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惯性辅助GPS深组合导航系统研究与实现

胡锐  
【摘要】:随着科技的迅速发展,出现了多种多样的导航系统。单一导航系统很难满足全球、全天候、各种复杂环境下的导航需求,利用两种或多种系统组成的组合导航系统成为了各国研究的热点。目前国内主要采用GPS辅助SINS的松、紧组合导航系统,仍然存在组合导航系统和接收机易受干扰、动态性能差等问题。通过惯性辅助GPS形成的深组合导航系统能提高接收机的抗干扰和动态性能,为实现低成本、小体积、低功耗、高精度、高可靠性、高稳定性、高完整性的组合导航系统提供切实可行的方案。 本文以国家"863"专题项目“国产化低成本CORS基准站接收机技术”为研究背景,首先设计了一种高性能GPS接收机环路,实现了基于双频P码的导航解算定位,成功研制开发了高性能GPS双频接收机工程样机,为实现GPS/SINS深组合提供基础。其次,开展GPS/SINS深组合一体化导航系统关键技术研究,借助数字保偏闭环干涉式光纤IMU的成功设计与研发,进一步增强导航系统的稳定性、可靠性和可用性,实现了SINS辅助GPS信号捕获、跟踪基带环路设计,GPS/SINS深组合导航算法的分析三项工作。文章最后给出了系统的具体设计和解决方案,并进行了对比试验。 主要的工作包括以下几个方面: 1)完成了基于小型光纤陀螺仪和石英挠性加速度计的IMU设计,并进行了整体装配;对光纤陀螺和石英加速度计分别进行了分析和性能测试,对IMU进行了整体标定和补偿,补偿后的陀螺零偏稳定性为0.5°/h、加速度计零偏稳定性为0.5mg。 2)以DSP. FPGA为基础设计了高性能通用GPS接收机,为提高通用接收机的捕获效率,设计了高效的GPS L1载波和C/A码快速捕获方法,并利用二次精捕达到快速、高精度捕获GPS信号的目的。针对不同动态环境对基带环路的影响,设计了AFC二阶环路辅助三阶Costas-PLL的载波环路,通过环路自动切换来保证对GPS信号的L1载波和C/A码稳定高精度跟踪。 3)在实现通用GPS接收机基带环路基础上,利用半无码方式实现了对GPS Ll-P码、L2载波和L2-P码的捕获、跟踪解调处理,从而实现了双频双码信号处理,比通用型接收机增加了L2载波频率、载波相位、L1-P码相位和L2-P码相位四个观测量,使得后续导航解算能够更加精确的计算出电离层误差,并为载波整周模糊度的解算提供了更多的观测量。 4)通过对接收机信号捕获性能影响因素的分析,研究了影响信号捕获性能的捕获概率、误捕概率、捕获时间和捕获灵敏度之间的关系,设计了SINS辅助减小捕获搜索范围来减少捕获时间,增加积分时间来提高捕获概率和灵敏度的捕获方法。同时对接收机跟踪环路的误差性能进行了分析,实现了SINS辅助跟踪环路的设计,达到提高环路的动态性、抗干扰性和抗多路径的目的。 5)实现了双频双码伪距观测量对电离层的误差修正和载波ADR平滑减弱多路径技术,同时对GPS/SINS之间的三种不同层次深组合导航滤波算法进行了分析,给出了不同层次深组合算法的性能优缺点。 6)搭建了高性能双频接收机的测试、试验系统,测试结果验证了所研制的高性能双频接收机工程样机的性能。同时搭建了惯性辅助GPS深组合导航的实验系统,对基于伪距、伪距率Kalman滤波器的深组合导航系统进行了静、动态实验。测试结果表明惯性辅助深组合导航系统比松、紧组合系统拥有更好的抗干扰、抗动态性能。为今后GPS/SINS深组合系统的进一步实验研究奠定了良好的基础。 论文虽以GPS为研究实例,由于基于星基的卫星导航系统具有完全相同的工作原理,故研究成果同样适用于其它卫星导航系统(如GLONASS、GALLIEO、COMPASS等)。


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