一種新型慣性輔助gps接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種INS輔助GPS接收機(jī)射頻前端的INS/GPS組合方法。首先通過(guò)組合濾波器將INS導(dǎo)航信息和GPS導(dǎo)航信息進(jìn)行融合，修正INS導(dǎo)航信息誤差，然后利用修正后的INS導(dǎo)航信息和GPS導(dǎo)航電文實(shí)時(shí)計(jì)算載體相對(duì)于每顆衛(wèi)星的多普勒頻移，并將得到的多普勒頻移換算為GPS中頻信號(hào)載波的波長(zhǎng)變化。最后根據(jù)載波的波長(zhǎng)變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)GPS接收機(jī)射頻前端ADC的采樣時(shí)間間隔，補(bǔ)償因?yàn)槎嗥绽疹l移導(dǎo)致的中頻數(shù)字信號(hào)采樣點(diǎn)變化，隔離多普勒頻移對(duì)GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路的影響。
【專利說(shuō)明】一種新型慣性輔助GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種新型INS輔助的GPS接收機(jī)系統(tǒng)，此GPS接收機(jī)系統(tǒng)方案具有優(yōu)良的聞動(dòng)態(tài)性能，適用于聞速戰(zhàn)斗機(jī)、導(dǎo)彈等聞動(dòng)態(tài)環(huán)境下的GPS定位應(yīng)用。
【背景技術(shù)】
[0002]全球定位系統(tǒng)GPS (Global Positioning System)是目前使用最廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)，大量應(yīng)用在民用和軍事領(lǐng)域，尤其是在精確制導(dǎo)導(dǎo)彈等高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的應(yīng)用更顯重要。對(duì)于安裝在運(yùn)動(dòng)載體上的GPS接收機(jī)，根據(jù)載體運(yùn)動(dòng)的速度和加速特性，可以將GPS接收機(jī)的工作環(huán)境劃分為靜態(tài)環(huán)境、中低動(dòng)態(tài)環(huán)境和高動(dòng)態(tài)三種。通常情況下，將具有較高的速度、加速度和加加速度的載體運(yùn)動(dòng)環(huán)境定義為高動(dòng)態(tài)環(huán)境。以典型的GPS高動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境，高性能殲擊機(jī)的機(jī)動(dòng)參數(shù)為例，其最高橫滾角速度最高可達(dá)±500° /s，最高角加速度為±1500° /s2，最高線加速度為15g/s，g為重力加速度。傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)通常采用延遲鎖定換(Delay Lock Loop)和鎖頻換(Frequency Lock Loop)對(duì)載波信號(hào)進(jìn)行跟蹤。而在高動(dòng)態(tài)環(huán)境中，由載體的高速機(jī)動(dòng)引起的GPS信號(hào)多普勒頻移很大，多普勒頻移變化率很高，因此在沒(méi)有諸如慣性器件等外部輔助的條件下，傳統(tǒng)的GPS接收機(jī)的跟蹤環(huán)路很容易失去對(duì)GPS信號(hào)的跟蹤鎖定。國(guó)內(nèi)外針對(duì)高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的GPS接收機(jī)技術(shù)做了大量研究，其中比較有代表性的就是INS/GPS超緊組合方案，超緊組合是一種INS、GPS深層次的組合方式，在GPS為INS提供誤差矯正信息的同時(shí)，矯正后的INS可以輔助GPS跟蹤環(huán)路中的載波/碼NCO (數(shù)控振蕩器)，對(duì)高動(dòng)態(tài)的GPS信號(hào)進(jìn)行跟蹤。在這種組合系統(tǒng)中，GPS載波環(huán)帶寬可降至l-2Hz，使抗干擾能力較單純GPS接收機(jī)提高約15dB。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是:克服傳統(tǒng)GPS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下性能的不足，提出一種INS輔助的GPS接收機(jī)，可實(shí)現(xiàn)GPS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的可靠工作。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)解決方案為:一種新型慣性輔助GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于，由INS (慣性導(dǎo)航系統(tǒng))、采樣頻率可調(diào)的GPS (全球衛(wèi)星定位系統(tǒng))衛(wèi)星接收機(jī)射頻前端、GPS衛(wèi)星接收機(jī)基帶處模塊、INS/GPS組合濾波器組成；INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由三個(gè)光纖陀螺儀和三個(gè)石英加速度計(jì)組成；采樣頻率可調(diào)的GPS衛(wèi)星接收機(jī)射頻前端由GPS天線、低噪聲放大器、帶通濾波器、混頻器及多個(gè)采樣ADC組成；GPS衛(wèi)星接收機(jī)基帶處模塊可以是由FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)和DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)開(kāi)發(fā)的軟件無(wú)線電接收機(jī)，也可以是專用的 ASIC (Application Specific Integrated Circuit)集成電路；INS/GPS 組合導(dǎo)航濾波器為卡爾曼濾波器。其特點(diǎn)在于=INS輔助GPS接收機(jī)進(jìn)行GPS信號(hào)跟蹤通過(guò)下列步驟實(shí)現(xiàn):
[0005](I)首先啟動(dòng)INS導(dǎo)航裝置、GPS導(dǎo)航裝置，得到地心地固坐標(biāo)系下的INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度、高度)、GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度、高度)及GPS導(dǎo)航電文；
[0006](2)啟動(dòng)INS/GPS組合導(dǎo)航濾波器，通過(guò)組合導(dǎo)航濾波器將INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度、高度)和GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)(經(jīng)度、緯度、高度)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，估計(jì)得到GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的定位誤差，并利用得到的定位誤差修正GPS定位信息和INS定位信息，提高GPS接收機(jī)定位精度，消除INS導(dǎo)航系統(tǒng)積累的定位誤差；
[0007](3)利用GPS導(dǎo)航電文中的數(shù)據(jù)計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻GPS衛(wèi)星在地心地固坐標(biāo)系中的位置，然后利用GPS衛(wèi)星的位置和修正后的INS定位信息計(jì)算出GPS接收機(jī)相對(duì)于每顆GPS衛(wèi)星的多普勒頻移；
[0008](4)將每顆GPS衛(wèi)星的多普勒頻移換算成GPS接收機(jī)接收到的中頻信號(hào)波長(zhǎng)的變化率，根據(jù)波長(zhǎng)變化率調(diào)節(jié)GPS接收機(jī)射頻前端中各通道ADC的采樣頻率，使ADC在中頻信號(hào)波長(zhǎng)變化后仍然可以在不變的位置進(jìn)行采樣。
[0009]本發(fā)明的原理是:在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下，當(dāng)裝有GPS接收機(jī)的載體做高加加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，GPS接收機(jī)接收到的GPS信號(hào)具有非常大的多普勒頻率變化率，導(dǎo)致GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路中的鎖相環(huán)失鎖。利用INS系統(tǒng)對(duì)高動(dòng)態(tài)運(yùn)行測(cè)量的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)的控制GPS接收機(jī)射頻前端中的ADC采樣間隔，抵消由于多普勒頻移導(dǎo)致的ADC采樣點(diǎn)變化，降低GPS接收機(jī)跟蹤環(huán)路中載波頻率的變化，最終達(dá)到INS輔助GPS接收機(jī)進(jìn)行載波跟蹤的目的。
[0010]調(diào)節(jié)ADC采樣周期抵消多普勒頻移的原理如下:如圖2所示，其中(I)表示原始的衛(wèi)星信號(hào)，ADC采樣點(diǎn)為a、b、c、d、e，(2)表示存在多普勒頻移的衛(wèi)星信號(hào)。從(2)可以看至IJ，如果GPS接收機(jī)可以得到當(dāng)前時(shí)刻的多普勒頻移，就可以利用此多普勒頻移計(jì)算出一個(gè)合適的ADC采樣周期，按著此周期對(duì)GPS信號(hào)采樣，使得到的采樣點(diǎn)al、bl、cl、dl、el，與
(I)中的采樣點(diǎn)a、b、C、d、e相等，從而達(dá)到補(bǔ)償多普勒頻移的目的。
[0011]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0012](I)克服了傳統(tǒng)GPS接收機(jī)在高動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境下的失鎖問(wèn)題。一方面提高了 GPS跟蹤環(huán)路在高動(dòng)態(tài)環(huán)境的跟蹤性能，另一方面降低了跟蹤環(huán)路的環(huán)路濾波器帶寬，使跟蹤環(huán)路具有更聞的跟蹤精度。
[0013](2)本發(fā)明只需要對(duì)GPS射頻前端做局部的修改，而不需要重新構(gòu)建結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的GPS跟蹤環(huán)路。
[0014](3)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定且實(shí)現(xiàn)容易。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本發(fā)明的INS輔助的GPS接收機(jī)結(jié)構(gòu)框圖；
[0016]圖2為調(diào)節(jié)ADC采樣時(shí)鐘補(bǔ)償多普勒頻移的原理；
[0017]圖3為GPS接收機(jī)射頻前端結(jié)構(gòu)圖；
[0018]圖4為GPS接收機(jī)基帶處理模塊結(jié)構(gòu)圖；
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。本發(fā)明結(jié)構(gòu)如圖1所示，
[0020]INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(5)測(cè)量載體的位置、速度和姿態(tài)數(shù)據(jù)；采樣頻率可調(diào)的GPS衛(wèi)星接收機(jī)射頻前端(I)接收GPS衛(wèi)星信號(hào)，并將接收到的衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)換為中頻數(shù)字信號(hào)；GPS衛(wèi)星接收機(jī)基帶處理模塊(2)對(duì)中頻數(shù)字信號(hào)進(jìn)行解調(diào)和時(shí)間/位置解算，得到載體位置和GPS衛(wèi)星導(dǎo)航電文；INS/GPS組合濾波器(3)通過(guò)卡爾曼濾波器將INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，生成誤差校正后的INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)；ADC采樣頻率調(diào)節(jié)模塊(4)根據(jù)載體的位置/速度和衛(wèi)星的位置/速度計(jì)算出具體的ADC采樣頻率調(diào)節(jié)量，通過(guò)調(diào)節(jié)量控制(I)中的ADC采樣頻率。
[0021]所述的采樣頻率可調(diào)的GPS衛(wèi)星接收機(jī)射頻前端結(jié)構(gòu)如圖3所示，由GPS天線、低噪聲放大器、帶通濾波器、混頻器及多個(gè)并行的采樣ADC組成，采樣ADC的采樣時(shí)鐘由數(shù)控振蕩器提供，數(shù)控振蕩器的輸出頻率由ADC采樣頻率調(diào)節(jié)模塊控制；
[0022]所述GPS衛(wèi)星接收機(jī)基帶處模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，由FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)和DSP (數(shù)字信號(hào)處理器)組成，其中FPGA實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入的GPS數(shù)字中頻信號(hào)的C/A (偽隨機(jī)碼)跟蹤和載波跟蹤，并根據(jù)碼鑒相器和載波鑒相器的輸出控制本地碼NC0(數(shù)控振蕩器)和載波NCO生成本地碼信號(hào)和載波信號(hào)，對(duì)C/A碼和載波進(jìn)行剝離。DSP對(duì)經(jīng)過(guò)碼剝離和載波剝離的GPS中頻信號(hào)進(jìn)行導(dǎo)航電文的提取和解碼，并根據(jù)導(dǎo)航電文數(shù)據(jù)計(jì)算偽距、衛(wèi)星位置、軌道誤差及衛(wèi)星鐘差等，最后根據(jù)偽距和衛(wèi)星位置等計(jì)算出GPS接收機(jī)位置。
[0023]所述ADC采樣頻率調(diào)節(jié)模塊根據(jù)校正后的INS導(dǎo)航信息和GPS衛(wèi)星位置信息計(jì)算每個(gè)衛(wèi)星通道的多普勒頻移，并根據(jù)多普勒頻移產(chǎn)生每個(gè)ADC的采樣頻率控制信號(hào)，其具體計(jì)算方法為:
[0024]V1 = [vI；x vI；z vI； JvG；k = [vG；k；x vG’k’y vG,k,z]
[0025]Avk = [V1-VgjJ = [Avk；x Avk；y Avkz]
【權(quán)利要求】
1.一種新型慣性輔助GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于: 由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS、采樣頻率可調(diào)的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS衛(wèi)星接收機(jī)射頻前端、GPS衛(wèi)星接收機(jī)基帶處模塊、INS/GPS組合濾波器及ADC采樣時(shí)鐘調(diào)節(jié)模塊組成，采用INS輔助GPS接收機(jī)對(duì)GPS衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤，其中所述INS輔助GPS接收機(jī)衛(wèi)星信號(hào)跟蹤通過(guò)下列步驟實(shí)現(xiàn): (1)首先按傳統(tǒng)方式啟動(dòng)INS導(dǎo)航系統(tǒng)和GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，得到INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)、GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)及GPS導(dǎo)航電文，其中所述導(dǎo)航數(shù)據(jù)包括經(jīng)度、緯度和高度； (2)建立INS/GPS組合導(dǎo)航濾波器，利用步驟(I)得到的INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)進(jìn)行INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)和GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的信息融合，通過(guò)GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)修正INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的誤差積累，防止INS導(dǎo)航系統(tǒng)誤差影響GPS接收機(jī)的跟蹤精度； (3)利用步驟(I)得到的GPS導(dǎo)航電文計(jì)算出當(dāng)前時(shí)刻各可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的位置，并利用各可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的位置和步驟(2)得到的修正后的INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)計(jì)算出GPS接收機(jī)相對(duì)于每顆可見(jiàn)GPS衛(wèi)星的多普勒頻移； (4)將步驟(3)得到的相對(duì)于各GPS衛(wèi)星的多普勒頻移換算成GPS接收機(jī)接收到的中頻信號(hào)波長(zhǎng)的變化率，根據(jù)波長(zhǎng)變化率調(diào)節(jié)GPS接收機(jī)射頻前端中ADC的采樣頻率，使ADC在中頻信號(hào)波長(zhǎng)變化后仍然可以在不變的位置進(jìn)行采樣。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型慣性輔助GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:所述的INS慣性導(dǎo)航系統(tǒng)包括光纖陀螺儀和石英加速度計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型慣性輔助GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:所述的采樣頻率可調(diào)的GPS衛(wèi)星接收機(jī)射頻前端包括GPS天線、低噪聲放大器、帶通濾波器、混頻器及多個(gè)采樣ADC，其中所述采樣ADC的采樣頻率可調(diào)，且每個(gè)GPS接收機(jī)跟蹤通道配置一個(gè)獨(dú)立的ADC。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型慣性輔助GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其中步驟(I)中所述INS輔助GPS接收機(jī)衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行跟蹤包括以下步驟:通過(guò)INS和GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)計(jì)算出接收機(jī)相對(duì)于每顆GPS衛(wèi)星的多普勒頻移，并根據(jù)每個(gè)通道的多普勒頻移動(dòng)態(tài)的控制GPS射頻采樣前端中相應(yīng)通道ADC的采樣頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型慣性輔助GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:所述的GPS衛(wèi)星接收機(jī)基帶處模塊可以是由現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列FPGA和數(shù)字信號(hào)處理器DSP開(kāi)發(fā)的軟件無(wú)線電接收機(jī)，也可以是專用的ASIC集成電路，其功能是對(duì)GPS數(shù)字中頻信號(hào)進(jìn)行捕獲、跟蹤及位置計(jì)算，同時(shí)通過(guò)GPS信號(hào)得到GPS衛(wèi)星星歷。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種新型慣性輔助GPS接收機(jī)實(shí)現(xiàn)方法，其特征在于:其所述的INS/GPS組合導(dǎo)航濾波器為卡爾曼濾波器，濾波器的狀態(tài)向量為X (t) = [XrasXeps]τ，其中Xins為INS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的位置誤差、速度誤差和姿態(tài)角誤差，Xeps為GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)的位置誤差和速度誤差；觀測(cè)量為:Z(t) = [Pins-Pgps Vras-Veps]τ，其中Pins為INS導(dǎo)航系統(tǒng)給出的位置信息，Pgps為GPS導(dǎo)航系統(tǒng)給出的位置信息，Vins為INS導(dǎo)航系統(tǒng)給出的速度信息，Veps為GPS導(dǎo)航系統(tǒng)給出的速度信息。
【文檔編號(hào)】G01S19/47GK103995272SQ201410259221
【公開(kāi)日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】陳熙源, 王熙贏, 方琳, 崔冰波, 宋銳, 湯傳業(yè) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)