系统高动态跟踪性能和跟踪灵敏度，适合于弹载、机载等高动态应用环境。卫星接收机同时存在两种跟踪环路，传统跟踪环路和惯性信息辅助下的跟踪环路可以实现无缝切换，确保卫星接收机信号跟踪的稳定；在惯性\卫星组合导航系统中，在系统启动过程中，惯导首先进行对准，此时无惯性信息输出或惯性信息输出误差较大，此时采用传统跟踪环路；当惯导对准结束后，卫星接收机可以利用惯性信息进行辅助，此时接收机对于高动态跟踪和弱信号跟踪有着更高的性能。

本发明一种利用惯性信息辅助卫星接收机跟踪环路处理方法，在传统跟踪环路的基础上增加加速度信息辅助量，算法应用简单，无复杂或运算量巨大的算式，实时性和运算量方面都可保证在DSP或FPGA硬件平台上的算法编程实现，即易于工程实现。

附图说明

图1是惯性信息辅助下的载波跟踪环路形式示意图；

图2是惯性信息辅助跟踪环路滤波器形式示意图；

图3是传统跟踪环路滤波器形式示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明一种利用惯性信息辅助卫星接收机跟踪环路处理方法作详细说明。

本发明一种利用惯性信息辅助卫星接收机跟踪环路处理方法，包括以下步骤：

步骤一、在无惯性信息辅助情况下，采用传统跟踪环路；在存在惯性信息辅助情况下，采用惯性辅助形式的跟踪环路；两种环路的切换，由有无惯性信息决定；

步骤二、惯导输出的载体加速度信息作为惯性辅助信息，加速度信息换算为每一颗跟踪卫星的视距加速度信息；

步骤三、每一颗视距加速度信息作为惯性辅助量用于载波二阶跟踪环路；

步骤四、在惯性辅助形式下，二阶载波跟踪环路等效噪声带宽进行压缩，如5Hz以下；

步骤五、在惯性辅助形式下，二阶载波跟踪环路采用长预检测积分时间，如对于GPS可采用5ms、10ms积分时间；

(1)视距加速度计算：

视距加速度的计算公式为：

式中：为卫星加速度矢量，为用户加速度矢量；f为信号频率，c为光速；

其中：

式中：x_u、y_u、z_u是用户三维位置，x_s、y_s、z_s是卫星空间三维位置；是用户三维加速度分量，是卫星三维加速度分量；

1)(x_u、y_u、z_u)和是惯导提供的辅助信息；

2)(x_s、y_s、z_s)和是接收机在本机完成的计算；(x_s、y_s、z_s)按卫星导航系统ICD文件推荐公式进行计算，此后利用对卫星位置(x_s、y_s、z_s)的二次微分结果，可计算得到卫星的加速度

3)卫星位置和加速度的计算也可以在100～200s分段三次埃米特插值法，以节省运算量；

4)要求a_u和a_s同时采样，如果惯导对于a_u是2ms采样，则卫星a_s也是2ms计算；但是a_s每次按ICD文件推荐公式计算，运算量会很大，采用插值算法是合适的；如果每100s按ICD文件计算一次a_s，要求该次计算和惯导2ms采样时间对齐，后续在100s内采用插值的方法；

5)环路滤波器运算周期和惯导解算周期相同，为2ms；

(2)惯性辅助锁相环鉴别器设计；

锁相环鉴别器为：

式中：φ表示锁相环鉴别器鉴相误差；I_PS表示同相即时支路的相干积分结果；Q_PS表示正交即时支路的相干积分结果；在低信噪比时接近最佳，斜率与信号幅度的平方成正比，运算量要求适中；

(3)惯性辅助载波跟踪环路设计；

惯性辅助载波跟踪环路采用加速度辅助二阶锁相环形式，如图2所示；

二阶锁相环滤波器系数为：

a₀＝1.414ω₂ (4)

式中：ω₂＝1.6B_LF，B_LF为等效环路噪声带宽，T＝1ms是环路滤波器采样时间间隔，在惯性辅助方式下，取为2Hz，环路增益K＝1；

在图2中，k1、k2是加速度积分环节系数：

k1＝T²/2×K_n (6)

k2＝T²/6×K_n (7)

K_n＝6×f_c/c是环路增益，其中，f_c是载波频率，c是光速；

(4)传统载波跟踪环路设计；

传统载波跟踪环路采用二阶锁频环辅助三阶锁相环的形式，如图3所示；

锁频环鉴频器采用叉积鉴频实现精确的频率跟踪，计算公式为：

Cross＝Q_ps[k]·I_ps[k-1]-I_ps[k]·Q_ps[k-1] (8)

则归一化叉积鉴频器输出e_fk为：

式中：T_ID＝1ms，为积分清除器的积分间隔时间；相对于其它方法，该方法在低信噪比时性能接近最优，有中等的运算量要求。

在图3中，二阶载波环路滤波器系数为：

b₀＝1.414ω₁T (10)

式中：T为滤波器输入采样时间间隔，T＝1ms；ω₁＝1.6B_LF为环路的自然频率，B_LF＝2Hz为环路等效噪声的带宽；

在图3中，三阶锁相环环路滤波器系数为：

a₀＝2.4ω₀ (12)

式中：ω₀＝1.2B_LF，B_LF＝10Hz为跟踪环路等效噪声带宽，T＝1ms是环路滤波器采样时间间隔。