復雜環下無人駕駛車輛和智能手機等領域的高精度、高可用定位需求給全球導航衛星系統（GNSS）的載波相位可用性提出了更高的要求。增加跟蹤環的相干積分時間是提高載波相位跟蹤靈敏度的有效途徑，然而，相干積分時長受限于接收機晶體振蕩器、載體動態等因素。為此，我們提出了一種長相干積分（LCI）跟蹤架構來改善載波相位可用性。模擬和實際信號測試結果都表明，LCI跟蹤環路可以進行高達3秒的相干積分，跟蹤6 dB-Hz的極弱信號載波相位精度約為4度。

    限制GNSS接收機載波相位跟蹤環路相干積分時長的主要因素包括導航比特跳變、接收機相對衛星運動引起的動態應力和接收機晶振的不穩定性。比特跳變可以通過外部比特輔助或比特預測算法解決。另外，自帶導頻通道的新信號天然不存在導航比特跳變的問題。接收機相對衛星運動引起的動態應力可以通過慣性等傳感器動態補償的方式予以解決。在接收機晶振不穩定性方面，學者們提出了基于環路相關層面雙差、時鐘誤差估計等解決方案。然而，基于環路相關層面雙差的算法結構復雜，且需要高精度參考站的信息；基于時鐘估計算法的解決方案無法對晶振誤差進行準確建模，估計效果不佳。為此，我們提出了一種基帶多通道協同的時鐘誤差跟蹤方法，分離并跟蹤接收機時鐘誤差。各衛星信號的跟蹤環路在多通道協同跟蹤時鐘誤差基礎上可實現超長相干積分時間，抑制熱噪聲的影響，提高GNSS載波相位跟蹤精度和靈敏度。

    圖1是長積分架構總體框圖。藍色部分表示采用長時相干積分的本地環路結構，假設跟蹤通道數為M。M個通道的相關結果將送入黃色部分表示的多通道協同跟蹤環路。多通道協同環路首先根據本地環路的載噪比，衛星仰角等信息篩選出N個信號條件良好的通道參與時鐘誤差估計。然后，采用多通道的I/Q相干積分結果聯合實現時鐘誤差鑒別。最后，鑒別器輸出經過寬帶環路濾波器后，得到的時鐘誤差多普勒用于輔助環路NCO控制。

圖1 LCI跟蹤結構框圖：藍色部分為長積分的本地環路，綠色部分為多通道協同環路

    針對LCI跟蹤架構建立了s域和z域的傳遞函數，并基于蒙特卡洛仿真驗證了模型的正確性。圖2表示不同等級晶振配置下環路跟蹤誤差的理論和仿真曲線。此時的多通道協同環路積分時間為10 ms，帶寬為5Hz；本地環路進行200 ms的相干積分，帶寬為1Hz。理論和仿真曲線高度符合，驗證了模型的正確性。

圖2 長積分架構跟蹤環路仿真結果

    LCI跟蹤環的性能通過實測靜態數據進行了評估。圖3對比了不同積分時長的載波相位誤差。普通PLL在28 dB-Hz 左右失鎖，而長積分架構可以穩健跟蹤低至6 dB-Hz的載波相位。相比200 ms，3 s的相干積分時長可以大幅提高信號信噪比，從而得到高精度的載波相位。6 dB-Hz的極弱信號條件下，3 s的相干積分時長的載波相位跟蹤誤差僅4°左右，與強信號條件下的載波相位跟蹤精度相當。

圖3 弱信號條件下載波相位雙差結果

    展望未來，團隊將結合慣性輔助，在城市車載環境驗證LCI架構的性能，為無人駕駛、無人系統等提供高精度、高可用的載波相位觀測和定位。

相關成果申請了國家專利，并發表在GPS Solutions上，可在團隊網站(i2nav.cn)的“研究成果-學術論文”列表中下載。（Link）

相關閱讀

[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.