周泓伯，孫　旭，葉紅軍

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；

2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

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組合導(dǎo)航裝備性能評(píng)估技術(shù)研究

周泓伯1，孫旭1，葉紅軍2

(1.北京跟蹤與通信技術(shù)研究所，北京 100094；

2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

摘要組合導(dǎo)航具有高精度抗干擾的特點(diǎn)使其應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，但由于其結(jié)合了衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航2類技術(shù)體制，傳統(tǒng)單一測(cè)試手段難以對(duì)其進(jìn)行科學(xué)全面的測(cè)試評(píng)估，需要針對(duì)組合導(dǎo)航技術(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性的研究。據(jù)此，通過對(duì)組合導(dǎo)航機(jī)理的分析，提出了能夠?qū)M合導(dǎo)航進(jìn)行兼容測(cè)試評(píng)估的方法，探索設(shè)計(jì)了基于模擬器的組合導(dǎo)航測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。對(duì)實(shí)驗(yàn)?zāi)M系統(tǒng)基本架構(gòu)進(jìn)行分析，利用該系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本模擬器能夠?qū)δM的加速度50 g、速度8 km/s的高動(dòng)態(tài)載體性能進(jìn)行很好的評(píng)估，與實(shí)際測(cè)試相比相差無幾，該模擬系統(tǒng)可對(duì)組合導(dǎo)航終端的測(cè)試提供參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞組合導(dǎo)航；信號(hào)模擬器；測(cè)試評(píng)估；衛(wèi)星導(dǎo)航

Study on Performance Evaluation Technology for

Integrated Navigation Equipment

ZHOU Hong-bo1,SUN Xu1,YE Hong-jun2

(1.BeijingInstituteofTrackingandTelecommunicationTechnology,Beijing100094,China;

2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

AbstractThe application domain of GNSS/INS integrated navigation system is continuously expanded due to its high-precision anti-interference.As it combines such two navigation systems as satellite navigation and inertial navigation,it is difficult to implement test and evaluation by using traditional single test methods,and it is required to perform the corresponding research for integrated navigation technology.By analyzing integrated navigation mechanism,this paper proposes a compatible test and evaluation method for integrated navigation,and designs an integrated navigation test and evaluation system based on simulator for simulation and verification.The basic framework of simulation system is analyzed.This paper uses this system for simulation experiment.The results show that this simulator can simulate high-speed carrier with acceleration of 50 g and velocity of 8 km/s.This system can evaluate carrier’s performance and the result is similar with that of practical test.Therefore the simulation system has referential value for integrated navigation terminal test.

Key wordsGNSS/INS integrated navigation;signal simulator;test and evaluation;satellite navigation

0引言

目前，在精確制導(dǎo)裝備中基于衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航的組合導(dǎo)航應(yīng)用日益廣泛，其融合了衛(wèi)星導(dǎo)航長(zhǎng)時(shí)間高精度和慣導(dǎo)不受信號(hào)環(huán)境影響的特點(diǎn)，有效地提高了導(dǎo)航裝備的精度、抗干擾性能和可靠性，并且伴隨技術(shù)的不斷發(fā)展，組合導(dǎo)航的處理也從松組合發(fā)展到緊深組合，但對(duì)組合導(dǎo)航的性能評(píng)估研究尚不夠深入，沒有形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[1]。

傳統(tǒng)的無線電跟蹤測(cè)量系統(tǒng)難以滿足組合導(dǎo)航高動(dòng)態(tài)、高精度和低成本的性能測(cè)試需求，測(cè)量誤差往往過大；每次都進(jìn)行實(shí)際場(chǎng)景測(cè)試，又花費(fèi)大量的時(shí)間、財(cái)力，并且效率比較低，因此需要研究建立與技術(shù)體制相適應(yīng)的測(cè)試手段。本文通過對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器進(jìn)行改進(jìn)，通過數(shù)學(xué)仿真模型，建立精確的誤差模型，并且將實(shí)際環(huán)境中可能產(chǎn)生的誤差加載其中，然后將模擬生成仿真軌跡加載到衛(wèi)星導(dǎo)航模擬器中，對(duì)載體上的INS/GNSS組合導(dǎo)航性能進(jìn)行測(cè)試，尤其是高動(dòng)態(tài)環(huán)境下載體運(yùn)動(dòng)，為這一領(lǐng)域的測(cè)試提供了一個(gè)新的思路。

1緊深組合導(dǎo)航技術(shù)機(jī)理

組合導(dǎo)航將衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航2種方式進(jìn)行結(jié)合實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航，將二者的信息進(jìn)行融合，利用衛(wèi)星導(dǎo)航的高精度觀測(cè)數(shù)據(jù)適時(shí)對(duì)慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，同時(shí)用慣導(dǎo)的數(shù)據(jù)輔助衛(wèi)星導(dǎo)航的捕獲跟蹤，達(dá)到既提高裝備導(dǎo)航定位精度又增強(qiáng)了衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)抗干擾能力的目的，起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用。

按照組合方式的不同，組合導(dǎo)航可分為松組合、緊組合和深組合3種，其中松組合處理方式衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航相對(duì)獨(dú)立且比較成熟，目前研究較多的是緊組合和深組合，對(duì)其測(cè)試評(píng)估需要從其機(jī)理進(jìn)行研究分析。緊深組合導(dǎo)航的原理如圖1和圖2所示。

圖1　緊組合導(dǎo)航原理

圖2　深組合導(dǎo)航原理

緊組合方式根據(jù)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)收到的星歷信息和慣導(dǎo)輸出的位置和速度信息，計(jì)算得到相應(yīng)于慣導(dǎo)位置的偽距、偽距率，并將其與衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)測(cè)量得到的偽距和偽距速率相比較，它們的差值作為組合系統(tǒng)的觀測(cè)量[2,3]。通過卡爾曼濾波對(duì)慣導(dǎo)的誤差和衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的誤差進(jìn)行最優(yōu)估計(jì)，然后對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行輸出或者反饋校正。由于不存在濾波器的級(jí)聯(lián)，觀測(cè)信息不相關(guān)，并可對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的測(cè)距誤差進(jìn)行建模，因此這種偽距、偽距率組合方式比位置、速度組合具有更高的組合精度。

深組合相對(duì)于緊組合是更復(fù)雜的組合方式，深組合除了需要完成緊組合方式處理工作以外，還可將慣導(dǎo)的量測(cè)信息反饋給接收機(jī)，或直接利用慣導(dǎo)量測(cè)信息輔助衛(wèi)星導(dǎo)航的碼跟蹤環(huán)和載波跟蹤環(huán)，從而使接收機(jī)不僅從信道中，還可從慣導(dǎo)信息中校正多普勒頻移導(dǎo)致的誤差，降低了接收機(jī)沿信號(hào)傳播方向的動(dòng)態(tài)，增強(qiáng)接收機(jī)對(duì)信號(hào)的跟蹤鎖定能力，從而提高組合系統(tǒng)整體的魯棒性、跟蹤能力和導(dǎo)航精度。由于深組合是一個(gè)較新的概念，有學(xué)者將深組合方式定義為從衛(wèi)星定位信息中更新到卡爾曼濾波器使用的是中頻處理中的同向信號(hào)或正交信號(hào)的采樣值，而在實(shí)際用中普遍認(rèn)為，只要慣導(dǎo)能夠輔助衛(wèi)星信號(hào)的跟蹤和捕獲，就將二者之間的組合方式認(rèn)為是深組合[4,5]。

由上述分析可知,通過組合處理的方式，接收機(jī)的抗干擾能力得到了一定的提升，深組合的抗干擾能力是最強(qiáng)的。

2組合導(dǎo)航性能測(cè)試評(píng)估內(nèi)容及方法分析

組合導(dǎo)航測(cè)試評(píng)估內(nèi)容是進(jìn)行組合導(dǎo)航測(cè)試評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)的依據(jù)。由對(duì)組合導(dǎo)航的機(jī)理分析可以看出，不同組合處理方式對(duì)應(yīng)的性能評(píng)估內(nèi)容也有所不同，與單純對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)進(jìn)行測(cè)試不同的是，還需要把對(duì)慣導(dǎo)的評(píng)估特別是協(xié)同處理下的評(píng)估包括在內(nèi)，其涉及的典型內(nèi)容如下[6]：

① 載噪比(C/N0)：一般可通過信噪比(S/N)來表征接收機(jī)接收到的信號(hào)質(zhì)量。但由于噪聲功率N與帶寬成正比，且衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的延遲鎖定環(huán)(DLL)、載波跟蹤環(huán)(PLL)和數(shù)據(jù)鑒別器的帶寬均不相同。因此可將信噪比歸一化到1 Hz 的帶寬上，用信號(hào)與噪聲功率密度比C/N0來表征到達(dá)接收機(jī)內(nèi)部的信號(hào)質(zhì)量[7]；

② 定位測(cè)速精度：無論采用何種組合處理方式，最終目的都是要獲得高的導(dǎo)航定位測(cè)速精度，因此導(dǎo)航定位測(cè)速精度是其綜合評(píng)估目標(biāo)；

③ 跟蹤靈敏度：表征終端在捕獲信號(hào)后，能夠保持穩(wěn)定輸出并符合定位精度要求的最小信號(hào)電平，決定了終端的應(yīng)用場(chǎng)景范圍。

對(duì)組合導(dǎo)航終端性能進(jìn)行測(cè)試評(píng)估一般可采用內(nèi)場(chǎng)模擬仿真測(cè)試和外場(chǎng)實(shí)際情況測(cè)試2種方法。由于實(shí)際實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景構(gòu)建復(fù)雜、成本高和不方便，因此大量前期測(cè)試可通過模擬仿真進(jìn)行[8,9]，內(nèi)場(chǎng)模擬仿真測(cè)試是采用數(shù)學(xué)仿真建模的方式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航信號(hào)模擬和慣導(dǎo)信息的同步仿真，外場(chǎng)實(shí)際情況測(cè)試是在外場(chǎng)環(huán)境條件下，通過實(shí)際的動(dòng)態(tài)測(cè)試來完成。一般測(cè)試評(píng)估采用兩者相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)定量極限指標(biāo)以及實(shí)際典型場(chǎng)景下指標(biāo)的測(cè)試，最終可對(duì)組合導(dǎo)航裝備的綜合性能做出置信度較高的評(píng)估。組合導(dǎo)航模擬器具備衛(wèi)星導(dǎo)航和慣性導(dǎo)航協(xié)同仿真的能力，是組合導(dǎo)航裝備進(jìn)行模擬測(cè)試的核心。

3組合導(dǎo)航性能模擬測(cè)試系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

通過對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航裝備導(dǎo)航性能測(cè)試評(píng)估的分析并結(jié)合國(guó)外先進(jìn)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念，將組合導(dǎo)航測(cè)試系統(tǒng)分為內(nèi)場(chǎng)和外場(chǎng)2個(gè)測(cè)試環(huán)境。內(nèi)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境主要基于各類模擬器面向特定的性能測(cè)試，外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境則提供真實(shí)的測(cè)試評(píng)估環(huán)境開展實(shí)際效果評(píng)估，其中內(nèi)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境以組合模擬器作為整個(gè)模擬測(cè)試系統(tǒng)核心，主要完成性能的測(cè)試評(píng)估，應(yīng)具備以下功能：

① 具備衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬能力，能夠真實(shí)模擬空間導(dǎo)航星座分布與用戶載體動(dòng)態(tài)；

② 具備慣導(dǎo)模擬仿真能力，能夠與衛(wèi)星模擬器同步模擬用戶軌跡。

組合導(dǎo)航模擬仿真在完成衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬和慣性導(dǎo)航數(shù)據(jù)模擬的基礎(chǔ)上，同時(shí)還需要保證二者時(shí)間空間坐標(biāo)的統(tǒng)一。按照功能劃分，整個(gè)組合導(dǎo)航模擬仿真系統(tǒng)包括組合導(dǎo)航仿真和誤差分析，其組成如圖3所示。

圖3　組合導(dǎo)航模擬仿真系統(tǒng)組成

用戶控制配置模塊主要包括仿真時(shí)間控制、用戶軌跡配置、衛(wèi)星導(dǎo)航星座設(shè)置以及空間傳播誤差控制等。衛(wèi)星導(dǎo)航仿真模塊包括星座仿真、環(huán)境仿真、天線仿真、異常現(xiàn)象仿真以及載體運(yùn)動(dòng)軌跡仿真(靜態(tài)、航空飛行器、陸地車輛和彈道導(dǎo)彈)等。慣導(dǎo)仿真模塊包括陀螺輸出仿真、加速度計(jì)輸出仿真等。

由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)模擬仿真生成技術(shù)已較為成熟，因此不再詳述。

4組合導(dǎo)航模擬仿真技術(shù)研究

4.1復(fù)雜運(yùn)動(dòng)軌跡模擬仿真生成

由于衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)仿真技術(shù)將載體及其衛(wèi)星導(dǎo)航天線相心作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，因此僅僅考慮了信號(hào)的生成與載體的空間軌跡參數(shù)。而實(shí)際情況下，載體姿態(tài)變化會(huì)使得衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)天線對(duì)空間的覆蓋特性發(fā)生變化，導(dǎo)致部分或全部衛(wèi)星信號(hào)減弱甚至中斷[5]。因此，與傳統(tǒng)衛(wèi)星導(dǎo)航模擬仿真相比，必須在仿真中模擬載體姿態(tài)變化對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)的影響。

(1)

式中，φ、λ和h分別為經(jīng)度、緯度和高度；φ′、λ′和h′分別為各自的變化率；a為設(shè)置的常數(shù)；cos(ωt)為軌跡變化狀態(tài)。

② 計(jì)算經(jīng)緯度的導(dǎo)數(shù)：

(2)

③ 計(jì)算經(jīng)緯度的二階導(dǎo)數(shù)：

(3)

④ 計(jì)算在地球系下的軌跡及速度加速度。

⑥ 計(jì)算導(dǎo)航系下的速度、導(dǎo)航系相對(duì)于地球系的角速度、考慮哥氏加速度后的導(dǎo)航系下的線加速度。

⑦ 計(jì)算導(dǎo)航系下載體姿態(tài)變化。

圣家堂和我以往看到的大教堂不一樣，它在莊嚴(yán)肅穆中透著靈動(dòng)詭異，在雄偉壯麗中透著細(xì)膩柔美，好像一幅矛盾又和諧的畫徐徐展現(xiàn)在你的面前，讓你見之不忘，不得不折服于高迪的想象力和感悟力。整個(gè)教堂長(zhǎng)95米，寬60米，尖塔18座，塔高170米，有三個(gè)風(fēng)格迥異的立面。東面是圣誕立面，描繪了上帝之子耶穌誕生時(shí)眾神相互慶祝的場(chǎng)面，雕刻精致，最上面用站滿鴿子的樹代表“和平”。在它的西面，則描繪了耶穌即將被賜死之前的猶大之吻，以及耶穌被吊在十字架上的悲哀場(chǎng)面。東西兩個(gè)立面渲染的氣氛完全不同，建筑雕刻手法也并不相同。而第三個(gè)立面還在建造中。

4.2慣導(dǎo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)輸出計(jì)算

① 加速度計(jì)模型[11]：

(4)

則

② 陀螺儀模型:

(5)

③ 計(jì)算仿真輸出。

通過加速度計(jì)和陀螺儀模型得到的是加速度計(jì)和陀螺儀在仿真條件下的理想輸出。要達(dá)到真實(shí)的效果，完整的傳感器模型還可以附加上隨機(jī)誤差量(隨機(jī)常值誤差、白噪聲誤差)和刻度因子等信息，作為導(dǎo)航解算的原始輸入數(shù)據(jù)。為了簡(jiǎn)化起見，在仿真過程中，僅考慮主要誤差：陀螺儀隨時(shí)間漂移誤差和加速度計(jì)隨機(jī)誤差。

陀螺儀漂移為[12]:

ε=εb+εr+ωg。

(6)

式中，εb為隨機(jī)常數(shù)；εr為一階馬爾柯夫過程；ωg為白噪聲。

加速度計(jì)誤差:

(7)

式中，Ta為相關(guān)時(shí)間；wa為白噪聲。

4.3仿真結(jié)果

基于上述算法模擬仿真了載體運(yùn)動(dòng)軌跡以及相應(yīng)情況下的慣導(dǎo)輸出數(shù)據(jù)，具體說明如下：

① 依據(jù)設(shè)置生成軌跡：靜止5s，50g加速度飛行16s，20°/s俯仰角速率調(diào)整俯仰角至-50°，勻速飛行1s，20°/s角速率調(diào)整俯仰角至0°，勻速飛行2s，20°/s角速率調(diào)整俯仰角至-50°，勻速飛行2.5s，仿真得到的軌跡如圖4所示。

圖4　仿真的載體運(yùn)動(dòng)軌跡

② 依據(jù)仿真軌跡生成相應(yīng)情況下的慣導(dǎo)與衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)。參數(shù)設(shè)置情況：陀螺零偏0.01°/h，加速度計(jì)零偏10ug，采樣率200Hz，如圖5所示；衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)頻點(diǎn)為GPSL1的C/A碼信號(hào)，中頻采樣率5MHz，載噪比51dB。

由圖5可知，載體拐彎時(shí)向心加速度為273g，直線加速度為50g，最大飛行速度近8km/s，最大飛行高度超過85km。

圖5　陀螺與加速度計(jì)仿真值

4.4仿真測(cè)試驗(yàn)證

應(yīng)用上述仿真數(shù)據(jù)，比較組合導(dǎo)航的慣導(dǎo)輔助捕獲與常規(guī)捕獲結(jié)果。常規(guī)捕獲時(shí)，頻率搜索范圍±5kHz，500Hz搜索步長(zhǎng)，1ms碼搜索，0.25碼片搜索步長(zhǎng)，慣導(dǎo)輔助捕獲時(shí)，設(shè)置慣導(dǎo)與衛(wèi)星視向速度誤差2m/s，頻率搜索步長(zhǎng)500Hz，碼搜索步長(zhǎng)0.25碼片，時(shí)間1ms。6顆衛(wèi)星的捕獲跟蹤情況如表1所示。

表1　衛(wèi)星捕獲跟蹤時(shí)間對(duì)比情況

通過實(shí)驗(yàn)可知慣導(dǎo)輔助情況下頻率搜索范圍為±500 Hz,且還可以壓縮至更小，而常規(guī)搜索范圍為±5 kHz；由捕獲時(shí)間比較可知，慣導(dǎo)輔助情況下捕獲時(shí)間是常規(guī)捕獲時(shí)間的0.1倍，捕獲效率更高，與理論分析一致，證明了組合導(dǎo)航仿真設(shè)計(jì)的正確性。

5結(jié)束語(yǔ)

通過對(duì)組合導(dǎo)航裝備測(cè)試的需求分析可以看出，組合導(dǎo)航模擬仿真在組合導(dǎo)航裝備的研制、試驗(yàn)、評(píng)估過程中起著非常重要的作用以及對(duì)組合導(dǎo)航測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)的分析研究以及對(duì)載體運(yùn)動(dòng)模型的建立，分析了慣導(dǎo)數(shù)據(jù)以及載體軌跡的仿真方法，并對(duì)涉及的組合導(dǎo)航仿真關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了初步分析和驗(yàn)證，對(duì)指導(dǎo)組合導(dǎo)航測(cè)試具有一定的參考價(jià)值。

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周泓伯女，(1989—)，工程師。主要研究方向：通信對(duì)抗、導(dǎo)航對(duì)抗。

孫旭男，(1974—)，高級(jí)工程師。主要研究方向：通信對(duì)抗、導(dǎo)航對(duì)抗。

作者簡(jiǎn)介

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”計(jì)劃)基金資助項(xiàng)目(2015AA124001)。

收稿日期：2015-09-23

中圖分類號(hào)TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1003-3106(2015)12-0040-04

doi:10.3969/j.issn.1003-3106.2015.12.11

引用格式：周泓伯，孫旭，葉紅軍.組合導(dǎo)航裝備性能評(píng)估技術(shù)研究[J].無線電工程,2015,45(12):40-43，76.