基于长时相干积分的高灵敏度GNSS载波相位跟踪

发布时间:[2023-10-15] 来源:[冯鑫 张提升 牛小骥] 点击量:[1538]


    复杂环下无人驾驶车辆和智能手机等领域的高精度、高可用定位需求给全球导航卫星系统(GNSS)的载波相位可用性提出了更高的要求。增加跟踪环的相干积分时间是提高载波相位跟踪灵敏度的有效途径,然而,相干积分时长受限于接收机晶体振荡器、载体动态等因素。为此,我们提出了一种长相干积分(LCI)跟踪架构来改善载波相位可用性。模拟和实际信号测试结果都表明,LCI跟踪环路可以进行高达3秒的相干积分,跟踪6 dB-Hz的极弱信号载波相位精度约为4度。


    限制GNSS接收机载波相位跟踪环路相干积分时长的主要因素包括导航比特跳变、接收机相对卫星运动引起的动态应力和接收机晶振的不稳定性。比特跳变可以通过外部比特辅助或比特预测算法解决。另外,自带导频通道的新信号天然不存在导航比特跳变的问题。接收机相对卫星运动引起的动态应力可以通过惯性等传感器动态补偿的方式予以解决。在接收机晶振不稳定性方面,学者们提出了基于环路相关层面双差、时钟误差估计等解决方案。然而,基于环路相关层面双差的算法结构复杂,且需要高精度参考站的信息;基于时钟估计算法的解决方案无法对晶振误差进行准确建模,估计效果不佳。为此,我们提出了一种基带多通道协同的时钟误差跟踪方法,分离并跟踪接收机时钟误差。各卫星信号的跟踪环路在多通道协同跟踪时钟误差基础上可实现超长相干积分时间,抑制热噪声的影响,提高GNSS载波相位跟踪精度和灵敏度。

    图1是长积分架构总体框图。蓝色部分表示采用长时相干积分的本地环路结构,假设跟踪通道数为M。M个通道的相关结果将送入黄色部分表示的多通道协同跟踪环路。多通道协同环路首先根据本地环路的载噪比,卫星仰角等信息筛选出N个信号条件良好的通道参与时钟误差估计。然后,采用多通道的I/Q相干积分结果联合实现时钟误差鉴别。最后,鉴别器输出经过宽带环路滤波器后,得到的时钟误差多普勒用于辅助环路NCO控制。


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图1 LCI跟踪结构框图:蓝色部分为长积分的本地环路,绿色部分为多通道协同环路


    针对LCI跟踪架构建立了s域和z域的传递函数,并基于蒙特卡洛仿真验证了模型的正确性。图2表示不同等级晶振配置下环路跟踪误差的理论和仿真曲线。此时的多通道协同环路积分时间为10 ms,带宽为5Hz;本地环路进行200 ms的相干积分,带宽为1Hz。理论和仿真曲线高度符合,验证了模型的正确性。


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图2 长积分架构跟踪环路仿真结果


    LCI跟踪环的性能通过实测静态数据进行了评估。图3对比了不同积分时长的载波相位误差。普通PLL在28 dB-Hz 左右失锁,而长积分架构可以稳健跟踪低至6 dB-Hz的载波相位。相比200 ms,3 s的相干积分时长可以大幅提高信号信噪比,从而得到高精度的载波相位。6 dB-Hz的极弱信号条件下,3 s的相干积分时长的载波相位跟踪误差仅4°左右,与强信号条件下的载波相位跟踪精度相当。


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图3 弱信号条件下载波相位双差结果


    展望未来,团队将结合惯性辅助,在城市车载环境验证LCI架构的性能,为无人驾驶、无人系统等提供高精度、高可用的载波相位观测和定位。

相关成果申请了国家专利,并发表在GPS Solutions上,可在团队网站(i2nav.cn)的“研究成果-学术论文”列表中下载。(Link

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[1] Feng, X., Zhang, T., Niu, X., Pany, T., & Liu, J. (2023). Improving GNSS carrier phase tracking using a long coherent integration architecture.GPS Solutions, 27(1), 37.




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