孟照魁,王文杰,高 爽,李先慕
(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100191)
高動(dòng)態(tài)下SINS輔助北斗捕獲方法優(yōu)化
孟照魁,王文杰,高 爽,李先慕
(北京航空航天大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院,北京100191)
針對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下北斗衛(wèi)星信號(hào)不易快速捕獲和捕獲精度低的問題,在傳統(tǒng)快速傅里葉變換并行碼相位捕獲算法的基礎(chǔ)上,提出一種基于細(xì)化快速傅里葉變換(Zoom-FFT)的捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(SINS)輔助北斗B1信號(hào)捕獲的算法,并設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)信源進(jìn)行仿真校驗(yàn)。仿真結(jié)果表明,該方法的冷啟動(dòng)時(shí)間比無輔助縮短了50%以上,溫啟動(dòng)捕獲時(shí)間僅為無輔助的2%左右,并且使系統(tǒng)捕獲的靈敏性得到了改善;同時(shí)使捕獲的載波頻率估計(jì)分辨率提高50倍以上,誤差在10Hz以內(nèi)。優(yōu)化算法可以使高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的SINS/北斗深組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有較快的衛(wèi)星信號(hào)捕獲速度和較窄的載波頻率捕獲帶,并且提高了系統(tǒng)捕獲的性能。
捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輔助;高動(dòng)態(tài);北斗B1信號(hào)捕獲;細(xì)化快速傅里葉變換
北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(BeiDou satellite navigation system,BDS)是我國獨(dú)立自主建設(shè)和發(fā)展的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[1]。隨著BDS正式向亞太區(qū)域提供服務(wù),近年來捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Strapdown inertial navigation system,SINS)與北斗系統(tǒng)的深組合導(dǎo)航系統(tǒng)已成為研究熱點(diǎn)[2-4]。衛(wèi)星信號(hào)捕獲是組合導(dǎo)航實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位的基礎(chǔ)和重要前提,但是在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下衛(wèi)星信號(hào)不易捕獲和容易失鎖,目前很多研究采用慣性信息輔助實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)環(huán)境下快速捕獲[5-6]。
在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下SINS/BDS深組合導(dǎo)航系統(tǒng)中,對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲時(shí)間和載波頻率捕獲帶有很高的要求,載波環(huán)的典型帶寬為3 Hz,對(duì)應(yīng)捕獲帶在10 Hz以內(nèi)[7]。目前的研究中,文獻(xiàn)[8-9]采用改進(jìn)的時(shí)域串行捕獲算法改善了捕獲的性能,文獻(xiàn)[10-11]采用時(shí)域和頻域差分算法,捕獲時(shí)間都較長;文獻(xiàn)[12]采用快速傅里葉變換(Fast Fourier transformation,F(xiàn)FT)時(shí)域捕獲,提高了捕獲靈敏度,但是載波頻率估計(jì)誤差達(dá)到200 Hz;文獻(xiàn)[13-14]采用FFT頻域捕獲方法并運(yùn)用內(nèi)插法精細(xì)捕獲,獲得了較快的捕獲速度,但是載波頻率估計(jì)分辨率僅達(dá)到100 Hz;文獻(xiàn)[15]提出基于匹配濾波器的FFT捕獲算法,實(shí)現(xiàn)低信噪比高動(dòng)態(tài)條件下的快速捕獲,但是未對(duì)捕獲的分辨率進(jìn)行探究;文獻(xiàn)[16]使用FFT循環(huán)相關(guān)法,捕獲速度較快、分辨率較高,但算法只適用于溫啟動(dòng);文獻(xiàn)[17]在慣性輔助的基礎(chǔ)上運(yùn)用線性調(diào)頻變換(Chirp Z-transform,CZT)將載波頻率精細(xì)化處理提高分辨率[18],可以將控制頻率誤差控制在20 Hz以內(nèi),不能滿足高動(dòng)態(tài)環(huán)境的要求。
復(fù)調(diào)制的頻譜細(xì)化快速傅里葉變換(Zoom-FFT,ZFFT)的頻域細(xì)化效果比CZT方法更好。本文基于SINS/北斗深組合導(dǎo)航系統(tǒng)課題研究背景,在傳統(tǒng)的基于快速傅里葉變換并行碼相位捕獲算法的基礎(chǔ)上,結(jié)合基于復(fù)解析帶通濾波器的Zoom-FFT頻域細(xì)化方法優(yōu)化捕獲算法,并設(shè)計(jì)高動(dòng)態(tài)B1信號(hào)仿真信源進(jìn)行仿真校驗(yàn)算法可行性。
基于FFT并行碼相位搜索的SINS輔助捕獲算法利用慣性信息和星歷信息估計(jì)多普勒頻率偏移,調(diào)整頻率搜索范圍,縮短BDS接收機(jī)信號(hào)捕獲的時(shí)間,提高捕獲性能。傳統(tǒng)的SINS輔助BDS捕獲的原理如圖1所示。
根據(jù)圖1,傳統(tǒng)算法的捕獲過程如下:
1)天線接收北斗衛(wèi)星信號(hào),經(jīng)過射頻模塊處理后得到B1數(shù)字中頻信號(hào)。
2)利用SINS的慣性信息和衛(wèi)星星歷計(jì)算多普勒頻率,將得到的多普勒頻率引入到本地載波數(shù)字控制振蕩器(Numerically controlled oscillator,NCO)中,調(diào)整本地載波NCO的搜索頻率范圍。
3)將B1數(shù)字中頻信號(hào)與本地載波混頻,得到的同相I支路和正交Q支路信號(hào)構(gòu)成復(fù)數(shù)序列信號(hào),對(duì)其求快速傅里葉變換(FFT);對(duì)本地偽碼求FFT,并將兩個(gè)FFT結(jié)果進(jìn)行復(fù)數(shù)相乘。
4)對(duì)相乘結(jié)果進(jìn)行逆傅里葉變換,取模平方輸出相關(guān)結(jié)果,根據(jù)相關(guān)輸出判定信號(hào)是否完成捕獲。
該傳統(tǒng)捕獲算法可以大幅縮短BDS接收機(jī)捕獲信號(hào)的時(shí)間,提升高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的捕獲能力和捕獲性能。但是捕獲的分辨率不高,通常為幾百到數(shù)千赫茲,難以滿足高動(dòng)態(tài)下SINS/BDS深組合導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)捕獲帶的要求。因此,需要對(duì)局部窄帶寬進(jìn)行頻率細(xì)化以提高捕獲的分辨率,減小捕獲載波頻率誤差。
為提高捕獲的分辨率,在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上提出Zoom-FFT頻域細(xì)化法優(yōu)化的SINS輔助BDS捕獲算法,以下簡稱優(yōu)化算法。優(yōu)化算法在傳統(tǒng)算法的基礎(chǔ)上增加精細(xì)捕獲過程,精細(xì)過程采用頻域并行頻率搜索捕獲方法,并利用基于復(fù)解析帶通濾波器的Zoom-FFT方法進(jìn)行頻域精細(xì)化處理。優(yōu)化算法的結(jié)構(gòu)如圖2所示。
假設(shè)捕獲過程中數(shù)據(jù)采樣頻率為fs,采樣點(diǎn)數(shù)為Ns,采樣時(shí)間為Ts,頻域搜索步長為Δfd(典型值500 Hz),則捕獲的載波頻率估計(jì)分辨率
當(dāng)Δfs>Δfd時(shí),捕獲的載波頻率估計(jì)的最大誤差Δf=Δfd/2;當(dāng)Δfs<Δfd時(shí),捕獲的載波頻率估計(jì)的最大誤差Δf=Δfs/2。因此可以通過減小頻域搜索的步長或提高捕獲頻率的分辨率減小載波頻率估計(jì)的誤差。減小頻域搜索步長會(huì)增大系統(tǒng)資源消耗,增加捕獲時(shí)間。提高捕獲頻率分辨率是減小捕獲誤差的更有效方法。
Zoom-FFT方法具有選帶靈活、普泄露范圍小以及頻域細(xì)化效果好等特點(diǎn)[19],假設(shè)已知載波頻率在(f1,f2)范圍內(nèi),采用Zoom-FFT方法對(duì)該頻率范圍進(jìn)行頻譜細(xì)化,細(xì)化倍數(shù)為D,則細(xì)化后的載波頻率分辨率
由式(1)和式(2)得出Δfs=DΔf's,捕獲頻率分辨率比細(xì)化前提高了D倍。即在Δfs<Δfd時(shí),捕獲載波頻率的最大誤差比細(xì)化前減小了D倍。隨著細(xì)化倍數(shù)的增大,資源消耗增加,信號(hào)譜線幅值誤差增大。因此需要根據(jù)實(shí)際需求選擇適當(dāng)?shù)腄值進(jìn)行細(xì)化處理,提高捕獲頻率分辨率,減小誤差。
基于復(fù)解析帶通濾波器的Zoom-FFT選帶分析算法可以提高算法的效率、減小內(nèi)存空間消耗,適合在工程中應(yīng)用[20]。本文進(jìn)行復(fù)解析帶通數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì),假設(shè)通帶寬為(ω1,ω2),帶通中心頻率為ωe,截止頻率為ω0,則
復(fù)解析帶通濾波器的沖激響應(yīng)為
式中:
式中:k=0,±1,±2,…,±M,M為濾波器的半階數(shù)。
基于復(fù)解析帶通濾波器的Zoom-FFT選帶分析精細(xì)捕獲過程如下:
1)利用已得到的碼偏移對(duì)輸入信號(hào)剝離CB1I碼,得到信號(hào)X(n),其采樣頻率為fs,數(shù)據(jù)長度為N。
2)利用已得到的粗捕獲載波頻率fe,選定細(xì)化頻帶[f1,f2],并根據(jù)細(xì)化頻帶設(shè)計(jì)復(fù)解析帶通數(shù)字濾波器 h'(k),濾波器的半階數(shù)為 M。通常加Hanning窗或Kaiser窗改善通帶振蕩和阻帶紋波。
3)對(duì)復(fù)解析帶通數(shù)字濾波器 h'(k)和信號(hào)X(n)進(jìn)行卷積運(yùn)算實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波,得到信號(hào)X'(n),并對(duì)X'(n)選抽采樣,選抽比為D,抽取點(diǎn)數(shù)為N/D,重采樣后信號(hào)為G(m)。利用復(fù)解析帶通濾波器可以將濾波與選抽結(jié)合,提高計(jì)算效率。
4)將G(m)進(jìn)行復(fù)調(diào)制移頻得到信號(hào)G'(m),移頻量為2πDf1/fs,將f1移至零頻點(diǎn)。G'(m)的長度為N/D。
5)在G'(m)尾部補(bǔ)N-N/D個(gè)零,對(duì)G'(m)作N點(diǎn)FFT運(yùn)算并取模平方檢測相關(guān)結(jié)果,得到細(xì)化頻譜和相關(guān)輸出,相關(guān)峰值最值點(diǎn)的頻率即為精細(xì)捕獲載波頻率。補(bǔ)零實(shí)質(zhì)是在原始點(diǎn)數(shù)的FFT中內(nèi)插了一些頻率分量,補(bǔ)零之后可以將功率譜的峰值位置比較清晰地顯露出來。補(bǔ)N-N/D個(gè)零,相當(dāng)于局部的分辨率提升了D倍,提高了測頻的精度。
針對(duì)北斗B1頻段I支路信號(hào)開展研究,采用Matlab實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)數(shù)字中頻信源的設(shè)計(jì)。
高動(dòng)態(tài)環(huán)境下北斗二代B1信號(hào)的近似解析表達(dá)式:
式中:j是可見衛(wèi)星的測距編碼號(hào),τk是采樣時(shí)間,Sj(τk)是時(shí)刻接收到的第 j顆衛(wèi)星的中頻數(shù)字信號(hào),AI和AQ分別表示在B1頻段載波I支路和Q支路的測距碼振幅,和分別表示I支路和Q支路的測距碼,和分別表示I支路和Q支路測距碼上調(diào)制的導(dǎo)航電文數(shù)據(jù),ts(j)是測距碼的起始時(shí)間,fD是載波的多普勒頻移,fIF表示中頻,η為多普勒頻移而引起的測距碼偏移,和表示I支路和Q支路載波的初始相位,nj(τk)為噪聲。
選用第19顆衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行仿真,仿真信源的結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)實(shí)際條件設(shè)置信號(hào)頻率為4.092 MHz,采樣頻率為16.368 MHz,CB1I碼速率為2.046 MHz,信道加入加性高斯白噪聲[21],載噪比為35 dB,同時(shí)加入高速載體的多普勒頻移。
假設(shè)在高動(dòng)態(tài)載體相對(duì)衛(wèi)星做勻加速直線運(yùn)動(dòng),初始速度為V0,加速度為ars,由高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的接收機(jī)相對(duì)衛(wèi)星的多普勒頻移表示為:
式中:fL為B1信號(hào)載波中心頻率,c為光速,ts為采樣時(shí)間,ΔV為速度變化量。由式(9)可知,由于捕獲采樣時(shí)間ts很短,載體相對(duì)速度很高,所以多普勒頻移的大小主要由高動(dòng)態(tài)載體的速度決定。
本文分別在有、無SINS輔助條件下仿真校驗(yàn)優(yōu)化捕獲算法,在捕獲時(shí)間和捕獲分辨率方面分析捕獲性能。
選用高速度、高加速度的高動(dòng)態(tài)環(huán)境仿真校驗(yàn)優(yōu)化捕獲算法的性能。設(shè)定載體速度為2000 m/s,加速度為20 g,初始速度誤差為0.1 m/s,根據(jù)式(9)得到因載體高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移最大值:
冷啟動(dòng)條件下需要“滿天搜索”,衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的最大多普勒頻移為5 kHz,在t時(shí)刻的多普勒頻率搜索范圍為[-(15.5+0.5t)kHz,(15.5+0.5t)kHz],取搜索步長為500 Hz,單顆衛(wèi)星需要63次頻域搜索。SINS輔助下,多普勒頻率搜索范圍為[-(5.5+ 0.5t)kHz,(5.5+0.5t)kHz],單顆衛(wèi)星需要23次頻域搜索。溫啟動(dòng)條件下至少需搜索4顆衛(wèi)星,在t時(shí)刻多普勒頻率搜索范圍為[-(10.5+0.5t)kHz,(10.5+0.5t)kHz],單顆衛(wèi)星需要43次頻域搜索。SINS輔助下,多普勒頻率偏差為±150 Hz,僅需要1~2次頻域搜索,通常一次消耗時(shí)間約為2.5 ms[22]。表1為有、無SINS輔助捕獲時(shí)間粗略對(duì)比。
表1 兩種啟動(dòng)方式下捕獲參數(shù)對(duì)比Table 1 Parameters comparison of acquisition in two patterns
由表1可知,利用SINS輔助BDS捕獲可以大幅縮小頻率搜索范圍,縮短捕獲時(shí)間。冷啟動(dòng)下有SINS輔助的捕獲時(shí)間比無輔助縮短50%以上,捕獲時(shí)間少于20 s;溫啟動(dòng)下有SINS輔助的捕獲時(shí)間僅為無輔助的2%左右,捕獲時(shí)間少于1 s。
本文在冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)下分別進(jìn)行有、無SINS輔助的捕獲算法仿真,仿真中的高動(dòng)態(tài)信源調(diào)制了6550 Hz多普勒頻移。冷啟動(dòng)下,有SINS輔助的頻率搜索范圍為11 kHz,搜索次數(shù)僅為23次;溫啟動(dòng)下,有SINS輔助的頻率搜索范圍為1 kHz,搜索次數(shù)少于3次。圖4是冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)下SINS輔助捕獲結(jié)果。仿真結(jié)果顯示捕獲成功,說明SINS輔助BDS捕獲可以大幅減小頻率搜索范圍縮短捕獲時(shí)間。
圖5為冷啟動(dòng)、溫啟動(dòng)下有無SINS輔助時(shí)載噪比對(duì)捕獲時(shí)間和檢測概率的影響關(guān)系,歸一化門限值為3.0。結(jié)果表明,利用SINS輔助捕獲改善了捕獲的靈敏性。
綜合圖4和圖5可知,利用SINS輔助捕獲可以縮短捕獲時(shí)間,提高接收機(jī)的可靠性和捕獲性能。
采用本文提出的優(yōu)化算法提高捕獲載波頻率的分辨率,簡便起見,以冷啟動(dòng)下SINS輔助捕獲為例進(jìn)行仿真校驗(yàn)。圖6(a)為粗略捕獲的頻域搜索結(jié)果,捕獲的粗略載波頻率fe=4098500 Hz。精細(xì)捕獲階段以fe為細(xì)化頻帶的頻率中心,細(xì)化頻率通帶為[4098250,4098750]Hz,F(xiàn)FT的點(diǎn)數(shù)為2048,細(xì)化倍數(shù)D=50。
細(xì)化倍數(shù)增大,內(nèi)存資源消耗、時(shí)間消耗以及信號(hào)譜線幅值誤差隨之增大,在滿足需求的前提下D應(yīng)取小值。選取采樣頻率為fs=16.368 MHz,采樣時(shí)間Ts=1 ms,傳統(tǒng)捕獲算法捕獲的載波頻率分辨率為Δf=1/Ts=1000 Hz,最大捕獲誤差為Δf/2= 500 Hz。為滿足高動(dòng)態(tài)深組合系統(tǒng)的需求,要求最大捕獲誤差為Δf'/2≤10 Hz,捕獲的載波頻率分辨率為Δf'=Δf/D≤20 Hz。綜合考慮,細(xì)化倍數(shù)D選取50即可滿足需求。
精細(xì)捕獲結(jié)果如圖6(b)所示。真實(shí)載波頻率為4098550 Hz,傳統(tǒng)算法捕獲的粗略載波頻率估計(jì)誤差為 -50 Hz,精細(xì)捕獲階段載波頻率為4098542 Hz,載波頻率估計(jì)誤差僅為-8 Hz。
進(jìn)一步校驗(yàn)優(yōu)化算法的有效性,調(diào)整載噪比,對(duì)應(yīng)的精細(xì)捕獲載波頻率估計(jì)誤差曲線如圖7所示。另外,利用不同北斗衛(wèi)星進(jìn)行重復(fù)性校驗(yàn),傳統(tǒng)算法和優(yōu)化算法的捕獲誤差對(duì)比結(jié)果如表2所示。
從圖6、圖7和表1可以看出,精細(xì)捕獲過程可以將載波頻率估計(jì)的誤差控制在10 Hz以內(nèi),這與理論分析得出的結(jié)論一致。根據(jù)文獻(xiàn)[23]的研究,采用一級(jí)有限沖擊響應(yīng)(Finite impulse response,F(xiàn)IR)數(shù)字濾波器,最大細(xì)化倍數(shù)可達(dá)150倍,采用二級(jí)FIR濾波器細(xì)化倍數(shù)可達(dá)2000倍以上。本文采用的一級(jí)FIR數(shù)字濾波器,若選取細(xì)化倍數(shù)D= 150,則捕獲載波頻率分辨率可達(dá)6.7 Hz,最大捕獲誤差僅為3.3 Hz。通過理論和仿真結(jié)果分析,采用本文提出的基于復(fù)解析帶通濾波器Zoom-FFT選帶分析法的SINS輔助BDS捕獲算法提高了載波頻率估計(jì)的分辨率,使捕獲的載波頻率估計(jì)誤差控制在10 Hz以內(nèi)甚至更小范圍。
表2 捕獲結(jié)果對(duì)比Table 2 Comparison of acquisition results
本文結(jié)合SINS技術(shù)和Zoom-FFT頻率精細(xì)化方法改進(jìn)北斗B1信號(hào)捕獲算法并進(jìn)行仿真校驗(yàn)。首先運(yùn)用基于FFT的并行碼相位捕獲算法,利用SINS的速度位置信息輔助接收機(jī)捕獲得到粗略的載波頻率,再以該頻率作為中心頻率,結(jié)合基于復(fù)解析帶通濾波器的Zoom-FFT選帶分析方法進(jìn)行精細(xì)捕獲。試驗(yàn)結(jié)果表明,冷啟動(dòng)下有SINS輔助比無輔助的捕獲時(shí)間縮短了50%以上,捕獲時(shí)間小于20 s;溫啟動(dòng)下有SINS輔助的捕獲時(shí)間僅為無輔助的2%左右,捕獲時(shí)間小于1 s;優(yōu)化算法提高了載波頻率估計(jì)的分辨率,使捕獲的載波頻率估計(jì)誤差控制在10 Hz以內(nèi)甚至更小范圍,滿足高動(dòng)態(tài)SINS/BDS深組合系統(tǒng)中跟蹤環(huán)路的要求;除此之外還提高了系統(tǒng)捕獲的靈敏性和可靠性。
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通信地址:北京市海淀區(qū)學(xué)院路37號(hào)(100191)
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王文杰(1990-),男,碩士生,主要從事導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制方向研究。本文通信作者。
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(編輯:牛苗苗)
Optimization Method of BeiDou Acquisition Aided with SINS in High Dynamic Condition
MENG Zhao-kui,WANG Wen-jie,GAO Shuang,LI Xian-mu
(School of Instrumentation Science and Opto-electronics Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China)
According to the special requirements of the acquisition time and carrier frequency for strapdown inertial navigation system(SINS)/BeiDou tightly integrated navigation system under high dynamic environment,an algorithm based on zoom-fast Fourier transformation(Zoom-FFT)that receiver captures BeiDou B1 signal with SINS is put forward in this paper.The algorithm optimizes the traditional algorithm,the parallel code phase acquisition method based on fast Fourier transformation(FFT).Then,it designs a high dynamic source for simulation and verifies the algorithm.The simulation results show that this method reduces 50%cold start-time than that without aid,the warm start-time is only about 2%,and the sensitivity of the system is improved.At the same time,the estimated carrier frequency resolution increases by more than 50 times,and the error is less than 10 Hz.The optimized algorithm can meet the requirements of tracking loop in the deeply integrated navigation system under high-dynamic environment,and improve the system acquisition performance.
Strapdown inertial navigation system aided;High dynamic;BeiDou B1 signal acquisition;Zoom-fast Fourier transformation
V249.3
A
1000-1328(2017)01-0034-07
10.3873/j.issn.1000-1328.2017.01.005
孟照魁(1973-),男,副教授,主要從事儀器儀表及導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制方向研究。
2016-05-09;
2016-07-20