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高动态GPS/INS组合导航系统研究

王朋辉  
【摘要】: 随着目前高速、高动态的飞行器不断出现,研究高动态环境下的飞行器导航有重要意义。GPS和INS是目前两种主要的导航系统。在高动态情况下,载体的动态应力对GPS接收机跟踪环的影响很大,很容易造成跟踪环失锁使接收机失去导航能力。INS具有抗电子干扰、大机动飞行、隐蔽性好的特点。在高动态环境下,采用INS速度辅助GPS接收机环路可以有效地提高GPS接收机的性能,满足在高动态环境下的导航要求。本文主要对高动态环境下的GPS/INS组合导航技术展开研究。 论文从GPS接收机的原理出发,详细介绍了GPS接收机载波跟踪环和码跟踪环的设计,分析并仿真了GPS接收机跟踪环的测量误差和跟踪门限,研究了热噪声和载体动态应力对跟踪环的影响。针对GPS接收机在高动态环境下容易失锁的特性,对INS速度辅助GPS接收机跟踪环进行了性能仿真分析,为高动态环境下的组合导航提供了理论基础。 INS速度辅助GPS接收机环路涉及到GPS接收机的内部编排,需要控制其内部跟踪环参数,目前的GPS芯片较难实现。提出了一种利用软件接收机代替硬件接收机的方案,给出了采用卫星星历和INS给出的位置、速度来计算多普勒频移的方法,研究了INS速度辅助的GPS/INS位置速度组合、伪距伪距率组合及GPS/INS超紧组合。 高动态环境下采用物理仿真难度很大,成本也很高,构建一个完整的高动态仿真系统有重要意义。在INS速度辅助GPS接收机环路的理论基础上,提出了一种高动态GPS/INS组合导航仿真的系统框图,构建了飞行轨迹发生器、INS模拟器、高动态GPS中频数据仿真器、实时GPS软件接收机、组合导航滤波器等。将上述工具整合成高动态GPS/INS组合导航仿真系统。 最后对高动态GPS/INS组合导航性能进行了仿真分析。仿真表明高动态环境下INS辅助GPS接收机跟踪环基本不受载体的动态应力影响。接收机跟踪环的鉴相器误差保持在较小的范围,GPS接收机能正常的导航解算,组合导航效果较好。在GPS信号存在中断情况下也有很好的表现,当信号恢复后,接收机跟踪环可以迅速恢复跟踪。


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