GNSS 高级篇6 跟踪算法6.3 跟踪算法抗干扰秘籍捕获把信号找到了跟踪环要把信号锁住——但在真实环境中干扰、多径、弱信号、高动态都在试图把跟踪环撬开。这一节讲跟踪环怎么在恶劣条件下屹立不倒。在正式开始前请大家思考几个问题1窄带干扰来临时跟踪环是怎么扛住的为什么有的接收机一干扰就失锁有的却纹丝不动2多径信号会让相关峰畸变跟踪环怎么区分真峰和假峰3弱信号下载噪比很低跟踪环噪声很大——有什么办法能在噪声中稳住4什么是矢量跟踪它跟传统的标量跟踪有什么区别为什么说它是未来的方向接下来我们深入跟踪算法的防御术。6.3.1 干扰对跟踪环的影响干扰的本质是降低了有效载噪比C/N0让跟踪环的噪声增大最终可能导致失锁。不同干扰类型对跟踪环的影响干扰类型对跟踪环的影响典型失锁阈值窄带连续波载噪比下降相位噪声增大干扰/信号比 30dB宽带噪声载噪比直接下降干扰/信号比 20dB脉冲干扰周期性导致相关值畸变跟占空比有关扫频干扰扫过信号频带时短暂失锁跟扫速和功率有关欺骗干扰跟踪环可能被诱骗到假信号隐蔽不易察觉跟踪环的抗干扰能力取决于在载噪比下降到多少时还能维持锁定——这就是跟踪灵敏度。6.3.2 跟踪环层面的抗干扰a. 自适应带宽最基本的抗干扰手段根据载噪比自动调整环路带宽。信号强时用宽带宽跟动态信号弱/有干扰时自动收窄带宽压制噪声自适应带宽可以让跟踪环在干扰来临时稳住——代价是动态响应变慢但至少不失锁。实现方式根据 C/N0 估计值查表调整带宽或者用 FLL 辅助 PLL——弱信号时切到 FLLFLL 对噪声更鲁棒b. 高阶环路三阶环比二阶环能跟踪更高的动态在相同带宽下相位噪声更小。高动态干扰场景下三阶环的失锁概率明显低于二阶环。代价是三阶环更难稳定参数设计更复杂。c. 相干积分延长干扰导致载噪比下降可以通过延长相干积分时间来补偿从 1ms 延长到 10ms、20ms信噪比跟积分时间成正比——20ms 比 1ms 高 13dB导频分量可以做更长的相干积分代价是跟踪延迟增大动态响应变慢d. 多径抑制技术多径是跟踪环的一大杀手——反射信号导致相关峰畸变码环和载波环都受影响。跟踪环层面的抗多径窄相关器减小早迟间距相关峰更窄多径影响小MED/MET/Strobe特殊相关器设计估计和消除多径多径估计与补偿用高分辨率算法估计多径参数从测量值中扣除选星策略剔除多径严重的低仰角卫星e. 频域抗干扰在跟踪之前做频域处理FFT 变换到频域检测窄带干扰对干扰频点做陷波置零或衰减IFFT 变回时域再送跟踪环频域陷波可以抑制 40~60dB 的窄带干扰是目前最常用的基带抗干扰技术。缺点是会损失一部分信号能量陷波时信号也被滤掉了但通常损失很小 1dB。6.3.3 矢量跟踪跟踪算法的革命传统跟踪是标量跟踪Scalar Tracking——每颗卫星每个频点一个独立的跟踪环各管各的。矢量跟踪Vector Tracking是一种全新的架构——把所有通道的跟踪和 PVT 解算耦合在一起用位置/速度的估计来辅助跟踪。a. 标量跟踪的问题标量跟踪下每个通道独立工作一颗卫星被遮挡或干扰它的跟踪环就失锁了即使其他卫星还在正常跟踪也帮不了这颗星弱信号通道容易失锁因为它没有利用其他通道的信息这就像每个人各走各的路有人摔倒了别人不会扶。b. 矢量跟踪的原理矢量跟踪的核心思想所有卫星的信号都包含同一个用户的位置和速度信息。所以可以用所有卫星的观测值联合估计用户的位置和速度再用这个估计来预测每颗卫星的多普勒和码相位辅助跟踪环。矢量跟踪的结构一个联合的估计器通常是扩展卡尔曼滤波 EKF输入所有通道的相关结果I/Q输出用户的位置、速度、钟差、钟漂以及每颗星的码相位和载波相位预测用预测值来控制每个通道的 NCOc. 矢量跟踪的优势优势一抗遮挡/抗干扰一颗星被遮挡了其他星的信息可以帮它维持跟踪遮挡结束后可以快速重锁不需要重新捕获弱信号通道可以借助强信号通道的信息维持锁定优势二弱信号跟踪矢量跟踪把所有通道的信息汇聚起来等效于更长的积分可以跟踪比标量跟踪低 5~10dB 的弱信号室内、城市峡谷等场景优势明显优势三抗欺骗欺骗信号通常跟真实信号的位置/速度不一致矢量跟踪可以检测到某颗星的观测跟其他星不一致从而识别欺骗标量跟踪下每颗星独立不容易发现这种不一致优势四高动态用位置/速度预测来辅助跟踪高动态下更稳定惯导辅助的矢量跟踪可以应对极高动态d. 矢量跟踪的挑战挑战一计算量大EKF 的状态维数高位置3 速度3 钟差1 钟漂1 每颗星的码相位和载波相位实时性要求高挑战二稳定性所有通道耦合在一起一个通道出问题可能影响全局需要好的故障检测和隔离FDI机制挑战三冷启动矢量跟踪需要初始的位置和速度估计冷启动时还是要先用标量跟踪捕获再切换到矢量跟踪矢量跟踪是目前 GNSS 算法研究的热点——军用和高端民用接收机已经开始采用未来会越来越普及。6.3.4 惯导辅助跟踪INS-Aided Tracking如果说矢量跟踪是用其他卫星帮这颗星那惯导辅助就是用 IMU 帮所有星。a. 原理IMU惯性测量单元可以高频100~1000Hz输出加速度和角速度通过积分推算位置和速度。用 IMU 推算的速度可以精确预测每颗卫星的多普勒——把这个预测送给跟踪环跟踪环只需要跟踪预测值的残差。b. 优势多普勒预测精度高IMU 速度误差通常 0.1m/s对应多普勒误差 0.5Hz跟踪环带宽可以极窄 1Hz噪声极低高动态下完全跟得上IMU 直接测加速度短时遮挡几秒可以完全靠 IMU 维持GNSS 恢复后立即重锁抗干扰能力大幅提升c. 组合深度惯导辅助有不同的深度松组合Loosely CoupledGNSS 输出位置/速度跟 IMU 组合——不辅助跟踪环紧组合Tightly CoupledGNSS 输出伪距/载波相位跟 IMU 组合——部分辅助深组合Deeply Coupled / Ultra-tight CoupledIMU 直接辅助跟踪环的 NCO——完全辅助深组合是抗干扰能力最强的方案——军用接收机和高端自动驾驶系统普遍采用。6.3.5 跟踪环的故障检测与恢复再好的抗干扰也有失锁的时候。关键是失锁后能不能快速检测、快速恢复。a. 失锁检测常用的失锁检测指标C/N0 骤降载噪比突然下降到阈值以下锁定指示器Lock DetectorI/Q 相关值的相位一致性码环/载波环的相位误差误差持续偏大伪距/载波相位残差跟 PVT 结果的残差异常多星一致性某颗星的观测跟其他星明显不一致b. 失锁恢复策略短时失锁 1秒保持本地 NCO 频率信号恢复后快速重锁中等失锁1~10秒在小范围内搜索码相位和频率重捕长时失锁 10秒放弃当前参数重新捕获矢量跟踪/惯导辅助失锁期间用预测维持恢复后立即重锁c. 智能调度现代接收机的跟踪管理是智能的根据信号质量动态分配跟踪资源强信号通道用低资源弱信号通道用高资源长积分被遮挡的卫星进入挂起状态不浪费资源信号恢复后快速激活优先跟踪高仰角、高质量的卫星小结一下跟踪算法的抗干扰是一个多层防御体系射频/基带层滤波器、频域陷波把干扰挡在外面跟踪环层自适应带宽、高阶环、长相干积分提升跟踪灵敏度架构层矢量跟踪用所有通道的信息互相辅助外部辅助层惯导深组合用 IMU 预测多普勒彻底解放跟踪环恢复层快速失锁检测和重捕确保短暂干扰后迅速恢复没有任何一种技术能包治百病——实际接收机是多种技术组合使用根据场景和成本选择合适的方案。消费级接收机可能只用自适应带宽 频域陷波专业级会加矢量跟踪军用和高端会做惯导深组合 CRPA 天线。跟踪算法这一章就到这里。下一章我们进入 PVT 解算——有了伪距和载波相位怎么算出最终的位置、速度、时间。