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慣導速度輔助接收機跟蹤環(huán)路算法

文檔序號:10652854閱讀:1051來源:國知局
慣導速度輔助接收機跟蹤環(huán)路算法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種慣導速度輔助接收機跟蹤環(huán)路算法,其主要技術特點是包括以下步驟:數(shù)字中頻信號通過混頻器和相關器后獲得剝離載波和偽隨機碼的信號;剝離載波和偽隨機碼的信號通過積分清零、環(huán)路鑒別器獲得環(huán)路相位誤差;環(huán)路相位誤差經過環(huán)路濾波器平滑后得到環(huán)路相位誤差;環(huán)路鑒別誤差和慣導速度輔助信息共同對載波NCO進行修正。本發(fā)明通過慣導速度估算環(huán)路多普勒頻移,壓縮了環(huán)路需承載的動態(tài)范圍,從而減少環(huán)路等效噪聲帶寬,進而降低了跟蹤環(huán)路帶內干擾,提高衛(wèi)導接收機抗干擾能力。
【專利說明】
慣導速度輔助接收機跟蹤環(huán)路算法
技術領域
[0001] 本發(fā)明屬于導航技術領域,尤其是一種慣導速度輔助接收機跟蹤環(huán)路算法。
【背景技術】
[0002] 隨著衛(wèi)星導航系統(tǒng)日益成熟,推動著衛(wèi)導接收機在軍事和民用領域的應用進一步 拓展。復雜環(huán)境下導航服務的精確性和連續(xù)性成為核屯、技術,其中衛(wèi)導跟蹤環(huán)路的性能至 關重要。當載體動態(tài)性過大時,衛(wèi)星信號多普勒頻率劣化,傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路需要增大帶寬才能 實現(xiàn)跟蹤,增大帶寬將導致帶寬內干擾加大,過大干擾信號也將導致傳統(tǒng)環(huán)路失鎖,接收機 難W正常工作。此外,當動態(tài)性大到一定程度,單純依靠增大帶寬,也無法實現(xiàn)跟蹤環(huán)路的 穩(wěn)定跟蹤。
[0003] 圖1給出了傳統(tǒng)衛(wèi)導跟蹤環(huán)路原理圖,從圖中可W看出:經過A/D轉換后的數(shù)字中 頻信號,通過混頻器和相關器后獲得剝離載波和偽隨機碼的信號,而后通過積分清零、環(huán)路 鑒別器獲得環(huán)路相位誤差,經過環(huán)路濾波器平滑后,用W校正載波NC0。在傳統(tǒng)載波跟蹤環(huán) 路中,外界氣候環(huán)境一定的情況下,環(huán)路穩(wěn)定性主要受到載體動態(tài)性和外來干擾的影響。當 載體動態(tài)性過大時,由于引入跟蹤環(huán)路誤差過大,將導致跟蹤環(huán)路失鎖。外來干擾過大也將 導致跟蹤環(huán)路失鎖。增大跟蹤環(huán)路帶寬能夠提升環(huán)路動態(tài)性能,但將引入更大的噪聲干擾。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于彌補現(xiàn)有技術的不足之處,提供一種慣導速度輔助接收機跟蹤 環(huán)路算法,解決跟蹤環(huán)路動態(tài)性能和帶寬要求存在矛盾的問題。
[0005] 本發(fā)明解決其技術問題是采取W下技術方案實現(xiàn)的:
[0006] -種慣導速度輔助接收機跟蹤環(huán)路算法,包括W下步驟:
[0007] 步驟1、數(shù)字中頻信號通過混頻器和相關器后獲得剝離載波和偽隨機碼的信號; [000引步驟2、剝離載波和偽隨機碼的信號通過積分清零、環(huán)路鑒別器獲得環(huán)路相位誤 差;
[0009] 步驟3、環(huán)路相位誤差經過環(huán)路濾波器得到平滑后的環(huán)路相位誤差;
[0010] 步驟4、平滑后的環(huán)路相位誤差和慣導速度輔助信息共同對載波NCO進行修正。
[0011] 所述慣導速度輔助信息采用估算的載波多普勒頻移對載波跟蹤進行輔助,該載波 多普勒頻移的計算公式為:
[0012]
[001 3] 式中,fd表示載波多普勒頻移,A表示載波波長,Vr表示接收機天線速度,Vs表示衛(wèi) 星速度,Is為衛(wèi)星到接收機視線上的單位矢量。
[0014] 本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果是:
[0015] 1、本發(fā)明通過慣導速度估算環(huán)路多普勒頻移,壓縮了環(huán)路需承載的動態(tài)性,從而 減少環(huán)路等效噪聲帶寬,進而降低了跟蹤環(huán)路帶內干擾,提高衛(wèi)星接收機抗干擾能力。
[0016] 2、本發(fā)明通過慣導速度估算環(huán)路多普勒頻移,壓縮了環(huán)路需承載的動態(tài)性,保證 衛(wèi)星接收機在高動態(tài)下正常工作,提升了接收機能夠承受的動態(tài)范圍。
[0017] 3、本發(fā)明對普適性、動態(tài)性、抗干擾性W及慣導估算誤差影響等方面進行了仿真 評估,仿真結果驗證了算法的正確性,同時證明提出算法相比傳統(tǒng)算法動態(tài)性大大提升,抗 干擾能力提升5地-8地,可W容忍較大慣導輔助信息誤差,為算法工程化奠定了基礎。
【附圖說明】
[0018] 圖1為傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路原理圖;
[0019] 圖2為慣導速度輔助跟蹤環(huán)路原理圖;
[0020] 圖3為慣導速度輔助載波跟蹤環(huán)路原理圖;
[0021 ] 圖4為2號星跟蹤結果示意圖;
[0022] 圖5為7號星跟蹤結果示意圖;
[0023] 圖6為5號星跟蹤結果示意圖;
[0024] 圖7為8號星跟蹤結果示意圖;
[0025] 圖8為10號星跟蹤結果示意圖
[0026] 圖9為15號星跟蹤結果示意圖;
[0027] 圖10為29號星跟蹤結果示意圖;
[0028] 圖11為26號星跟蹤結果示意圖;
[0029] 圖12為無慣導輔助跟蹤環(huán)路動態(tài)性示意圖;
[0030] 圖13為慣導輔助跟蹤環(huán)路動態(tài)性示意圖;
[0031 ]圖14為勻速且信噪比-31地時的有無慣導輔助環(huán)路跟蹤結果圖;
[0032] 圖15為勻速且信噪比-36地時的有無慣導輔助環(huán)路跟蹤結果圖;
[0033] 圖16為加速度50g且信噪比-28地時的有無慣導輔助環(huán)路跟蹤結果圖;
[0034] 圖17為加速度50g且信噪比-36地時的有無慣導輔助環(huán)路跟蹤結果圖;
[0035] 圖18為勻速直航時且在不同載波多普勒誤差下的慣導輔助跟蹤結果圖;
[0036] 圖19為勻速直航時采用慣導誤差計算載波多普勒輔助跟蹤結果圖;
[0037] 圖20為加速度50g時在不同載波多普勒誤差下的慣導輔助跟蹤結果圖;
[0038] 圖21為加速度50g時采用慣導誤差計算載波多普勒輔助跟蹤結果圖;
[0039] 圖22為加速度193g時不同載波多普勒誤差下的慣導輔助跟蹤結果圖;
[0040] 圖23為加速度193g時采用慣導誤差計算載波多普勒輔助跟蹤結果圖。
【具體實施方式】
[0041] W下結合附圖對本發(fā)明實施例做進一步詳述:
[0042] 一種慣導速度輔助接收機跟蹤環(huán)路算法,是在如圖2所示慣導速度輔助接收機跟 蹤環(huán)路上實現(xiàn)的,該跟蹤環(huán)路用環(huán)路鑒別誤差和慣導速度輔助信息共同對載波NCO進行修 正,通過慣導速度輔助減小衛(wèi)星跟蹤環(huán)路所需承載的載波相位誤差范圍,具體包括W下步 驟:
[0043] 經過A/D轉換后的數(shù)字中頻信號,通過混頻器和相關器后獲得剝離載波和偽隨機 碼的信號,然后通過積分清零、環(huán)路鑒別器獲得環(huán)路相位誤差,經過環(huán)路濾波器平滑后得到 平滑后的環(huán)路相位誤差,最后平滑后的環(huán)路相位誤差和慣導速度輔助信息共同對載波NCO 進行修正。
[0044] 為了方便分析慣導速度輔助的優(yōu)勢,圖3 W二階載波環(huán)路濾波器為例對本發(fā)明做 進一步說明(圖3僅給出了圖2中環(huán)路鑒別器輸出至載波NCO輸入前的原理圖)。圖3中虛線框 內為慣導速度輔助部分,0i(s)表示輸入的發(fā)送和接收信號相位差,S為拉普拉斯算子,0〇(s) 表示輸出的發(fā)送和接收信號相位差,^是慣導輔助濾波系數(shù),e(s)為慣導速度輔助引入 的誤差,W(S)為原跟蹤環(huán)路中的熱噪聲等,F(xiàn)(S)為原跟蹤環(huán)路的濾波環(huán)路系數(shù)。
[0045]
(1)
[0046] 式中,Ko為環(huán)路濾波器的增益,Tl和T2為濾波器的時間常數(shù)。
[0047] 假設慣導速度能夠無誤差估算載波的多普勒頻移,即e(s)為0。則有
[004引 00(s) =Hi(S)目 i(s)+出(S)W(S) (2)
[0049] 其中,
[0050] (3)
[0051 ] (4)
[0052] 由式(4)可W看出,當慣導系統(tǒng)的帶寬趨向于無窮大,即時,系統(tǒng)傳遞函數(shù)出 運說明只要慣導系統(tǒng)的帶寬足夠大,慣導速度輔助的載波跟蹤環(huán)就可W跟蹤載體 的任何機動形式。
[0053] 本發(fā)明中的慣導速度輔助信息采用估算的多普勒頻移對載波跟蹤進行輔助。慣導 速度對衛(wèi)導接收機載波跟蹤環(huán)路輔助主要是用到慣導提供的載體速度信息、載體位置信息 W及衛(wèi)星星歷提供的衛(wèi)星速度信息和衛(wèi)星位置信息估算載波多普勒頻移。多普勒頻移的具 體計算公式為
[0054]
巧)
[0055]式中,fd表不載波多普勒頻移,A表不載波波長,運里為GPS Ll頻點載波波長,Vr表 示接收機天線速度,Vs表示衛(wèi)星速度,Is為衛(wèi)星到接收機視線上的單位矢量。衛(wèi)星速度、衛(wèi)星 位置、載體速度、載體位置的估算誤差將直接導致估算的載波多普勒頻移誤差。
[0056]下面對本專利進行仿真分析,在分析過程中,分別分別基于衛(wèi)星信號模擬器和中 頻信號生成軟件考察慣導速度輔助載波跟蹤環(huán)路的性能。衛(wèi)星信號模擬器和中頻信號生成 軟件仿真的為GPS Ll頻點數(shù)據(jù),載波頻率為1757.42MHz,C/A碼速率為1.023MHz,采用頻率 為62MHz,中頻頻率為8.58MHz。
[0化7] 1、普適性仿真
[005引普適性仿真目的是考察慣導速度輔助是否對同時看到的所有衛(wèi)星跟蹤有效。仿真 采用衛(wèi)星信號模擬器產生衛(wèi)星信號,其中載體的初始速度為北向lOm/s,加速度為北向lOg。 此時能夠捕獲的衛(wèi)星有2、5、7、8、10、15、26、29。根據(jù)此時衛(wèi)星和載體的相對位置,映射到每 顆星連線上的加速度數(shù)值依次約為71111/32、23111/32、67111/32、19111/32、15111/32、24111/32、0.16111/ s2、7m/s2。
[0059] 衛(wèi)導跟蹤環(huán)路采用S階鎖相環(huán)跟蹤,環(huán)路帶寬為2Hz,加和不加慣導速度輔助的環(huán) 路跟蹤結果如圖4所示,從圖4可W看出,當載體動態(tài)較大時,采用無輔助跟蹤環(huán)路I路累積 值快速減小,在0值附近振蕩,即環(huán)路失鎖。增加慣導速度輔助后,環(huán)路經過一定時間振蕩 后,最終達到穩(wěn)定跟蹤??梢?,增加慣導信息輔助能夠改善衛(wèi)星跟蹤環(huán)路的動態(tài)性能。
[0060] 圖5同樣表明了增加慣導速度輔助的優(yōu)勢。對比圖4、圖5可知,當載體動態(tài)性減小 時,所需穩(wěn)定跟蹤時間縮短。
[0061] 圖6至圖10同樣表明,增加慣導速度輔助能改善衛(wèi)星跟蹤環(huán)路的動態(tài)性,同時表 明,當載體動態(tài)性不大的時候,慣導速度輔助能夠使衛(wèi)星跟蹤環(huán)路迅速穩(wěn)定。
[0062] 從圖11可W看出,當載體動態(tài)性較小時,無慣導信息輔助,窄的跟蹤環(huán)路帶寬也能 實現(xiàn)環(huán)路的穩(wěn)定跟蹤,與采用慣導速度輔助跟蹤結果類似,慣速度輔助的效果不明顯。也就 是說,載體動態(tài)性不大的情況下,無需采用慣導速度輔助。
[0063] 綜合圖4至圖11可知通過慣導速度輔助,衛(wèi)導跟蹤環(huán)路能夠在較小的帶寬下實現(xiàn) 對較大動態(tài)范圍的穩(wěn)定跟蹤。此外,慣導速度輔助能夠對同一時刻所有衛(wèi)星的跟蹤環(huán)路進 行有效輔助,證明了算法的普適性和正確性。
[0064] 2、動態(tài)性仿真
[0065] 基于自編中頻信號生成數(shù)據(jù)對慣導速度輔助跟蹤環(huán)路算法的動態(tài)性進行評估。本 仿真的目的是考察有無慣導速度輔助下,跟蹤環(huán)路承載動態(tài)應力能力的差異。由于無定位 結果,本仿真中Wl路累加值無誤判且環(huán)路鎖定為前提條件,在次前提下比較有無慣導速度 輔助跟蹤環(huán)路能夠承載的最大動態(tài)應力,所得有無慣導速度輔助跟蹤環(huán)路承載的最大動態(tài) 應力與實際接收機存在差異,運里只關注二者的差異。信號加噪聲為高斯白噪聲,信號信噪 比為-19dB,即接收信號功率為-130地m,采樣率為62MHz。仿真結果如下圖所示。從圖12可 知,當載體加速度為91g時,無慣導信息輔助環(huán)路能夠實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤;在載體加速度為92g 時,無慣導信息輔助環(huán)路I路累加值逐漸在0值周圍波動,即環(huán)路不再能穩(wěn)定跟蹤,即無慣導 信息輔助環(huán)路最大能承受的載體加速度為91g。從圖13可知,當載體加速度為193g,慣導速 度信息輔助環(huán)路能穩(wěn)定跟蹤;當載體加速度為194g時,I路累加值在0上下頻繁波動,慣導速 度輔助環(huán)路不再能穩(wěn)定跟蹤,可見慣導速度輔助環(huán)路能夠承載的載體最大加速度為193g。 對比圖12、圖13可知,采用慣導速度輔助衛(wèi)導跟蹤環(huán)路,能極大提升跟蹤環(huán)路的動態(tài)性。
[0066] 3、抗干擾性仿真
[0067] 采用慣導速度對載波跟蹤環(huán)路進行輔助,能夠極大程度上削弱載波環(huán)路需要承受 的動態(tài)應力,理想情況下環(huán)路帶寬只需滿足熱噪聲誤差需求,因此能夠將載波環(huán)路帶寬設 計的非常小。載波環(huán)路帶寬的縮小,將減少信號帶寬內的噪聲干擾。
[0068] 基于自編中頻信號生成數(shù)據(jù)對慣導速度輔助跟蹤環(huán)路算法的抗干擾性進行評估, 所加噪聲為高斯白噪聲,采樣率為62MHz,選擇勻速直航、加速度50g兩種典型環(huán)境進行考 察。環(huán)路跟蹤判決采用上節(jié)判決依據(jù)。
[00例當勻速直航時,無慣導信息輔助環(huán)路能夠跟蹤信噪比為-31地的衛(wèi)星信號,慣導速 度信息輔助環(huán)路能夠跟蹤信噪比為-36地的衛(wèi)星信號,大約提高了5地抗干擾能力。仿真結 果如圖14和圖15所示。
[0070]根據(jù)上述判決條件,仿真得到當加速度為50g時,無慣導信息輔助環(huán)路能夠跟蹤信 噪比為-28地的衛(wèi)星信號,慣導速度信息輔助環(huán)路能夠跟蹤信噪比為-36地的衛(wèi)星信號,大 約提高了 8地抗干擾能力。仿真結果如圖16和圖17所示。
[0071] 4、不同精度慣導速度輔助仿真分析
[0072] 為了充分評估慣導信息計算的載波多普勒誤差對跟蹤環(huán)路影響,分別采用在多普 勒頻率真值加高斯白噪聲誤差和模擬慣導誤差計算輔助載波多普勒的方式。第一種方式 中,選取載體=個運動場景作為典型環(huán)境,1)勻速直航;2)加速度為50g,3)加速度為193g。 第二種方式中,慣導信息采用主慣導輸出,蛇螺常值漂移〇.〇1*\隨機游走噪聲〇.〇〇1*^11,加 表零偏l(T5g,加表隨機噪聲l(T6g。上述仿真中,信號信噪比都為-19地。
[0073] 圖18給出了勻速直航時,載波多普勒估算誤差分別為IHz、細z、7Hz時,慣導速度輔 助衛(wèi)導跟蹤環(huán)路的跟蹤結果。從下圖可W看出,載波多普勒估算偏差在6化W內時,采用慣 導速度輔助能實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤;當載波多普勒估算偏差為7Hz時,跟蹤環(huán)路不再穩(wěn)定,可見環(huán) 路能夠承受的最大多普勒頻移估算誤差為細Z。
[0074] 圖19給出了勻速直航時,采用模擬慣導誤差計算的載波多普勒輔助的跟蹤結果。 從圖中可W看出,I路累加值都大于0,即不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)位的誤判,也就是說環(huán)路能夠穩(wěn)定跟 蹤。
[0075] 圖20給出了加速度為50g,載波多普勒估算誤差分別為lHz、5Hz、6Hz時,慣導速度 輔助衛(wèi)導跟蹤環(huán)路的跟蹤結果。從下圖可W看出,載波多普勒估算偏差在5HzW內時,采用 慣導速度輔助能實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤,可見動態(tài)性增大,環(huán)路對估算誤差的承受力也隨之降低。
[0076] 圖21給出了加速度為50g時,采用模擬慣導誤差計算的載波多普勒輔助的跟蹤結 果。從圖中可W看出,I路累加值都大于0,即不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)位的誤判,也就是說環(huán)路能夠穩(wěn) g里艮臣宗。
[0077] 圖22給出了加速度為193g,載波多普勒估算誤差分別為IHz、甜Z、細Z時,慣導速度 輔助衛(wèi)導跟蹤環(huán)路的跟蹤結果。從下圖可W看出,載波多普勒估算偏差在5HzW內時,采用 慣導速度輔助能實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤。
[0078] 圖23給出了加速度為193g時,采用模擬慣導誤差計算的載波多普勒輔助的跟蹤結 果。從圖中可W看出,I路累加值都大于0,即不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)位的誤判,也就是說環(huán)路能夠穩(wěn) g里艮臣宗。
[0079] 此外,考察了同一時刻慣導位置誤差和速度誤差對不同衛(wèi)星載波多普勒的估算誤 差,當慣導位置誤差在千米內,速度誤差不超過0.4m/s時,引起的載波多普勒估算誤差不大 于甜Z。深組合導航方式時,一般的慣導都滿足上述指標要求。
[0080] 綜上所述,上述分別對慣導速度輔助衛(wèi)星跟蹤環(huán)路算法的普適性、動態(tài)性、抗干擾 性W及環(huán)路輔助對慣導信息精度需求進行了仿真分析。仿真結果證明慣導速度輔助對同一 時刻所有可見星均有效;動態(tài)性比傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路提升了約100g;抗干擾能力在不同動態(tài)環(huán) 境下提升程度不同,約提升5dB-8地,動態(tài)性越高的環(huán)境抗干擾能力提升越明顯;衛(wèi)星跟蹤 環(huán)路對輔助的慣導信息精度要求不高,普通慣導即能滿足跟蹤環(huán)路輔助的精度需求,動態(tài) 性越大的環(huán)境對慣導輔助信息精度要求越高。
[0081] 需要強調的是,本發(fā)明所述的實施例是說明性的,而不是限定性的,因此本發(fā)明包 括并不限于【具體實施方式】中所述的實施例,凡是由本領域技術人員根據(jù)本發(fā)明的技術方案 得出的其他實施方式,同樣屬于本發(fā)明保護的范圍。
【主權項】
1. 一種慣導速度輔助接收機跟蹤環(huán)路算法,其特征在于包括以下步驟: 步驟1、數(shù)字中頻信號通過混頻器和相關器后獲得剝離載波和偽隨機碼的信號; 步驟2、剝離載波和偽隨機碼的信號通過積分清零、環(huán)路鑒別器獲得環(huán)路相位誤差; 步驟3、環(huán)路相位誤差經過環(huán)路濾波器得到平滑后的環(huán)路相位誤差; 步驟4、平滑后的環(huán)路相位誤差和慣導速度輔助信息共同對載波NCO進行修正。2. 根據(jù)權利要求1所述的一種慣導速度輔助接收機跟蹤環(huán)路算法,其特征在于:所述慣 導速度輔助信息采用估算的載波多普勒頻移對載波跟蹤進行輔助,該載波多普勒頻移的計 算公式為:式中,fd表示載波多普勒頻移,λ表示載波波長,Vr表示接收機天線速度,Vs表示衛(wèi)星速 度,Is為衛(wèi)星到接收機視線上的單位矢量。
【文檔編號】G01S19/29GK106019326SQ201610279844
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年4月28日
【發(fā)明人】傅金琳, 劉紅光, 胡才, 劉季, 蘭曉陽, 梁臣
【申請人】中國船舶重工集團公司第七0七研究所
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