一種慣性/衛星超緊組合本地信號控制量生成方法與流程
本發明涉及一種慣性/衛星超緊組合本地信號控制量生成方法，屬于組合導航方法的技術領域。
背景技術：
慣性導航系統和衛星導航系統具有良好互補性，構建慣性/衛星組合導航系統可實現全球范圍內全天時、全天候的高精度連續導航，是導航技術近年來以及未來相當長一段時期內發展的主要方向，是解決航空、航天、陸地、水面、水下等武器裝備系統導航問題的主要技術手段，在國防和民用等領域具有重要的應用價值。
近年來，在高動態環境適應性和抗干擾、高精度等導航需求的牽引下，慣性/衛星組合導航系統的信息融合模式，經歷了松組合、緊組合、超緊組合(也稱為深組合)幾個重要的階段。目前，超緊組合技術已成為國外組合導航領域的一個研究熱點，其技術要點是將衛星導航接收機設計和慣性導航系統進行信息深度耦合，實現慣性和衛星接收機信息的雙向輔助，在組合導航系統的信息流程架構設計層面改變組合導航體制。
本地信號控制量生成技術是超緊組合實現中的關鍵技術，通過控制環節將慣性誤差引入衛星接收機內部，實現信號的深度融合；同時載波和碼相位的估計精度確定了環路能否正常工作，因此在計算過程中需要考慮多種誤差量的影響。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是：提供一種慣性/衛星超緊組合本地信號控制量生成方法，分別給出本地碼信號和載波信號的控制量生成方法，詳細地介紹了各個物理量的來源和處理手段，對工程實現有非常好的參考價值。
本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：
一種慣性/衛星超緊組合本地信號控制量生成方法，包括如下步驟：
步驟1，初始化捷聯慣性導航系統和衛星導航接收機，其中，捷聯慣性導航系統初始化包括初始對準，衛星導航接收機初始化包括接收機參數設置；
步驟2，衛星導航接收機對接收到的衛星信號進行捕獲、碼和載波跟蹤、導航電文解碼、偽距估算、位置和速度解算處理；
步驟3，衛星導航接收機對跟蹤環路進行狀態條件判斷，當跟蹤環路沒有環路失鎖并且滿足超緊組合控制的切換條件時，轉到步驟4，否則，轉到步驟2；
步驟4，獲取衛星星歷信息，按照星歷格式解算衛星星歷參數；
步驟5，根據捷聯慣性導航解算算法計算慣性導航位置、速度、姿態信息；
步驟6，根據步驟4和步驟5得到的衛星星歷參數和慣性導航位置、速度、姿態信息，計算本地碼和載波信號控制量；
步驟7，將步驟6得到的本地碼和載波信號控制量，寫入本地信號數字控制振蕩器，生成本地碼和載波信號。
作為本發明的一種優選方案，步驟3所述環路失鎖的判斷條件為以下條件中的至少一個：
1)1秒內載波鑒相值大于45度的次數，若超過10次，則判斷環路失鎖；
2)6秒內I支路相鄰兩次值異號的次數，兩個相鄰值之間的時間間隔為1ms，若次數小于4次或者大于400次，則判斷環路失鎖。
作為本發明的一種優選方案，步驟3所述超緊組合控制的切換條件為同時滿足以下條件：
a)跟蹤環路滿足位同步且幀同步狀態；
b)跟蹤衛星的健康狀態良好；
c)獲取的偽距信息有效；
d)載噪比值大于34；
e)1秒內I支路積分值的累加值大于3倍的Q支路積分值的累加值。
作為本發明的一種優選方案，步驟6所述本地碼信號控制量的計算步驟為：
I)Δts＝af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2，Δts為衛星時鐘相對系統標準時間的校正量，af0、af1、af2、toc均由衛星導航電文的第一數據塊給出，t為衛星時間；
Δtr為相對論效應的校正量，es為衛星軌道偏心率，as為軌道長半徑，Ek為偏近點角，F為常數，且μ＝3.986005×1014，c為光速；
TGD為群波延時校正值，由衛星導航電文的第一數據塊給出；
II)δts＝Δts+Δtr-TGD，δts為衛星時鐘總鐘差；
III)ρIi＝r+c(δtu-δts)+cT+cI，ρIi為估計的偽距，r為載體與衛星間的幾何距離，xI,yI,zI為捷聯慣性導航系統輸出的載體的位置坐標，xsi,ysi,zsi為衛星的位置坐標，c為光速，δtu為接收機鐘差，δts為衛星鐘差，T、I分別為對流層、電離層傳播影響；
IV)為要求解的新碼相位，φcode,i為接收機中的原碼相位，Δφ為估計的碼相位差，ρIi為估計的偽距，ρGi為接收機偽距，λcode,i為碼波長。
作為本發明的一種優選方案，步驟6所述本地載波信號控制量的計算步驟為：
A)δfs為衛星時鐘頻率漂移，af1、af2、toc均由衛星導航電文的第一數據塊給出，t為衛星時間，es為衛星軌道偏心率，as為軌道長半徑，Ek為偏近點角，F為常數，且μ＝3.986005×1014，c為光速；
B)為幾何距離變化率，xs、vs分別為衛星的位置、速度，x、v分別為捷聯慣性導航系統輸出的載體位置、速度；
C)fcarr為要求解的載波頻率，fIF為中頻頻率，λcarr為載波波長，δfu為接收機時鐘頻漂，δfs為衛星時鐘頻漂，Δθ為載波鑒相器值，ΔT為環路控制周期。
本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
1、本發明慣性/衛星超緊組合本地信號控制量生成方法，分別給出本地碼信號和載波信號的控制量生成方法，并提出一種利用初相位調整的方法保證載波信號的穩定良好跟蹤，實現了衛星導航系統與慣性導航系統的深度融合。
2、本發明慣性/衛星超緊組合本地信號控制量生成方法，詳細地介紹了各個物理量的來源和處理手段，對工程實現有非常好的參考價值。
3、本發明慣性/衛星超緊組合本地信號控制量生成方法，適用于DSP+FPGA平臺、MATLAB平臺、C++平臺等多種平臺上的慣性/衛星超緊組合系統搭建；適用于GPS、北斗等多種衛星導航系統及多頻多系統衛星導航系統與慣性系統的組合。
附圖說明
圖1是本發明慣性/衛星超緊組合本地信號控制量生成方法的步驟流程圖。
圖2是實現本發明慣性/衛星超緊組合本地信號控制量生成方法的實施例裝置結構示意圖。
圖3是本發明環路中的I、Q值散點圖。
圖4是本發明導航電文示意圖。
圖5是本發明本地信號控制效果示意圖，其中，(a)為載波鑒相器輸出，(b)碼鑒相器輸出。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施方式，所述實施方式的示例在附圖中示出。下面通過參考附圖描述的實施方式是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能解釋為對本發明的限制。
本發明提供了一種慣性/衛星超緊組合本地信號控制量生成方法，步驟流程如圖1所示，衛星導航接收機完成信號捕獲、跟蹤、位/幀同步、定位定速解算后，進行環路狀態判斷，如果環路正常跟蹤且滿足超緊組合切換條件，則獲取星歷信息和慣性導航信息進行本地碼信號和載波信號的控制量的計算，最后將計算的控制量寫入本地信號數字控制振蕩器，完成本地信號的生成。
圖2為本發明實施例的裝置結構示意圖，本發明可以用本裝置實現，但不局限于圖2所示裝置。整個裝置包括：天線、射頻模塊和基帶處理模塊。基帶處理模塊由DSP(數字信號處理器)、FPGA(現場可編程門陣列)及外圍芯片組成。其中FPGA和DSP共同配合完成本發明的本地信號控制量生成功能，由FPGA實現多通道并行處理，DSP控制流程的運行和外圍信息的收發。
具體的步驟如下：
步驟1、對捷聯慣性導航系統和衛星導航接收機進行初始化，其中捷聯慣性導航系統初始化包括初始對準，衛星導航接收機系統初始化包括初始化硬件參數、通道相關變量、環路濾波器參數等。
步驟2、衛星導航接收機對接收到的衛星信號進行捕獲、碼和載波跟蹤、導航電文解碼、偽距估算、位置和速度解算處理。
步驟3、對跟蹤環路進行狀態條件判斷，如果該通道環路跟蹤正常(沒有環路失鎖)并滿足超緊組合控制的切換條件，則執行步驟4，否則返回步驟2。
環路失鎖的判斷條件具體為：
[1]統計1秒內載波鑒相值大于45度的次數，如果超過10次，則認為載波跟蹤不穩定；
[2]統計6秒內I支路當前值與前一次的值異號的次數，如果次數小于4次或者大于400次，則認為環路跟蹤丟失。
環路超緊組合控制的切換條件為同時滿足以下條件：
[a]環路滿足位同步且幀同步狀態；
[b]本通道跟蹤衛星的健康狀態良好；
[c]獲取有效的偽距信息；
[d]載噪比值大于34；
[e]1秒內I支路積分值的累加值大于3倍的Q支路積分值的累加值。
步驟4、獲取衛星星歷信息，按照星歷格式解算相關參數。
步驟5、根據捷聯慣性導航解算算法計算慣性導航結果。
步驟6、結合星歷信息和慣性導航結果，計算本地碼信號控制量。
具體計算為：
[I]Δts為衛星時鐘相對系統標準時間的校正量，Δts＝af0+af1(t-toc)+af2(t-toc)2，其中，af0、af1、af2、toc均由衛星導航電文的第一數據塊給出，t為衛星時間；
Δtr為相對論效應的校正量，其中，es為衛星軌道偏心率，as為軌道長半徑，Ek為偏近點角，常數F的值為μ＝3.986005×1014，c為光速；
TGD為群波延時校正值，由衛星導航電文的第一數據塊給出；
[II]δts為衛星時鐘總鐘差，δts＝Δts+Δtr-TGD；
[III]ρIi為估計的偽距，ρIi＝r+c(δtu-δts)+cT+cI，其中，r為載體與衛星間的幾何距離，xI,yI,zI為捷聯慣性導航系統輸出的載體的位置坐標，xsi,ysi,zsi為衛星的位置坐標；c為光速；δtu為接收機鐘差，由接收機定位解算獲得；δts為衛星鐘差；T、I分別為對流層、電離層傳播影響，由衛星導航電文信息結合模型求解；
[IV]為要求解的新碼相位，其中，φcode,i為接收機中的原碼相位；Δφ為估計的碼相位差；ρIi為估計的偽距；ρGi為接收機偽距；λcode,i為碼波長。
步驟7、結合星歷信息和慣性導航結果，計算本地載波信號控制量。
具體計算為：
[A]δfs為衛星時鐘頻率漂移，其中，af1、af2、toc均由衛星導航電文的第一數據塊給出，t為衛星時間，其中，es為衛星軌道偏心率，as為軌道長半徑，Ek為偏近點角，常數F的值為μ＝3.986005×1014，c為光速；
[B]為幾何距離變化率，其中，xs、vs分別為衛星的位置、速度，x、v分別為捷聯慣性導航系統輸出的載體位置、速度；
[C]fcarr為要求解的載波頻率，其中，fIF為中頻頻率，λcarr為載波波長，δfu為接收機時鐘頻漂，由接收機定位定速解算獲得，δfs為衛星時鐘頻漂，Δθ為載波鑒相器值，ΔT為環路控制周期。
步驟8、按照步驟7計算的本地碼和載波信號控制量，寫入本地信號數字控制振蕩器，生成本地碼和載波信號。
基于以上裝置和超緊組合本地信號控制量生成實現方法步驟，利用DSP和FPGA進行在線仿真，仿真結果如圖3、圖4以及圖5的(a)、(b)所示。由仿真結果可以看出使用本發明的超緊組合本地信號控制量生成方法控制本地信號生成后，環路中的I、Q值分離較明顯、載波鑒相值和碼鑒相值在正常誤差范圍內，因此使用本發明的超緊組合本地信號控制量生成實現方法能夠穩定可靠地實現本地環路控制。
以上實施例僅為說明本發明的技術思想，不能以此限定本發明的保護范圍，凡是按照本發明提出的技術思想，在技術方案基礎上所做的任何改動，均落入本發明保護范圍之內。
- 還沒有人留言評論。精彩留言會獲得點贊！