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高灵敏度GPS定位及组合导航技术研究

田世君  
【摘要】: 目前,全球定位系统(GPS)已经在全世界得到了最广泛的应用,但现有的GPS接收机大多只能工作在信号条件较理想的户外等环境中。随着人们活动范围的扩大以及周边环境的日益复杂,现有的GPS导航技术已经难以满足人们的现实需要。与户外等普通环境相比,在室内等低信噪比环境下,GPS信号能量会受到更多的削弱,其可靠性和定位精度都会大大降低。而室内等低信噪比环境正好是人类活动的最主要环境之一,在室内环境下GPS有着越来越多的应用需求,高灵敏度GPS定位技术正是为满足这一需求孕育而生的。高灵敏度GPS定位技术是目前GPS技术的一个非常具有潜力的应用方向,有着广阔的市场前景。因此,开展高灵敏度GPS室内定位技术的研究对于实现室内环境下的高精度GPS导航定位,扩展GPS技术的应用范围具有重要意义,室内环境下的高灵敏度GPS导航技术已经成为当前的研究热点。 针对室内等低信噪比环境下的导航需要,本文研究了室内环境下的高灵敏度GPS定位技术,对高灵敏度GPS定位技术难点之一的微弱GPS信号捕获技术进行了深入的研究和分析,提出了一种基于Duffing混沌振子阵列的弱GPS信号捕获算法,完成了对GPS信号载波多普勒频率的检测。最后,在载波多普勒频率确定的基础之上,利用差分相关检测方法完成了GPS信号C/A码相位的捕获。 另外,文章研究了一种提高载体垂直方向定位精度的气压表/GPS组合导航系统,重点提出了基于自适应联合Kalman滤波以及粒子滤波的气压表/GPS组合导航算法。该组合导航系统能够改善载体在垂直方向上的定位精度,在实时性、适应性等方面都有很好的效果,确保飞机精确飞越预定点上空并具备精密进场着陆引导能力。 本文的主要工作和创新点如下: (1)对高灵敏度GPS定位技术以及GPS组合导航技术进行了介绍,分析了室内和机场等环境下GPS信号特点,对高灵敏度GPS定位的关键技术进行了介绍,重点研究了低信噪比环境下的GPS信号捕获技术。 (2)对现有的一些弱GPS信号捕获算法进行了研究,如相关累加、非相关累加、多重数据位循环相关(CCMDB)以及圆周相关等。指出了现有GPS信号捕获算法各自存在的问题以及改进的方向,并通过仿真讨论了现有检测算法的检测性能。 (3)对混沌振子检测弱信号技术进了研究,介绍了当前常用的几种混沌振子,重点研究了Duffing振子的模型、动力学行为以及混沌判据等。对Duffing振子的两种常用模型进行了计算机仿真,给出了Duffing振子处在不同状态时的相图,通过相图可以详细了解振子的动力学行为。 (4)在结合混沌振子检测弱信号的基础之上,提出了基于Duffing混沌振子阵列的微弱GPS信号捕获算法。采用Lyapunov指数(LE)判定相轨迹所处的临界状态,辅助测量GPS信号的存在,将数值迭代方法应用于算法的实现。首先,利用LE算法判断被输入的信号中是否有微弱GPS信号,如果GPS信号存在,被检测GPS信号的载波多普勒频率被确定。最后,利用差分相关检测方法完成GPS信号C/A码相位的检测,从而完成对弱GPS信号的捕获。该方法突破了以往GPS信号捕获所采用的二维搜索过程,将GPS信号载波多普勒频率和C/A码相位的二维搜索过程变成了两个一维搜索过程,该方法能够检测极低信噪比环境下的GPS信号,大大提高了GPS接收机的检测灵敏度。 (5)研究了基于差分相关的微弱GPS信号C/A码捕获技术,提出了一种在GPS信号载波多普勒频率确定的情况下,基于差分相关的GPS信号C/A码捕获算法。对检测概率、虚警概率以及检测门限等变量进行了研究,重点分析了所提出捕获算法所引入的信噪比损失,定量分析了所提出捕获算法在检测灵敏度方面的改善情况。对所提出的捕获算法与传统的GPS信号捕获算法进行了对比分析,通过理论和仿真证明了所提出的捕获算法在检测弱GPS信号方面的优越性。 (6)研究了GPS/气压表的组合导航系统,分析论证了一种能够改善载体垂直方向定位精度的气压表/GPS组合导航系统方案,重点提出了两种数据融合算法:基于自适应联合Kalman滤波的气压表/GPS数据融合算法、基于粒子滤波的气压表/GPS数据融合算法。对两种算法在高程方向上的定位精度进行了详细分析,并通过计算机仿真进行了证明。研究结果表明,该组合导航系统能够提高载体在垂直高度方向上的定位精度。 (7)对全文进行了总结,对有待进一步研究的问题作了展望。


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