GPS/MIMU嵌入式组合导航关键技术研究

【摘要】： 现代战争的高技术特点表明,精确制导武器已经逐渐成为现代战争的主导,低成本导航与制导技术是消耗型制导武器的关键技术之一。卫星/MIMU嵌入式组合导航系统具有成本低、体积小、重量轻、功耗低、动态性能高和抗干扰能力强等优点,因而在精确制导武器等军事应用方面具有非常重要的应用价值。本文以GPS为实例,开展卫星/MIMU嵌入式组合导航一体化关键技术的研究,完成了MIMU辅助的GPS信号捕获、MMU辅助的GPS信号跟踪、MIMU辅助的导航定位算法和GPS/MIMU深组合导航算法的分析,并给出了具体解决方案。主要的工作包括以下几个方面： (1)从卫星信号的检测概率、虚警率和捕获时间方面对时域相干和非相干捕获算法进行了分析比较：非相干捕获算法不受导航数据位的影响,而且多普勒频率误差对其影响较小,但是非相干捕获算法增加了平方损失；而相干捕获算法获取相同的捕获灵敏度,仅需较短的积分时间,但其受多普勒频移估计偏差和码移估计偏差的影响较大,并且受导航数据位的影响。基于时域标准相干和非相干捕获算法的特点,针对快速捕获的应用要求,提出了基于辅助的(卫星历书和星历辅助、卫星／MIMU估计的多普勒频率辅助、位置和时间的辅助)时域相干捕获算法,分析结果表明该方法能有效地缩短捕获时间(从几百秒缩短到几秒)和提高捕获效率(在检测概率为95%的条件下,对GPS信号的捕获能力提高了4.5dB／Hz)。 (2)对接收机DLL/PLL/FLL的鉴别器进行了分析和比较研究,在综合考虑接收机跟踪环路中的各种误差源(热噪声、晶振误差、动态牵引误差等)的基础上,设计了一种适合于高动态的GPS环路结构：码跟踪环采用载波辅助的结构,载波环路采用双模态结构——2阶FLL辅助的3阶PLL结构。针对不同的晶振类型,综合考虑各种误差因素,设计了MIMU辅助的GPS接收机环路结构及MIMU辅助3阶PLL的最小带宽和最优带宽。根据设计的MIMU辅助的GPS环路结构,分析了其抗干扰性能,分析结果表明MIMU辅助的卫星接收机比一般的GPS接收机抗干扰性能至少有1 1dB的提高。 (3)分析了基于Kalman滤波器的纯GPS导航定位算法,为了减少系统的状态维数,观测量采用伪距单差和伪距率单差(星间差)来抵消用户钟差和钟差漂移的影响,试验结果表明Kalman滤波导航算法使得导航定位结果更平滑,定位精度更高；同时分析了MMU辅助的GPS导航定位算法,观测量采用伪距单差和伪距率单差来抵消用户钟差和钟差漂移的影响；针对低成本MIMU系统,设计了一种基于最大似然估计的自适应滤波算法,通过试验验证了该算法,静态试验结果表明：MIMU辅助GPS定位系统的位置精度优于5m,速度精度优于0.1m／s,俯仰角和滚动角精度优于0.2°,航向角精度优于0.2°(航向角辅助)。 (4)为了提高系统的动态性能和抗干扰能力,论文进一步研究了GPS/MIMU深组合导航算法。首先论述了GPS/MMU嵌入式深组合导航算法的基础——矢量跟踪环结构,着重分析了三种基带测量信号预处理方法；接着分析了GPS/MIMU嵌入式深组合导航算法中的导航滤波器设计,为了提高导航滤波性能,采用了降维的导航滤波算法；最后针对基带信号预滤波的强非线性问题,提出了基于UKF的基带测量信号预滤波方法,并对其性能进行了分析比较。 (5)论文最后给出了GPS/MIMU嵌入式导航系统的实现方案及试验结果,客观评价了系统的关键性能指标,进一步验证了论文提出的有关算法模型。系统主要性能指标为： 1)在GPS/MIMU嵌入式组合导航系统中,当有星历辅助时GPS首次定位时间优于10s。 2)在静态条件下,研制的GPS接收机的位置精度优于5m,速度精度优于0.1 m／s；在动态车载条件下,水平位置误差优于3米,高程优于10米,与商用GPS接收机精度大体相当。 3) GPS/MIMU嵌入式组合导航系统在静态条件下的精度重复性为：位置精度优于5m,速度精度优于0.1m／s,俯仰角和滚动角精度优于0.2°,航向角精度优于0.2°(航向角辅助)。 论文虽以GPS为实例,但是研究的成果同样适用于其它的卫星导航系统(如GLONASS、GALLIEO、北斗Ⅱ卫星导航系统等)。