SINS辅助GPS跟踪环路超紧耦合系统设计

为了提高GPS(Global Positioning System)在高动态条件下的跟踪性能并为SINS(Strapdown Inertial Navigation System)提供精确、可靠的修正信息,提出了一种SINS辅助GPS超紧耦合导航方案.针对高动态条件下载波跟踪性能不佳的问题,利用SINS速度信息为载波环提供多普勒频率辅助,从而降低了载体动态对载波环的影响.此外,将载波环跟踪误差扩充为组合系统的状态变量,并建立了载波环跟踪误差、伪距率量测误差与惯导误差之间的关系模型,从而消除了引入SINS辅助信息导致的量测相关问题.仿真验证表明:超紧耦合系统不仅能够有效地提高跟踪环路的噪声抑制能力和动态跟踪性能,而且可以显著地改善组合滤波器的误差估计精度.     

基于带宽优化的载波跟踪算法

在现有的高动态微弱信号的载波跟踪算法中,针对锁频环(FLL)辅助锁相环(PLL)载波跟踪算法,环路调整不连续,易出现跟踪失锁的问题,给出了FLL与PLL的更优组合算法,并确定了组合环路状态转换的过程以及环路状态转换的门限值,从而优化环路性能;针对带宽调整不准确影响环路跟踪性能的问题,分析得出最优带宽值,确定了试探法带宽调整策略,对环路带宽进行实时调整,最终在信噪比为3dB,且存在加加速度分量时,环路的跟踪误差达到3Hz左右.      

GPS软件接收机原理样机设计与实现

为了满足GPS/INS(Global Positioning System/Inertial Navigation System)超紧组合导航系统研究的需要,克服硬件接收机参数固定,适应性差的弱点,设计了一种参数可调、灵活控制的GPS软件接收机.采用GPS L1频率的中频采样信号,运用FFT(Fast Fourier Transform)频域捕获算法和锁相环与锁频环相互辅助的载波环路,实现了信号捕获、码环和载波环路跟踪、导航电文提取与解码、伪距及导航定位解算,并与NovAtel公司的FlexPax型硬件接收机进行了比较.跑车测试结果表明,该GPS软件接收机捕获迅速、跟踪准确,导航定位精度小于10m,动态抗干扰能力明显优于一般GPS硬件接收机,适合于GPS/INS超紧组合导航系统的应用.     

GPS/INS超紧组合载波跟踪环路最优带宽在线设计

在全球定位系统和惯性导航系统组成的超紧耦合系统中,卫星信号的跟踪性能直接取决于载波跟踪环路的带宽。为提高最优带宽的计算精度,在对惯导辅助下载波跟踪环路跟踪特性进行分析的基础上,详细推导了载波多普勒频率估计误差、多普勒频率变化率估计误差的计算方式,建立了惯导辅助下的环路跟踪误差模型;在实时估计跟踪载噪比的基础上,应用离散牛顿二阶梯度法迭代解算最优带宽,并进行实时调整。仿真结果表明,所设计最优带宽迭代解算方法的计算精度能够在11次迭代内达到99.6%,以此作为环路的带宽,能够在弱信号、辅助信息精度较低的情况下有效提高环路的跟踪精度。     

四元数UKF超紧密组合导航滤波方法

针对GPS/SINS(Global Positioning System/Strapdown Inertial Navigation Sys-tem)超紧密组合导航系统线性化滤波在高动态、弱GPS信号等环境下性能下降严重的问题,提出了一种以四元数UKF(Unscented Kalman Filter)为基础的GPS/SINS超紧密组合导航系统非线性滤波方法.通过分析GPS与SINS在超紧密组合导航系统中的关系,提出了一种利用SINS信息来估计、修正GPS载波信号的方法,在此基础上建立了组合导航滤波的状态方程和量测方程;以四元数乘性误差模型为基础,提出了一种可应用于UKF滤波的求解四元数加权均值的方法;提出了基于四元数UKF的GPS/SINS超紧密组合导航滤波方法.仿真实验表明:在高动态环境下,四元数UKF滤波方法增强了GPS/SINS超紧密组合导航系统的定位精度和抗干扰能力.     

基于RT-LAB的组合导航仿真平台设计

设计了一种基于RT-LAB的SINS/GPS/CNS（Strapdown Inertial Navigation System/Global Positioning System/Celestial Navigation System）组合导航系统仿真平台方案,建立具有故障检测、隔离和系统重构能力的基于联邦卡尔曼滤波器的姿态、位置、速度组合导航系统方案和结构.将SINS与GPS的位置之差和速度之差作为SINS/GPS子滤波器的观测量,通过CNS给出的载体惯性姿态信息获得SINS的姿态误差角测量信息.仿真结果表明,该系统方案具有较强的容错性能、较高的导航精度和很强的实时性能,为组合导航技术的研究提供了有益的参考.     

高动态GPS/SINS 组合导航系统的时间同步方法

高动态环境下GPS/SINS 组合导航系统的同步误差源均被不同程度地放大, 严重影响了系统的组合性能. 给出了同步时间基准及记录GPS 通信延时的硬件设计思想. 在此基础上, 将GPS 与SINS 的时标差、SINS 的频标漂移及GPS 的通信延迟作为同步误差源, 采用软件处理方式完成对SINS 频标漂移的建模、量测信息的外推计算及GPS 通信延时的滤波补偿, 使系统的量测信息在每一个同步点上实现同步. 仿真结果验证了方法的有效性.      

GPS/SINS超紧组合导航系统可观测性分析

系统状态的可观测性决定了系统的滤波精度.目前,分析系统状态可观测性的主要方法是针对线性系统的,其中奇异值分解(SVD,Singular Value Decomposition)法可以对系统进行事前分析,并且计算简单,成为广泛使用的方法之一.然而集中滤波结构的全球定位系统/捷联惯性导航系统(GPS/SINS,Global Positioning System/Strapdown Inertial Navigation System)超紧组合模型的量测方程是非线性的,对非线性系统进行可观测性分析是非常困难的.针对这个问题,推导出了超紧组合模型线性的量测方程,并证明了该模型满足分段定常系统(PWCS,Piece-Wise Constant System)定理;使用奇异值分解法对其做可观测性仿真,并对实验结果做了全面分析.结果表明:系统状态的可观测性受载体运动状态影响,载体机动性越强,可观测的状态越多,可观测性越高.     

高精度SINS/CCD/GPS组合导航系统研究与仿真

选取捷联惯导系统误差作为系统状态,利用捷联惯导系统(SINS)与电荷耦合器件(CCD)星敏感器各自的姿态矩阵输出构造量测,设计SINS/CCD组合导航算法;利用SINS与全球定位系统(GPS)各自的速度、位置输出构造量测,设计SINS/GPS组合导航算法。然后,利用联邦型卡尔曼滤波技术,将各子滤波器输出的系统状态局部最优估计值送入主滤波器,通过全局最优融合算法计算得到系统状态的全局最优估计值。仿真结果表明,基于SINS/CCD/GPS的组合导航系统具有很高的导航精度,达到了3.5m的定位精度和9″的航向精度,非常适用于飞行器的高精度导航定位。     

INS辅助的GPS接收机跟踪环结构和性能分析

分析了GPS/INS的不同组合方式,研究了GPS接收机跟踪环的结构,给出了多普勒频移和时钟误差频率的外部估计方法,提出了一种使用低成本惯性器件信息辅助GPS接收机跟踪环的深组合(deepintegration)结构,建立了这种结构的前馈模型,并对其进行了仿真分析。仿真结果表明,这种结构可以使得接收机具有较宽的跟踪带宽和较好的抑制噪声能力,能显著提高GPS接收机的性能。     

一种新的SINS/GPS深组合导航系统设计

为了提高GPS在高动态、强干扰条件下的跟踪性能和导航精度,提出了一种新的SINS/GPS深组合导航方案.利用卡尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪回路,能够同时完成所有可视卫星信号和组合导航信息处理的任务;利用矢量跟踪算法加强各跟踪通道相互关联,增强跟踪通道对信号载噪比变化的适应能力,从而提高接收机在信号中断条件下的导航性能;利用相关器输出的I和Q路测量值直接作为导航滤波器的观测量,减小滤波过程残差,可以提高组合导航系统的导航精度和跟踪性能.仿真验证表明,这种基于矢量跟踪的深组合导航方案不仅在GPS信号中断期间能够保证系统的导航精度和可靠性,而且在低载噪比条件下可以增强导航系统的跟踪性能以及抗干扰能力.     

基于BDS/GPS的KBLMS信道补偿多径缓减算法

在全球卫星导航系统（GNSS）中，针对城市峡谷单系统无法定位及信号失锁后重新捕获及跟踪性能表现不佳的问题，提出了一种基于BDS/GPS的卡尔曼最小均方估计（KBLMS）的信道补偿技术。首先，建立双系统模型。其次，设计基于卡尔曼估计的最小均方误差的延迟估计模块，补偿接收信号上的多径失真。最后，设计视距（LOS）最佳估计块以在反馈回路中产生控制误差信号，用于自适应地更新补偿矩阵系数。通过实测数据与实验仿真，分析KBLMS的信道补偿多径缓减算法的性能。结果表明:KBLMS的信道补偿多径缓减技术相较于最小均方（LMS）算法在多径信道中能快速收敛，且码跟踪误差在ENU三个维度误差减少了0.1 chip，载波跟踪误差减少了约0.125 cm，有效降低了多径效应引起的误差，最终残余误差比LMS降低了0.035 chip，说明所提多径缓减算法可以进行更为精准的估计，从而验证了算法的有效性。