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一种深组合导航系统技术问题分析王新龙，于洁（北京航空航天大学宇航学院，北京 ）摘 要：为了满足高动态用户及强干扰条件下的应用需求，提出了一种基于卫星信号矢量跟踪的 深组合导航方法，设计了基于 硬件平台的实施方案。 利用组合卡 尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪环路，能够同时完成所有可视卫星 信号的跟踪和导航信息处理；通过矢量跟踪算法对所有可视卫星信号进行集中处理，能够增强 跟踪通道对信号载噪比变化的适应能力，从而提高接收机在强干扰或信号中断条件下的跟踪 性能；根据 导航参数和星历信息推测 伪码相位和多普勒频移等参数，用以辅助卫 星信号的捕获和跟踪，能够大大缩短接收机的搜索捕获时间，并增强接收机在高动态条件下的 跟踪性能。 基于矢量跟踪的深组合方法不仅在 信号短暂中断期间，能够保证系统的导航 精度和可靠性，而且在强干扰环境中能够维持较好的伪码相位和载波频率跟踪性能。关键词：深组合；矢量跟踪；高动态；强干扰；伪码相位；载波频率中图分类号：文献标志码：文章编号：（）恢复， 无法进行导航解算。引言为 解 决 高 动 态 应 用 条 件 带 来 的 问 题，捷联惯性 导 航 系 统 （）和 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， 组 合 系 统 的 总 体 性 能 要 远 远 优 于 各 独 立 系 统。 目前松 散、紧 密 这 两 种 组 合 模 式 应 用 较 为 广 泛。 然而，随 着 高 机 动 性 飞 行 器 的 发 展 和 应用领域的扩展，高动态、强干扰应用环境对组合 系 统 中 接 收 机 的 动 态 性 能 提 出 了 更 高 要 求。 高动态环境给 接收机带来的主要问题 有：）高动态使载波产生较大的多普勒频移，要使 载波跟踪环路保持锁定，必须增加环路带宽，这样 就导致环路的噪声抑制能力下降，噪声电平超过门 限时就会使载波跟踪失锁。）高动态环境下伪码 也会产生动态时延和频移，使得码跟踪环难以跟踪 码相位的变化，且重捕获时间很长，易导致导航解 发散。）载波跟踪失锁使导航电文调制数据无法等人 提 出 了 基 于 跟 踪 环 的 深 组 合 也 称为超紧组合方案。 这种组合方案改变了 传 统 接 收机跟踪环路的结 构，能 够 大 幅 度 地 提 升 接收机以及整个系统的可靠性和导航精度等性能。为了满足高动态用户及强噪声干扰条件下的应用需求，深组合逐渐成为 组 合 系 统 的 新 一代设计模式。在松散、紧密组合系统中，接收机跟踪 通 道 之 间相互 独 立。 这 种 跟 踪 环 路 存 在 以 下 缺 点：一 方 面，由于环路滤波器的增益和带宽是固定的，对所 有的相位误差都按照相同的权重处理，从而无法适 应信号载噪比变化；另一方面，因不同跟踪通道之 间相互独立，使 已 有 的 导 航 信 息 无 法 得 到 充 分 利 用。 与松散组合、紧密组合不同，深组合系统取消 了传统的跟踪环路，将组合的概念应用到了接收机 内部结构中，利用特定的算法同时完成卫星信号跟 收稿日期：基金项目：国家自然科学基金（批准号：）资助的课题联系人：王新龙 ：；踪与组合导航信息处理。 它能够利用组合滤波器的估计信息，缩短 信号失锁后的重捕获时间， 并为 跟踪通道提供速度辅助信息，从 而 扩 展 接收机的信号跟踪能力；在信号衰减、射频干 扰等导致的低载噪比环境中，这种深组合方法对接 收机跟踪性能的提高尤为显著。 深 度组合是一个新概念，目前已有部分理论和仿真方 面的文章发表，但有关系统整体硬件组成及如何实 现的文章则很少。基于此，对这种适用于高动态、强干扰 条 件 下 的新型 深组合导航系统的硬件实现方 案及关键技术进行了研究与分析。波器的跟踪环路来跟踪卫星信号。 跟踪环路在信号功率较高、载体机动性较低的环境中运行良好，但是在恶劣环境中却往往无法正常运行甚至失锁。为了提高 接收机 在 载 体 高 动 态、强 干 扰 环 境的跟踪性能，提出了一种基于矢量跟踪的深组合方 案：采用矢量跟踪方法对多个通道内的卫星信号进 行并行跟踪，利用导航处理器输出的导航信息计算 相应的伪码和载波跟踪参数，用来驱动本地伪码和 载波数控振 荡 器，维 持 本 地 信 号 和 输 入 信 号 的 同 步。 深组合方法的显著特点在于：利用 相关器和组合导航处理构成的回路同时完成 卫星信号跟踪与组合导航信息处理的任务。 在信 号衰减、无意或有意的射频干扰等导致的低信噪比 环境中，这种组合方 法 能 够 显 著 地 提 高 的 信 号跟踪性能，并且能够充分利用强度较高的信号信 息来加强对弱信号的跟踪。 基于矢量跟踪的深组 合系统结构如图 所示。一种基于矢量跟踪的 深组合导航系统工作原理深组合系统的主要任务是维持码相位和载波 频率锁定。 常规接收机采用包含鉴相器和环路滤图 深组合导航系统结构框图该组合系统主要包括矢量跟踪和组合导航信息处理两部分。 在矢量跟踪环节中，通道滤波器和 主滤波器都用于信号跟踪，而主滤波器还负担着导 航信息处理的任务。 相关器的输出作为通道滤波 器的量测信息，用来估计伪码相位和载波频率等跟 踪误差；而通道滤波器的状态估计值经过比例转换 后，作为量测信息输入到主滤波器中。 组合导航处 理器中的主滤波器接收 跟踪通道与 输 出的量测信息，对状态变量进行更新并将误差参数 反馈回 系 统 中 加 以 校 正；同 时，组 合 系 统 根 据校正后的 导 航 参 数 与 卫 星 星 历 数 据 确 定 伪码相位 和载波频率等跟 踪 参数，用 来 驱 动 接收机内部的数控振荡器，生成本地副本信号，以保持对输入 信号的跟踪。 与载波相位跟踪相比，伪码相位和载波频率的跟踪能够在强干扰 （较 低的载噪比）环境中运行，而非相干深组合算法不 需要估计载波相位误差。 因此，本方案采用非相干 深组合方法，以提高组合系统在强干扰、高动态环 境中的工作性能。 深组合硬件实现方案 设计传统的 硬件接收机通常是由射频前端和 基带处理两个部分组成，分别采用两个专用集成电 路（）芯片来实现。 在 深组合系统 中，接收机结构改动较大，取消了接收机原有的鉴 接 收 机 来 说，搭 建 深 组 合 系 统 并 改 变 基 带 信号处理方式，必 须 更 换 接 收 机 内 部 的 基 带 处 理 芯 片；由于目前深组合系统结构尚未定型，算法测试 或结构变动都将面临着很高的升级费用，这些问题 都是传统的硬件接收机难以解决的。 而基于软件 无线电的 接收机采用相对通用的硬件平台或 机，通过加载不同的应用程序来实现不同的硬 件结构实施方案，可以很好地解决上述问题。基于软件无线电的 接收机定义为：从 射 频前端接收 信号并处理成中频 信 号之后，在 基带信号处理部分使 用 相应 的 硬 件 平 台 （如 、 等）完 成 捕 获、跟 踪、解 调 等 信 号 处 理 以 及位置解算 的 信 号 接 收 系 统。 通 常 情 况 下， 在基带处理部分又为两部分来实现：一部分对信号 进行解扩解调，获得、 通道的积分累加信号，即 数字通道部 分，这 部 分 通 常 采 用 或 专 用 的 芯片实现；另一部分则利用 对、 通道 的积分累加信号进行处理，实现捕获策略以及码、 载波环路的鉴频鉴相算法，处理完成后再将各种调 整信号传给 部分，调整其中码和载波 的频率。 目前很多 接收机都采用这种实现方 案，应用时有比较好的灵活性，技术也很成熟。 然 而，在高动态条件下，要求接收机有较高的数据更传统 和 混合结构很难适用。 因此，对这种结构复杂的基于矢量跟踪的 深组 合导航系统，将 通 道 积 分 累 加 信 号 的 处 理 也 利 用 来实现，以提高接收机整体的性能。现场可编 程 逻 辑 阵 列 （）可 以 实 现 超 大 规模的复 杂组合逻辑与时序逻 辑 电 路 功 能。 器件的集 成 度 高、体 积 小，具 有 通 过 用 户 编 程 实现专门应用的功能，适用于高速、高密度的高端 数字电路设计领域。 使用 器件可以大大缩 短系 统 的 研 制 周 期，减 少 资 金 的 投 入，便 于 向 移植。 采用 器 件 可 以 将 电 路 板 级 产 品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可 靠性。 与 相 比， 具 有 设 计 开 发 周 期 短、设计制造成本低、标 准 产 品 无 需 测 试、质 量 稳 定、可反复使用以及可实时在线检验等优点。 考虑 到 的 性 能 特 点、成 本 及 深 组 合 系统的结构特性。 因此，在系统性能验证阶段，首 先采用基于 硬件平台来完成 深组合导航 系 统 的 硬 件 结 构 设 计 及 系 统 性 能 测 试。基于 硬件平台的 深组合导航系统主要包 括 天 线、射 频 前 端、 基 带 信 号 处 理 器、 和组合导航处理器，具 体 结 构 如 图 所 示。图 基于 硬件平台的组合系统设计方案天线接收 卫 星 信 号 后，经 由 射 频 前 端 进行下 变 频、滤 波、模 数 转 换 处 理，得 到 中 频 数 字 信号，并 输 入 到 基 带 信 号 处 理 器；基 于 设计平台 的 基 带 信 号 处 理 器 主 要 包 括 粗 捕 获、精细捕获、相关处理以及时钟管理和指令控制 等模块。 粗捕获模块首先确定天空中可视卫星的 数目和 号，获 取 相 应 的 码 相 位 和 频 率 参 数； 精细捕获 根 据 相 位 差 确 定 卫 星 信 号 的 精 细 频 率。 在精细捕获结束后，将捕获参数传递给相关处理模 块，本地信号发生器根据捕获得到的码相位和载波 频率参数，生 成 本 地 信 号 与 输 入 信 号 进 行 相 关 处 理；组合导航处理器接收相关处理模块输出的相关 累积信号，由通道滤波器对各自通道内的跟踪误差 进行估计，并根据基准参数转换为伪距、伪距率量 测信息，输入到主卡尔曼滤波器中；主卡尔曼滤波 器对组合系统的状态变量进行更新；组合导航处理 器根据更新后的导航参数估计相应的信号跟踪参 数，并反馈回相关处理模块中的本地信号发生器， 调整 码和载波的频率，以 保 持 对 输 入 信 号 的 强跟踪性能。）强度较高信号的跟踪信息能够促进对弱信号的跟踪。 由于伪码跟踪参数取决于载体的位置，而载体位置可以根据强信号的跟踪信息来确定，因此弱信号的跟踪参数可以由卡尔曼滤波器的状态 变量预测得到。）所有通道数据的集中处理能够削弱噪声；）在少数几颗卫星发生短暂的信号中断情况 下，矢量跟踪仍能运行；在信号恢复时，能够根据已 有信息预测估计出伪码相位和载波频率信息，从而 迅速地重捕获到卫星信号；）在干扰或微弱信号条件下，与惯导系统相 组合时能够显著提高接收机的跟踪性能；）能够对不同干扰条件下的量测信息进行加 权处理。 对于强干扰或信号中断条件下的量测信 息取较小的权值，甚至可以忽略。组合导航信息处理器组合 导 航 信 息 是 在 导航处理器中完成 的。 接收机各个跟踪通道中，通 道 滤 波 器 估 计 得到跟踪误差状态后，根据伪码相位、载波频率的误 差估计信息以及载波、伪码 中的基准信息计 算相应的伪距、伪距率作为量测信息，输入到组合 导航滤波器 中；而 系 统 则 根 据 接 收 机 或外部提供的星历数据，利用位置、速度等导航参 数计算卫星与接收机之间的距离、距离率，作为量 测信息输入到组合滤 波 器 中；组 合 滤 波 器 对 跟踪 通 道 以 及 输 入 的 伪 距、伪 距 率 信 息 作 差，作为量测信息对导航误差状态进行更新；信息 融合过程完成后，组合系统一方面将误差估计信息 反馈回 ，对相应的元器件误差、导航参数进行 校正；另一方面，根据校正后的位置、速度等导航参 数，结合卫星参数来计算接收机与各卫星之间的伪 距、伪 距 率 信 息，并 将 其 传 送 到 接 收 机 的 伪 码、载波 中，对 本 地 伪 码 相 位 和 载 波 频 率 进 行调整，而本地载波相位则根据通道滤波器估计的 相位误差进行调整。 辅助 信号捕获方法环路由失锁状态进入锁定的过程称为捕获过 程，描述环路捕获特性的指标，主要是捕获带和捕 获时间。 在自捕获的环路中，为了增大捕获带，应 提高环路带宽和增大环路增益，但同时会降低环路 的抗干扰性 。 因此，环路的捕获经常采用一些 辅助捕获方法。 辅助捕获方法主要包括两类：一类 是变带宽，这主要用于加大环路的捕获带。 另一类 辅助捕获是 减 小 起 始 频 差，使 之 尽 快 落 入 捕 获 带关键技术分析卫星信号矢量跟踪方法与常规 接收机所使用的标量跟踪方法不同，矢量跟踪方法能够根据不同跟踪通道的相关器累加输出直接估计出接收机的位置、速度信息，利 用专门的算法同时实现所有卫星信号的跟踪。 在 采用矢量跟踪方法的接收机中，取消了独立的跟踪 环路，而用一个导航滤波器对所有跟踪通道的量测 信息进 行 滤 波 处 理。 在 得 到 接 收 机 的 位 置、速 度 后，更新接收机与卫星之间的距离、距离率，从而获 得对本地信号发生器的反馈信息。在矢量跟踪环节中，只对卫星信号的伪码相位 和载波频率进行跟踪。 信号跟踪环路的闭合是通 过组合导航处理器完成的。 导航处理器中根据导 航参数以及星历数据对卫星与接收机之间的伪距 和伪距率进行估计，并将估计信息送入本地信号发 生器的载波、伪码 ；估计的伪距信息用来调整 伪码 的码相位，而伪距率信息则用于调整载 波、伪码 的传输速率。 每个积分清零周期的 相关器输出用于对通道滤波器进行更新，而通道滤 波器得到伪码相位、载波频率等跟踪误差的估计信 息后，将其转化为伪距、伪距率信息输入到主卡尔 曼滤波器中，用于对导航误差状态进行更新。与传统的标量跟踪方法相比，矢量跟踪最主要的优点在于：助的 跟踪环路则是一种兼具上述两种功能的辅助捕获方 法。 高 精 度 的 速 度 辅 助 信 息 能 有效地减小起始频差，从而缩短环路的捕获时间。 其搜索捕获过程如图 所示，大方框表示了完整的 码相位、频率搜索范围的二维属性，可见，在惯导辅 助下通过码相位和多普勒频移两个维度的压缩，搜 索区域缩小到虚线框范围内。通过两种 方 式 来 提 高 接收机的信号捕获性 能：第一，利用 输出的位置和速度参数，以及组合导航滤波器提供的时间和频率偏差的估计值，计算出 信号的码 相 位 和 多 普 勒 先 验 估 计，作为辅助信息输入到 接 收 机 的 捕 获 装 置 中，缩 小接收机的搜索范围，从而减少接收机首次捕获定位所耗费的时间，这种方式通常称为预定位；第二，图 惯导辅助 接收机搜索捕获示意图由组合导航处理器输出的 信号跟踪参数估计信息，可用于缩短由干 扰或衰减导致的 信 号 失锁之后的重捕时间。 如果组合导航处理器所估 计的位置和时间误差小于半个码 元 （对 于 码 约为 ），由此可将跟 踪 误 差 限 制 在 环 路 误 差 检测器的线性范围内，则基本可以实现失锁信号的 瞬时重捕；同理，根据组合导航处理器提供的速度 和时钟频率误差的估计值，可以实现信号频率的瞬 时重捕。 辅助 信号跟踪方法在载体动态特性较高的情况下，要维持载波跟 踪锁定并跟踪接收机振荡器噪声需要非常严格的 时间同步。 在采用基于 相关处理的接收机 中，输入的 信 号 可 以 存 储、恢 复，能 够 与 系 统 其余部分的处理滞后相匹配，从而能够达到时间同 步的要求。 辅助 伪码跟踪的容差 范 围 很宽，便于工程实现。 接收机跟踪环路带宽的选择需根据噪声 抑制和动态响应的要求进行折衷设计。 窄的带宽能够增强抗干扰性能，而宽的带宽对载体动态的响应速度快。 利用校正后的 速度辅助 跟踪环路，辅助信息中已经体现了载体的动态特性，因此接收机的跟踪环路可以采用较窄的带宽，从而增强噪声抑制能力。 因此在高动态条件下，与独立 的 接收 机 相 比， 深 组 合 系 统 能 够 在较 低 的 信 噪 比 条 件 下 跟 踪 信 号，尤 其 是 伪码，而对于载波跟踪来说，环路带宽的下限 还需考虑振荡器噪声的影响。采用较低等级惯性 敏 感 器 的 需 要 利 用 测量信息进行持续标定，而 较 窄 的 环 路 带 宽 增加了跟踪环路进入锁定状态的时间，从而降低了 的标 定 精 度。 为了防止正反馈， 组合算法的增益必 须 与 跟 踪 带 宽 相 匹 配，而 深组合中增益与 跟踪带宽是匹配的。 研究表 明，使用较低等级的惯性敏感器时，与采用固定带 宽的 组 合 系 统 相 比，深 组 合 技 术 在 噪 声电平提高至少 的情况下，仍能保持对 信号的跟踪。结论：，设计了一种适用于高动态、强干扰条件的新型 深组合导航系统实现方案，并对系统的 关键技术进行了分析。 系统以卫星信号矢量跟踪 和 辅助 信号捕获、跟踪技术为基础，一 方面，利用通道滤波器和组合导航滤波器构成的回 路来完成组合系统的导航信息处理，能够更好地适 应信号的载噪比变化；另一方面，根据组合系统的 导航状态推测卫星信号的跟踪参数、并采用矢量跟 踪方法对所有可视卫星保持跟踪，提高了接收机的 动态跟踪性能，并在信号短暂中断期间提高了系统 的可靠性。 该深组合方案具有良好的抗干扰性能 和动态跟踪能力，在各种战术武器及歼击机等高机 动飞行器上具有广阔的应用前景。 于洁，王新龙超紧致组合导航系统设计及分析航空兵器，（）： ， ， ， ， ， ， ， ， ，： ， ： ：参考文献 ，： ： ，：作者简介王新龙（ ），男，博士，教 授，主 要 研 究 ， ，： ，方向为惯性导航、卫星导航、天文导航、地磁导航技术；组合导航与信息融合技术；精确制导技术；快速 精确初始对准技术。 ，（ ， ，）： ， （） ， （） ， （） ， ， ：；