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载波相位时间差分/捷联惯导组合导航方法研究

汤勇刚  
【摘要】: “北斗一号”导航系统是我国目前唯一拥有完全自主知识产权的卫星导航系统,但是从目前的系统总体架构、定位体制和应用范围来看,该系统与GPS还有较大差距。面对国防和经济建设的需求,迫切需要大力发展基于北斗导航系统的应用技术。论文以地面车辆和水面舰艇等中低动态载体的导航为背景,以北斗卫星导航系统和激光陀螺捷联惯导系统构成的组合导航系统为研究对象,针对“北斗一号”系统定位时延大、隐蔽性差、用户数目受限的缺点,提出利用载波相位时间差分建立北斗/捷联惯导组合导航系统,并对主要理论问题和方法进行了研究。论文主要完成了以下研究工作: (1)根据载波相位测量模型和在对主要误差源时空相关特性分析的基础上,建立了载波相位时间差分的数学模型,讨论了载波相位时间差分/惯导组合导航的基本原理。根据整周模糊度在不发生周跳的情况下是常数的性质,以及主要误差具有较强的时空相关性的特点,载波相位时间差分通过历元间求差避免了解算、检验整周模糊度和修复周跳等一系列繁琐的运算,基本上抵消了共模误差,能够精确地反映用户的位置变化信息。因此,利用载波相位时间差分与惯导组合,能够估计并修正惯导系统的误差,有效地抑制导航误差的积累。 (2)根据卫星导航/惯导组合导航系统的非线性模型,利用新近提出的从基本定义出发的全局可观性分析方法,对考虑杆臂不确定性条件下的卫星导航/捷联惯导组合导航系统全局可观性进行了研究,给出了全局可观性充分条件,并通过仿真和实验进行了验证。全局可观性分析方法避免了传统方法中繁琐的矩阵求秩运算,分析过程简洁、直观,不需要使用近似的线性系统模型(线性时变模型或分段线性定常模型)来代替准确的非线性系统模型,更全面、更深刻地揭示了状态估计与载体运动之间的关系,为杆臂标定和组合导航算法设计提供了理论基础和数学工具。 (3)根据全局可观性分析方法和全局可观充分条件,对载波相位时间差分/捷联惯导组合导航系统的可观性进行了分析,证明对于一般的卫星导航系统,以载波相位时间差分为观测量,如果能够观察到4颗以上的卫星,在一般的机动条件下,除位置以外系统各状态均可观;对于目前只有3颗卫星可供观测的“北斗一号”系统,如载体为受顶向(或天向)速度约束的地面车辆和水面舰艇,在一般的机动条件下,除位置以外系统各状态可观。在可观性分析的基础上,建立了滤波器模型,完成了组合导航算法设计,并研究和解决了若干关键问题,包括滤波器的降阶、周跳的影响及检测、非完整约束的应用等。通过静态实验、跑车实验和水面舰艇实验,对理论分析的结果、数学模型和算法进行了实验研究和验证。实验结果表明:利用载波相位时间差分与捷联惯导组合,能够准确地估计惯导系统的误差,从而有效地抑制导航误差的积累。因此,北斗载波相位时间差分/捷联惯导组合导航技术可应用于地面车辆和水面舰艇的导航,能够在不对外发射信号、不受用户数目限制的前提下,在较长的时间保持较高的导航精度。 (4)研究了利用载波相位时间差分测量速度的方法。主要工作包括:对载波相位时间差分速度估计算法的研究、速度估计精度及其误差分析、对利用非线性跟踪—微分器提取载波相位率和时滞补偿算法的研究、实验和仿真验证。实验结果表明,利用载波相位时间差分可以获得精确的速度信息;非线性跟踪—微分器及时滞补偿算法的使用在基本消除时滞的基础上有效地减弱了对噪声的放大作用;在一般观测条件下(6颗星,速度几何误差因子3~4),用单GPS接收机,静态条件下测速精度可达到10~(-3)m/s的水平,动态条件下与差分GPS的精度水平相当;北斗系统卫星数目少,并受几何构形的限制,在天向运动约束的辅助下,北向精度达到10~(-1)m/s的水平,东向速度估计的精度达到10~(-2)m/s的水平。对几何精度因子的分析及北斗与GPS实验结果的比较说明:如果卫星分布的几何构形得到改善,北斗载波相位时间差分速度估计的精度还可以进一步提高。


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