胡鐵喬，劉瑞杰，李瑞琴

（中國民航大學(xué)智能信號與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津　300300）

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抗旋轉(zhuǎn)BD接收機(jī)跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

胡鐵喬，劉瑞杰，李瑞琴

（中國民航大學(xué)智能信號與圖像處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300300）

摘要：在載體旋轉(zhuǎn)情況下，接收機(jī)接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號會(huì)附加較大的多普勒頻移，導(dǎo)致接收機(jī)跟蹤性能下降，甚至失鎖。針對這一問題，提出一種使接收機(jī)能正常跟蹤載體旋轉(zhuǎn)情況下導(dǎo)航衛(wèi)星的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)環(huán)路基礎(chǔ)上加入輔助通道，實(shí)現(xiàn)載體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的實(shí)時(shí)估計(jì)以輔助環(huán)路跟蹤。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，改進(jìn)之后的環(huán)路能夠有效降低載體旋轉(zhuǎn)造成的不良影響，達(dá)到正常信號的跟蹤效果。

關(guān)鍵詞：載體旋轉(zhuǎn)；導(dǎo)航衛(wèi)星信號；跟蹤環(huán)路；多普勒頻移

國內(nèi)對于高速旋轉(zhuǎn)載體的定位導(dǎo)航有實(shí)際的需求，如炮彈類（旋轉(zhuǎn)半徑r＜100 mm，30 Hz＜旋轉(zhuǎn)頻率f＜300 Hz）定位導(dǎo)航和戰(zhàn)略火箭類（500 mm＜旋轉(zhuǎn)半徑r＜2 m，旋轉(zhuǎn)頻率f＜10 Hz）定位導(dǎo)航。載體在旋轉(zhuǎn)過程中會(huì)對導(dǎo)航衛(wèi)星信號造成遮蔽，導(dǎo)致接收天線無法正常接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號。目前有2種方法可使接收天線正常接收導(dǎo)航衛(wèi)星信號：①將多個(gè)接收天線均勻布置在高速旋轉(zhuǎn)載體表面上，使接收天線可以正常接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號［1］；②將環(huán)狀微帶天線安放在高速旋轉(zhuǎn)的載體上，使接收天線可以正常接收衛(wèi)星導(dǎo)航信號［2］。這兩種方法基本能夠保證衛(wèi)星信號的連續(xù)接收，但天線相位中心偏離載體的旋轉(zhuǎn)軸，導(dǎo)致載體在高速旋轉(zhuǎn)情況下接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號相位存在與載體轉(zhuǎn)速和相位中心偏移量有關(guān)的調(diào)制效應(yīng)，這種影響會(huì)使天線接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號發(fā)生很大變化，致使接收機(jī)工作異常，發(fā)生失鎖［3］。

國外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)智能炮彈和智能火箭彈的列裝，但尚未提及具體細(xì)節(jié)。目前國內(nèi)文獻(xiàn)多為旋轉(zhuǎn)信號的建模以及旋轉(zhuǎn)對環(huán)路不同方面的影響，很少涉及對環(huán)路的改進(jìn)措施。因此實(shí)現(xiàn)抗旋轉(zhuǎn)北斗（BD）接收機(jī)中跟蹤環(huán)路的設(shè)計(jì)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

本文提出一種新的接收機(jī)跟蹤環(huán)路，新環(huán)路在傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路［4］的基礎(chǔ)上新增一個(gè)輔助通道，對主通道進(jìn)行二次解調(diào)，可有效降低載體旋轉(zhuǎn)對接收機(jī)跟蹤環(huán)路的影響，實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星信號在載體旋轉(zhuǎn)下的正常跟蹤。

1　高速旋轉(zhuǎn)下的信號模型

1.1旋轉(zhuǎn)模型的建立

高速旋轉(zhuǎn)載體不但擁有質(zhì)點(diǎn)高動(dòng)態(tài)的運(yùn)動(dòng)特性，而且新增了高速旋轉(zhuǎn)的姿態(tài)特性，給BD接收信號帶來較大影響，引起B(yǎng)D接收機(jī)失鎖［5］。為了分析這種變化對接收機(jī)處理導(dǎo)航衛(wèi)星信號的影響，需要建立旋轉(zhuǎn)模型分析接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號在高速旋轉(zhuǎn)載體下的具體變化規(guī)律。

假設(shè)載體的自旋運(yùn)動(dòng)為旋轉(zhuǎn)臺運(yùn)動(dòng)，并以y軸作為轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸。l1和l2分別是衛(wèi)星信號入射方向在xoz和xoy平面上的投影；角度φ是衛(wèi)星信號入射方向與z旋轉(zhuǎn)軸的夾角；α是l1和衛(wèi)星信號來向的夾角，β 是l1與z軸的夾角；θ為l2與x軸的夾角；w為轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角速度，r為旋轉(zhuǎn)半徑，vr為切向速度，如圖1所示。

圖1　模擬轉(zhuǎn)臺Fig.1　Simulation turntable

1.2高速旋轉(zhuǎn)引起的多普勒頻移和相位變化

由旋轉(zhuǎn)引起的接收信號多普勒頻移［6］為

其中：vr為天線繞旋轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)的切向速度；f為信號頻率，c為光速。假設(shè)衛(wèi)星不運(yùn)動(dòng)，且根據(jù)幾何關(guān)系可得載體旋轉(zhuǎn)帶來的接收機(jī)和衛(wèi)星之間的多普勒［7］為

其中：fr是高速旋轉(zhuǎn)載體的旋轉(zhuǎn)頻率；fBD是BD衛(wèi)星信號的載波頻率；fCA是BD衛(wèi)星測距碼頻率。

載波相位變化為

其中：△d為相對位置變化；λ為BD衛(wèi)星信號波長。

利用幾何投影關(guān)系，得到天線相位中心和衛(wèi)星之間的相對位置變化為

最終引起的相位變化為

通過上述分析可以看出，高速旋轉(zhuǎn)載體會(huì)帶來附加的多普勒頻移和載波相位變化［8］，且其都隨時(shí)間t呈周期性正弦變化，正弦頻率等于高速旋轉(zhuǎn)載體的旋轉(zhuǎn)頻率。

在實(shí)際生活中，高速旋轉(zhuǎn)載體通常在一段時(shí)間內(nèi)飛行方向較為穩(wěn)定，因此衛(wèi)星信號的入射方向在一定程度上是固定的，即α、β可以是不變的。本文設(shè)α= 0°、β= 45°，既可模擬衛(wèi)星信號的入射方向，又可簡化信號模型。將上述推導(dǎo)出的相位變化加入中頻信號以模擬載體旋轉(zhuǎn)條件下的導(dǎo)航衛(wèi)星信號。

2　抗旋轉(zhuǎn)跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)

載體旋轉(zhuǎn)會(huì)使接收機(jī)接收的BD信號附加有周期性正弦變化的多普勒頻移。如果已知載體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，則可利用式（2）計(jì)算出附加的多普勒頻移，從而消除載體旋轉(zhuǎn)對接收機(jī)跟蹤環(huán)路的影響。為此提出一種可消除旋轉(zhuǎn)影響的環(huán)路結(jié)構(gòu)，通過引入輔助通道載波鑒相結(jié)果來獲取載體旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速［9］，利用輔助通道獲取的轉(zhuǎn)速信息對主通道進(jìn)行二次解調(diào)，消除載體旋轉(zhuǎn)對導(dǎo)航衛(wèi)星信號附加的周期性正弦變化的多普勒頻移，以改善在載體旋轉(zhuǎn)情況下接收機(jī)對接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號的解算能力［10］。

2.1載體旋轉(zhuǎn)參數(shù)估計(jì)

利用旋轉(zhuǎn)頻率可消除載體旋轉(zhuǎn)的影響，因此本節(jié)主要對旋轉(zhuǎn)頻率進(jìn)行估計(jì)。設(shè)計(jì)如下高動(dòng)態(tài)場景（V = 1 000 m/s，加速度= 1 g，加加速度= 1 g/s），旋轉(zhuǎn)半徑r = 30 mm且固定不變，旋轉(zhuǎn)頻率fr變化如表1所示，載噪比C/NO = 46 dB。測試不同旋轉(zhuǎn)頻率對原有高動(dòng)態(tài)環(huán)路的影響。

表1　旋轉(zhuǎn)頻率對環(huán)路跟蹤影響的測試Tab.1　Influence test of high speed rotation ω to loop tracking

其中：OK表示捕獲、牽引、跟蹤和定位解算都正常，F(xiàn)AIL表示捕獲正常，牽引正常，跟蹤不正常。由測試結(jié)果可知，旋轉(zhuǎn)頻率fr≤60 Hz時(shí)，接收機(jī)可以正常捕獲、跟蹤和定位，當(dāng)旋轉(zhuǎn)頻率fr大于80 Hz時(shí)，跟蹤環(huán)路跟蹤失鎖，導(dǎo)致定位解算無法進(jìn)行。

對旋轉(zhuǎn)頻率為200 Hz與沒有旋轉(zhuǎn)情形下的載波鑒相曲線進(jìn)行比較，如圖2所示。從圖中可以看出，載體旋轉(zhuǎn)情況下的載波鑒相在原有鑒相基礎(chǔ)上調(diào)制有周期性正弦信號，頻率等于旋轉(zhuǎn)頻率。由此可見，原有高動(dòng)態(tài)環(huán)路可測出載體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速且與仿真設(shè)置的旋轉(zhuǎn)頻率相一致。

圖2　載體旋轉(zhuǎn)與不旋轉(zhuǎn)下載波鑒相曲線的比較Fig.2　Comparison of carrier phase curves under rotation and non-rotation

2.2環(huán)路結(jié)構(gòu)調(diào)整

為實(shí)現(xiàn)載波相位正弦調(diào)制的實(shí)時(shí)估計(jì)和對消，每顆衛(wèi)星使用2個(gè)通道（主通道和輔助通道）進(jìn)行跟蹤，輔助通道進(jìn)行載體旋轉(zhuǎn)造成載波相位正弦調(diào)制的實(shí)時(shí)測量，將實(shí)時(shí)測量的相位值反饋給主通道進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)相，實(shí)現(xiàn)相位的實(shí)時(shí)對消。為保證輔助通道相位與主通道一致，主輔通道跟蹤環(huán)路的鎖相環(huán)（phase-locked loop，PLL）、鎖頻環(huán)（frequency-locked loop，F(xiàn)LL）和延遲鎖相環(huán)（delay-locked loop，DLL）的參數(shù)保持一致。輔助通道狀態(tài)完全同步于主通道狀態(tài)，輔助通道不進(jìn)行比特（BIT）同步測量和載噪比C/NO的計(jì)算，如圖3所示。

圖3　環(huán)路結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖Fig.3　Schematic diagram of loop structure adjustment

原來12通道的接收機(jī)，改進(jìn)之后要擴(kuò)展為24個(gè)通道，每個(gè)主通道附加1個(gè)輔助通道來消除載體旋轉(zhuǎn)帶來的周期性正弦變化的多普勒。

2.3主通道I/Q二次解調(diào)框圖

環(huán)路主通道I/Q二次解調(diào)計(jì)算公式為

其中：i_ prompt和q_ prompt為主通道即時(shí)支路相關(guān)器輸出的1 ms相干積分值，phaseErr為輔助通道載波鑒相結(jié)果，SPR和SPI為二次解調(diào)后的結(jié)果，P_A_I為輔助通道即時(shí)支路，P_A_Q為相關(guān)器輸出的1 ms相干積分值，最終由其來參與定位及解算，如圖4所示。

圖4　抗旋轉(zhuǎn)跟蹤環(huán)路主通道I/Q二次解調(diào)框圖Fig.4　Anti-rotation tracking loop demodulator block diagram of main channel I/Q

3　抗旋轉(zhuǎn)二次解調(diào)跟蹤環(huán)路性能驗(yàn)證

通過北斗二代B3頻點(diǎn)（BD2-B3）模擬器和BD2-B3軟件接收機(jī)仿真驗(yàn)證抗旋轉(zhuǎn)BD接收機(jī)跟蹤環(huán)路的性能。

3.1仿真設(shè)置

在軟件仿真平臺中，由BD2-B3模擬器生成在載體旋轉(zhuǎn)情況下接收機(jī)接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號，參數(shù)配置如表2所示。將模擬生成的導(dǎo)航衛(wèi)星信號送入BD2-B3軟件接收機(jī)中進(jìn)行解算，觀察環(huán)路改進(jìn)前后接收機(jī)的跟蹤性能，如表3所示。

表2　BD2-B3模擬器參數(shù)配置Tab.2　BD2-B3 simulator configuration parameters

表3　BD2-B3接收機(jī)參數(shù)配置Tab.3　Parameter configuration of BD2-B3 receiver

3.2結(jié)果驗(yàn)證

傳統(tǒng)環(huán)路與改進(jìn)環(huán)路對1號（PRN = 1）衛(wèi)星多普勒跟蹤結(jié)果的對比如圖5所示。可以看出，傳統(tǒng)環(huán)路跟蹤的載波多普勒約為1 970 Hz，并附加有周期性正弦變化的多普勒，而環(huán)路改進(jìn)之后能夠明顯消除由旋轉(zhuǎn)帶來的周期性正弦變化的多普勒。

圖5　傳統(tǒng)環(huán)路與改進(jìn)環(huán)路多普勒跟蹤結(jié)果對比Fig.5　Doppler tracking results comparison of traditional loop and improved loop

傳統(tǒng)環(huán)路與改進(jìn)環(huán)路即時(shí)支路相關(guān)器輸出I/Q結(jié)果的對比，如圖6所示?？梢钥闯鰝鹘y(tǒng)環(huán)路即時(shí)支路相關(guān)器I/Q解算沒有分開，導(dǎo)致接收機(jī)無法正常進(jìn)入BIT同步和幀同步；改進(jìn)環(huán)路即時(shí)支路相關(guān)器I路的相關(guān)積分值有一定的改善效果，Q路相關(guān)積分值有很明顯的改善效果，說明改進(jìn)環(huán)路能夠正常跟蹤載體旋轉(zhuǎn)情況下的導(dǎo)航衛(wèi)星信號。

圖6　傳統(tǒng)環(huán)路與改進(jìn)環(huán)路即時(shí)支路相關(guān)器I/Q輸出結(jié)果對比Fig.6　Real-time branch correlator I/Q output comparison of traditional loop and improved loop

4　結(jié)語

針對載體旋轉(zhuǎn)情況下，接收機(jī)接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號附加有較大的周期性正弦變化的多普勒，導(dǎo)致接收機(jī)無法正常跟蹤衛(wèi)星的問題，提出一種新的跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)方案。該方案在傳統(tǒng)跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上增加一個(gè)輔助通道實(shí)時(shí)測量載體旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，利用輔助通道獲取的轉(zhuǎn)速信息對主通道進(jìn)行二次解調(diào)，以改善在載體旋轉(zhuǎn)情況下接收機(jī)對接收到的導(dǎo)航衛(wèi)星信號的解算能力。通過軟件仿真結(jié)果表明，新的環(huán)路能夠有效降低載體旋轉(zhuǎn)帶來的不良影響，達(dá)到了預(yù)期效果。

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（責(zé)任編輯：黨亞茹）

Tracking loop design of anti-rotation BD receiver

HU Tieqiao，LIU Ruijie，LI Ruiqin

（Intelligent Signal and Image Processing Key Lab of Tianjin，CAUC，Tianjin 300300，China）

Abstract:In the case of carrier rotation，the navigation satellite signal received by receiver will have additional lager Doppler frequency shift，resulting in a decline in the receiver tracking performance and even failure. In order to solve this problem，a scheme is proposed to help the receiver track navigation satellite normally with rotating carrier. Based on traditional loop，the adding of auxiliary channel realizes real-time estimation of rotating speed to assist loop tracking. Simulation proves that the improved loop can effectively reduce the adverse effects caused by carrier rotation and achieve normal signal tracking.

Key words:carrier rotation；navigation satellite signal；tracking loop；doppler frequency shift

中圖分類號：TN967.1；V249

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674－5590（2016）02－0015－04

收稿日期：2015-09-16；修回日期：2015-10-21

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61271404，61471363）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（3122014D008）

作者簡介：胡鐵喬（1970—），男，河南洛陽人，副教授，碩士，研究方向?yàn)樽赃m應(yīng)信號處理、陣列信號處理、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).