慣性輔助的高動態(tài)GNSS基帶信號跟蹤技術(shù).pdf

1、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)已經(jīng)組網(wǎng)成功并在亞太地區(qū)提供服務，是全球四大衛(wèi)星導航系統(tǒng)之一。現(xiàn)階段航空航天領(lǐng)域的導航需求日漸迫切，因此北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)的高動態(tài)應用成為研究熱點。本文以高動態(tài)飛行器為應用背景，以GNSS/INS緊組合系統(tǒng)慣性輔助的基帶跟蹤環(huán)路為研究對象，研究速度輔助、加速度輔助、加加速度輔助的PLL結(jié)構(gòu)和輔助方法，并分析輔助的PLL穩(wěn)態(tài)誤差和瞬態(tài)誤差，以實現(xiàn)高動態(tài)衛(wèi)星信號的穩(wěn)定跟蹤。
　　本文的主要工作和創(chuàng)新點包括以下幾個方面：<

2、br>　　1.研究了GNSS/INS緊組合系統(tǒng)的基帶跟蹤環(huán)路表達式，設(shè)計了載波/碼聯(lián)合濾波器。將傳統(tǒng)的離散形式跟蹤環(huán)路表示成狀態(tài)向量形式，結(jié)構(gòu)簡單明確，能夠?qū)崟r輸出碼相位、載波相位、載波多普勒頻率及其變化率。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計了載波/碼聯(lián)合濾波環(huán)路，將載波跟蹤和碼跟蹤在同一環(huán)路濾波器中完成。采用北斗B3頻點數(shù)據(jù)進行驗證，靜態(tài)條件下，三階PLL和一階DLL組成的聯(lián)合濾波環(huán)路相位精度提高27％；高動態(tài)條件下，同階次的獨立濾波環(huán)路不能準確估計4

3、0g高動態(tài)信號的多普勒頻率及其變化率，而聯(lián)合濾波環(huán)路可穩(wěn)定跟蹤，跟蹤誤差約為0.033周(12°,1?)。
　　2.分析了PLL的瞬態(tài)響應過程，采用經(jīng)典控制理論中的高階系統(tǒng)瞬態(tài)指標分析方法、相平面法以及等效的微分方程法對PLL的拖入時間和瞬態(tài)相位誤差極限值進行計算。PLL的穩(wěn)態(tài)誤差和瞬態(tài)誤差均滿足各自閾值的情況下可穩(wěn)定跟蹤。分析和仿真實驗結(jié)果表明，載體-衛(wèi)星視線加速度階躍是引起三階PLL拖出并失鎖的主要原因。
　　3.研究了

4、慣性輔助的PLL結(jié)構(gòu)及其穩(wěn)定性。首先提出了速度和加速度直接輔助和間接輔助兩種輔助方法。直接輔助方法和間接輔助方法各具優(yōu)勢：直接輔助方法瞬態(tài)響應過程迅速，瞬態(tài)性能更優(yōu)；間接輔助方法不受輔助信息誤差偏值的影響。分析了上述輔助方法的PLL穩(wěn)態(tài)誤差和瞬態(tài)誤差，并給出穩(wěn)定跟蹤所需滿足的誤差閾值。其次研究了速度輔助的PLL誤差傳遞機理，并推導了誤差放大系數(shù)。分析結(jié)果表明，速度直接輔助的PLL誤差放大系數(shù)小于間接輔助的PLL。GNSS/INS緊組合系

5、統(tǒng)中輔助信息更新率低于環(huán)路更新率，導致輔助信息時間延遲，研究了輔助信息時間延遲對跟蹤性能的影響。實驗結(jié)果表明，若輔助信息存在時間延遲，直接輔助的PLL跟蹤相位偏差增大，間接輔助的PLL跟蹤相位噪聲增大，上述作用對加速度輔助方式的影響遠小于速度輔助方式。
　　4.采用GNSS信號模擬器生成的高動態(tài)衛(wèi)星射頻信號和同步輸出的慣導數(shù)據(jù)對GNSS/INS緊組合系統(tǒng)樣機進行了定位測速實驗驗證，ECEF坐標系下，載體最大加速度為50g，最大加加

6、速度為5g/s。無輔助情況下，樣機無法跟蹤上述高動態(tài)衛(wèi)星信號。加速度輔助情況下，樣機可穩(wěn)定跟蹤，載體作水平面圓周運動時，三維位置誤差為0.24m(RMS)，速度誤差為0.06m/s(RMS)；載體作往復直線運動時，三維位置誤差為0.39m(RMS)，速度誤差為0.44m/s(RMS)。
　　5.針對存在較高視線加加速度的高動態(tài)應用背景，提出了基于KFPLL的自適應跟蹤方法與加加速度輔助跟蹤方法。其中，自適應KFPLL能夠根據(jù)相位誤

7、差調(diào)整KFPLL濾波器狀態(tài)噪聲矩陣相關(guān)參數(shù)，有效提高無輔助PLL對視線加加速度信號的跟蹤性能。此外，加加速度輔助的KFPLL基于非線性跟蹤微分器，由視線加速度估計視線加加速度，調(diào)整KFPLL濾波器狀態(tài)噪聲矩陣相關(guān)參數(shù)。若采用加速度輔助方法，輔助信息偏差可導致直接輔助的PLL產(chǎn)生相位偏差，視線動態(tài)性變化可導致間接輔助的PLL產(chǎn)生較長的瞬態(tài)過程，加加速度輔助的KFPLL解決了上述問題。采用GNSS模擬器輸出的北斗B3頻點數(shù)據(jù)進行驗證，實驗結(jié)