INS辅助的卫星接收机高动态信号捕获仿真研究

汤霞清 陈书磊 武萌 高军强

摘 要： 由于多普勒频移严重影响信号捕获，因此使用INS辅助的GNSS信号捕获方法，提升接收机性能。通过分析不同精度INS辅助卫星接收机捕获的性能，解决了特定条件下捕获性能问题和惯性器件的选择问题。比较传统捕获算法和INS辅助的捕获方法的基本原理，分析INS速度误差、位置误差对接收机多普勒误差的影响。模拟高动态载体的行驶轨迹，并采用不同精度的INS辅助接收机捕获，获得捕获性能的指标结果，选出最适合需求的INS的精度等级。结果表明，通过选择的INS辅助，提高了接收机对卫星信号的捕获灵敏性，具有极高的性价比；对于高动态应用条件，该结果对组合导航传感器和型号的选择具有指导意义。

关键词： INS辅助接收机； 卫星接收机； 高动态信号捕获； INS； 性能分析； 仿真研究

中图分类号： TN911.7?34； V249.328 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）17?0062?05

Abstract： Since the signal acquisition is affected by Doppler frequenter shift greatly， the INS?aided GNSS （global navigation satellite system） signal acquiring method is adopted to improve the performance of receiver. The acquisition performance of the INS?aided satellite receivers with different accuracies is analyzed to solve the acquisition problem and inertial device selection problem under the special condition. The basic principles of the traditional acquisition algorithm and INS?aided acquisition algorithm are compared to analyze the influence of INS speed error and position error on Doppler error of the receiver. The traveling trajectory of the high?dynamic carrier is simulated， and acquired by the INS?aided receivers with different accuracies to get the index of the acquisition performance and select the accuracy level most suitable for the INS. The results show that the INS?aided satellite receiver can improve the acquisition sensitivity of the satellite signal， and has high cost performance， which has the guidance significance for the selection of integrated navigation sensor and its type under the condition of high?dynamic applications.

Keywords： INS?aided receiver； satellite receiver； high?dynamic signal acquisition； INS； performance analysis； simulation research

0 引 言

卫星接收机的研究是当前国防科技发展的热点之一，如何提高接收机捕获卫星信号的快速性和准确性更是研究的重点。在复杂的战场环境下，卫星信号将会大大减弱，此时卫星接收机需要更高的性能才能捕获在高动态、高干扰的环境下的卫星信号[1]。

解决卫星信号捕获和跟踪问题主要可以从两方面入手，一方面是从采取硬件升级的方法，另一方面是用例如惯性导航系统等多传感器进行信息的融合，辅助BDS接收机工作。前者由于对接收机天线等硬件设施的升级需投入较大的人力物力来研发，而后者即使较低精度的传感器也能获得接收机较大的性能提升，因此目前多采用惯导系统辅助北斗卫星接收机的组合导航方式进行精确可靠的导航定位。文献[2]研究显示INS（Inertial Navigation System）辅助捕获可以有效提升接收机性能，文献[3]研究表明INS的精度越高对接收机性能提升越好，文献[4]研究表明高动态下INS辅助的GNSS（Global Navigation Satellite System）接收机捕获更快、跟踪更稳定。

本文分析INS辅助接收机捕获的原理，推算INS的速度误差和位置误差与多普勒误差和码相位误差的关系；通过仿真载体在高动态环境下的运动，采用不同精度的INS进行辅助信号捕获。通过对结果的分析，构造出载体在特定的动态条件下，不同INS对捕获性能的提升曲线，并选择出性价比最优的INS。本研究对组合导航中惯性传感器的选择具有指导意义。

1 INS辅助的信号捕获分析

1.1 串行二维搜索法

卫星接收机将接收的信号进行中频采样后变成中频信号，与本地信号的正弦波和余弦波进行相乘混频，两路积分后将判决量进行判决，检测是否存在相应的卫星信号，若不存在则改变本地信号的频率和码相位，继续进行判决。INS和星历历书信息可以帮助设定搜索范围，从而可以大大减少码域和频域搜索的次数。辅助捕获结构如图1所示。

对式（6）、式（7）得出的结果取模并进行门限判决：如果有足够强的尖峰出现则实现了信号的捕获，尖峰出现伪码相位，而此时本地载波的频率则为信号的载波频率；否则通过控制器件调整本地载波频率和码相位，直到出现超过检测阈值的尖峰为止。

从本质上来说，串行相关滑动捕获算法就是通过不断改变本地信号的频率和码相位来缩小搜索范围，最终确定捕获的信号[5]。图2为串行滑动相关搜索视图。

如果减少预检测积分时间和多普勒频移估计误差，那么卫星接收机的信号捕获成功率就越大。但预检测积分时间的减小将会导致相关时间间隔内总采样点数的减少，从而造成相关运算中信号总功率的减小，在一定程度上反而增加了信号捕获的难度。因此，通常预检测积分时间的选取不会轻易改变，可以作为折中要素，多普勒频移误差是影响信号损耗和信号捕获成功率的主要因素。

当检测阈值为0.95时，多普勒误差小于200 Hz，码相位误差小于[14]个码片时，捕获灵敏度较高，并且计算可得此时所需信噪比约为41 dBHz，此时，误差越大，所需信噪比的提升越大。

2 仿真实验

假设载体做初速度为340 m/s的高动态运动，平均加速度为2 m/s2，总共运行了280 s，卫星接收机的滤波和输出周期均为1 s，在各个方向上的方差小于10 m，速度误差为0.l m/s，速度方差为0.1 m/s。接收机采用10组不同精度的INS分别进行仿真信号捕获的辅助，这10组INS涵盖了MENS级、战术级和导航级三个层次的精度等级。10组INS的陀螺仪精度和加速度计精度的组合如表1所示。

B1频段的载波频率为1 561.095 MHz，1 ms包含2 046个码片，仿真其导航过程中，采用INS单独运行150 s的信息进行辅助捕获，通过与真实轨迹的对比可得多普勒频移误差和码相位偏移误差。表2为仿真数据表。

3 实验分析

根据仿真得到的INS解算的多普勒频移误差和码相位偏移误差，可以得到在150 s时不同精度INS对卫星信号的检测概率，从而得到接收机的捕获灵敏度如表3所示。

通过表1～表3的数据，构造不同精度INS的捕获灵敏度的关系图，其中[x]轴为陀螺漂移，[y]轴为加速度计漂移，[z]轴为捕获灵敏度，如图5所示。

已知在检测阈值为0.95时，INS解算的多普勒误差小于200 Hz，码相位误差小于[14]个码片时，捕获灵敏度较高。使用文中的研究方法，通过图5可以得到，陀螺仪精度更大程度决定了惯性导航系统的精度，并且，当捕获灵敏度约为41 dBHz时，使用55 （°）/h精度的陀螺仪能取得较好的捕获结果。如果考虑性价比因素和圖5所示的结果，采用10 mg精度的加速度计组成的惯导仪器辅助捕获，可以获得较好的捕获性能，捕获时间较短，且性价比较高。

利用此精度的INS进行总时间为600 s的不同轨迹的高动态仿真试验，初始速度为0，最大加速度为10 m/s2，转向最大角速度为30 （°）/s，最大速度300 m/s以上，仿真轨迹如图6所示。

INS单独运行150 s输出的信息进行辅助捕获，最终得出加入选定INS辅助与无辅助的捕获灵敏度对比如图7所示。

由图7可以看出，使用预先选定的INS可以明显提升接收机的捕获灵敏度4～5 dBHz。将有无INS辅助捕获进行量化对比，见表4。通过INS和星历的辅助，可以使捕获运算量能下降一个数量级，使接收机更快地捕获到卫星信号。

假设北斗接收机的检测概率[Pd]为0.95，虚警概率[Pfa]为0.01，并且时域捕获时积分时间为1 ms，接收机系统时钟为5.714 MHz，无INS辅助时所需时间大于180 s，而有INS辅助的捕获时间小于2 s。所以通过所选择的INS辅助可以大幅度缩减卫星信号的捕获时间。INS辅助接收机捕获信号的效果显著。

4 结 论

为了使卫星接收机在高动态条件下性能提升幅度较大，并且考虑价格和工艺等多种因素，采用多组不同精度INS分别辅助接收机捕获信号。结果表明，误差为55 （°）/h的陀螺仪和10 mg的加速度计组成的惯导设备在高动态条件下能大幅提高接收机的捕获灵敏度，减少了计算量，并缩短捕获时间，在价格上也有绝对的优势。

此研究为组合导航研究中高动态下惯导器件的选择提供了参考，为设计出价格更低、精度更高的组合导航系统具有指导意义。同时，对于提高部队武器装备的制导能力和精确制导具有重要意义。

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