制导火箭INS辅助GNSS跟踪环路设计_王新龙.pdf
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1、第 43 卷第 3 期2023 年 6 月弹箭与制导学报Journal of Projectiles,ockets,Missiles and GuidanceVol.43 No.3Jun.2023DOI:10 15892/j cnki djzdxb 2023 03 013收稿日期:2022 03 01作者简介:王新龙(1988),男,工程师,硕士,研究方向:惯性导航与卫星导航的组合导航。引用本文:王新龙,雷一非,赵奇,等 制导火箭 INS 辅助 GNSS 跟踪环路设计 J 弹箭与制导学报,2023,43(3):87-92WANG Xinlong,LEI Yifei,ZHAO Qi,et al
2、Design for guided rocket INS aided GNSS tracking loopJ Journal of Projectiles,ockets,Missiles and Guid-ance,2023,43(3):87-92制导火箭 INS 辅助 GNSS 跟踪环路设计王新龙,雷一非,赵奇,吴鹏(西安现代控制技术研究所,陕西 西安710065)摘要:为提高制导火箭全球导航卫星系统(GNSS)在高动态环境中的稳定跟踪能力,提出一种使用弹上 INS 辅助GNSS 载波跟踪环路的方法,该方法采用 INS 估计 GNSS 的多普勒频率信息,控制 GNSS 跟踪环路中本地信号的载
3、波和码发生器,进而降低高动态环境对 GNSS 跟踪环路的影响。仿真实验结果表明,该方法不仅能有效减小跟踪环路的相位误差和多普勒频率跟踪误差,而且可提高 GNSS 在高动态环境中稳定跟踪能力。关键词:INS 辅助 GNSS;相位误差;多普勒频率误差;稳定跟踪中图分类号:TN967 2文献标志码:A文章编码:1673-9728(2023)03-0087-06Design for Guided ocket INS Aided GNSS Tracking LoopWANG Xinlong,LEI Yifei,ZHAO Qi,WU Peng(Xi an Modern Control Technology
4、 esearch Institute,Xi an 710065,Shaanxi,China)Abstract:In order to improve the stable tracking performance of guided rocket GNSS in high dynamic environment,a methodfor using the INS of the missile aided GNSS carrier tracking loop was proposed,which INS was used to estimate the doppler fre-quency in
5、formation of GNSS,to control the carrier and code generator of the GNSS tracking loop s local signal and reduce theinfluence of high dynamic environment on GNSS tracking loop The simulation result shows that this method can effectively re-duce the tracking loop phase error and doppler frequency trac
6、king error,and improve the stable tracking performance of GNSSin high dynamic environmentKeywords:INS aided GNSS;phase error;Doppler frequency error;stable tracking0引言制导火箭飞行弹道具有高动态运动的特点,传统独立式弹载全球导航卫星系统(GNSS)由于载体加速度突变,其载波跟踪环路相位误差容易迅速增大而造成跟踪环路失锁,且多普勒频率跟踪误差也容易迅速增大,带来较大定位误差1。为了能够稳定跟踪卫星信号,传统独立式弹载 GNSS 需要
7、增加接收机的环路带宽,但是增加环路带宽又会加大环路噪声,降低环路的跟踪精度。对于进入跟踪环路的噪声来说,接收机跟踪环路带宽越窄则跟踪精度越高2。文中提出利用弹上 INS 辅助 GNSS 跟踪环路的方法来有效解决这个问题,采用一种 INS 辅助 GNSS 的 2 阶 PLL 跟踪算法,通过引入弹上 INS 估计的 GNSS 多普勒频率信息,采用外部辅助多普勒频率以及跟踪环路滤波器估计的残余多普勒频率,来控制跟踪环路中本地信号载波和码发生器,从而实现跟踪环路的闭合3。该方法可有效减小高动态对卫星信号跟踪稳定性的影响,提高制导火箭弹载 GNSS 跟踪环路的动态跟踪性能。1INS 辅助 GNSS 跟踪
8、环路设计图 1 给出了 INS 辅助的 2 阶 PLL 载波跟踪环路结构。图 1INS 辅助 GNSS 锁相环结构Fig 1INS aided GNSS tracking loop在图 1 中,i(s)为接收到的卫星信号;wn(s)为随卫星信号进入环路的热噪声;F(s)为滤波器的传递函数,NCO 为数控振荡器。增加的前馈支路为 INS 多普勒估计环节,微分环节 s 实现载波相位到载波频率弹 箭 与 制 导 学 报第 43 卷的转换;低通滤波器/(s+)实现对 INS 估计环路的带宽限制,其中 为 INS 辅助估计的数据带宽;fext(s)为 INS 辅助得到的外部多普勒频率;fext(s)为I
9、NS 辅助的频率误差。由图 1 可知,环路的输出相位为:o(s)=H1(s)i(s)+H2(s)wn(s)+H3fext(s)(1)式中:H1(s)=(s+(s+)F(s)/(s+)(s+F(s);H2(s)=(F(s)/(s+F(s);H3(s)=1/(s+F(s)。由外部频率估计偏差造成的环路跟踪误差可以表示为:fPLL(s)=H2(s)fext(s)(2)由式(1)可知,当 INS 辅助的带宽 较大时,相位输出信号和参考输入信号呈线性关系,即用户接收机动态引起的相位绝大部分都可以由 INS 来跟踪。根据式(2)环路跟踪误差只和外部频率辅助偏差有关,即影响环路跟踪性能的只有导航滤波器估计的
10、速度偏差和时钟偏差。因此,在设计 INS辅助 PLL 跟踪环路时,对高动态环境特性要求较严的环路带宽完全可以由 INS 的环路辅助数据来补偿4,此时影响环路带宽设计的主要因素有:导航滤波器估计的 INS 频率偏差、接收机的钟差和外部热噪声。图 2 给出了 INS 辅助的 2 阶 PLL 数字实现结构。具体实现过程为:卫星信号下变频采样数据完成载波剥离过程;然后根据 INS 估计的多普勒频率偏差和环路滤波的载波相位不断调整复制信号的参数,从而达到对输入信号的跟踪。其中,INS 估计的多普勒频率主要用来抵消载体动态性能的影响,环路滤波的载波相位误差主要用来跟踪由热噪声、惯性器件和钟差引起的噪声误差
11、。图 2INS 辅助 PLL 数字实现结构Fig 2Digital structure of INS assisted PLL在 INS 辅助 PLL 数字结构中,同相和正交的载波信号为:cos tn=cos(2(fIF+fINS)tn+o(tn)sin tn=sin(2(fIF+fINS)tn+o(tn)(3)式中:fIF为载波中频频率;fINS为 INS 估计的多普勒频率偏差;tn=t0+nT,t0为初始时刻,T 为积分时间间隔;o为环路滤波输出的载波相位。2INS 辅助 PLL 环路性能分析2 1误差模型建立从闭环反馈控制系统的角度分析接收机 PLL 载波跟踪环。鉴相器用来求出接收到的卫
12、星载波信号和本地复制的载波信号间的相位误差5;环路滤波器采用低通滤波器对输出的估计值进行滤波处理,数控振荡器采用积分环节,对环路滤波器估计的本地载波频率进行积分调节,并达到对卫星信号跟踪的目的6。整个载波跟踪环路的 s 域模型如图 3 所示。图 3载波跟踪环路的 s 域模型Fig 3s-domain model of carrier tracking loop图 3 中参数和图 1 中 INS 辅助 GPS 跟踪环路的含义相同,这里 PLL 环路滤波器为二阶环路,即F(s)=K(s+a)s(4)式中 K,a 为环路参数。由此图 3 中系统的闭环传递函数可以表示为:H(s)=o(s)i(s)=F
13、(s)1+G(s)F(s)=K(s+a)s2+Ks+Ka(5)88第 3 期王新龙等:制导火箭 INS 辅助 GNSS 跟踪环路设计进而可求得系统的误差传递函数为:He=1 H(s)=s2s2+Ks+Ka(6)当接收机处于高动态环境中,即有频率斜升信号(s)=Aw/s3(A 表示动态加速度大小)输入时,可求得跟踪环路的稳态相位误差为:ess=AwKa(7)式中 A 为卫星和接收机视距方向上的等效载体加速度值的大小。由此可知,当接收机处在高动态环境时,载波跟踪环路会产生相应的稳态误差。在加速运动条件下,将会产生恒定的跟踪误差;当接收机处于加速度运动条件下,稳态误差会进一步累计增大至载波跟踪环路失
14、锁。在图 1 所示的 INS 辅助 GNSS 载波跟踪环路中,由载体和卫星之间高速相对运动引起的多普勒频率偏移 fdop可由 INS 测得的载体运动速度和接收机接收到的卫星星历计算得到:fdop=f fT=(Vs V)ec(8)式中:fT为发射信号的频率;f为接收的信号频率;c表示信号波长;(Vs V)表示卫星和接收机之间的相对运动速度矢量;e 表示卫星和接收机视距方向上的单位方向向量。为简化分析,假设理想状况下,忽略 INS 辅助的多普勒频率误差的影响,即fext(s)=0(9)分析加入 INS 辅助信息后对载波跟踪环路控制系统性能的影响,由于这时系统输入为输入信号i(s)和随之进入系统的热
15、噪声信号 wn(s),因此可以从图 1 整个系统误差模型中得到:H(s)=K(s+a)(s+)+s2(s+)(s2+Ks+Ka)(10)H(s)=o(s)wn(s)=K(s+a)s2+Ks+Ka(11)同时可以得到整个系统对输入信号 i(s)的误差传递函数:He(s)=1 H(s)=s3(s+)(s2+Ks+Ka)(12)2 2INS 辅助 PLL 环路等效噪声带宽分析一个实际可以运行的系统应该是稳定的,并且具有较好的动态性能。可通过环路的等效噪声带宽来分析 INS 辅助 PLL 跟踪环路的系统性能7。当闭合环路频率响应为 H(j2f)时,环路通道的等效单边噪声带宽 BL可表示为:BL=0H(
16、j2f)2df(13)BL越小,即环路带宽越窄时,环路对输入噪声的抑制能力越强8。当 H(j2f)=(cn 1(j)n 1+cn 2(j)n 2+c0)/(dn(j)n+dn 1(j)n 1+d0),n=1,2,3时,可分别求得积分结果为:BL1=c204d0d1BL2=c21d0+c20d24d0d1d2BL3=c22d0d1+(c212c0c2)d0d3+c20d2d34d0d3(d1d2 d0d3)(14)通过配置不同环路参数,可以得到不同的环路带宽,当取 2 阶 PLL 的最佳阻尼系数为 0 707 时,可得到不同参数下的理论等效环路带宽,如表 1 所示。表 1等效理论环路噪声带宽Ta
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