SINS辅助GPS跟踪环误差分析与最优带宽设计

SINS(Strapdown Inertial Navigation System)辅助GPS(Global Positioning System)跟踪环路的结构设计是SINS/GPS超紧组合系统实现的主要环节,而环路带宽是决定不同误差源作用下GPS跟踪环路性能的关键.首先对SINS/GPS超紧组合系统中影响载波锁相环(PLL,Phase Lock Loop)跟踪性能的各误差源进行了详细的建模与分析,进而设计了一种最优环路带宽的调节方法.该方法基于最小化跟踪误差的准则,根据接收机检测到的信号载噪比实时调节PLL带宽,以使环路保持最优跟踪状态.结果表明,所设计的最优环路带宽调节方法能够有效提高SINS辅助PLL的抗干扰性能与跟踪精度.     

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.     

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.     

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.     

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.     

高动态GPS信号C/A码捕获方案及实现

为检测高动态GPS(Global Positioning System)信号,需要设计码环及载波环捕获与跟踪数字系统.尽量缩短盲捕时间,快速捕获到信号,是研制高动态GPS接收机技术的关键,而GPS信号C/A码的快速捕获是码跟踪和载波捕获与跟踪的基础.主要讨论了在高动态GPS信号C/A码捕获中,并行搜索法和串行搜索法的原理与实现,并结合GEC公司的十二通道相关器GP2021,给出基于DSP(数字信号处理器)技术用串行搜索法捕获高动态GPS信号C/A码的算法实现.     

GPS信号捕获与跟踪策略确定及实现

为了检测GPS(Global Positioning System)信号,设计了码环及载波环捕获与跟踪数字系统.序贯搜索与窄间隔超前-滞后型数字延迟锁相环的采用,保证了码相位的可靠捕获与精确跟踪,四相鉴频器、叉积自动频率跟踪算法及科思塔环载波相位跟踪算法的结合,既保证了载波频率(多普勒频移)的捕获速度,又使环路能有效地跟踪频率/相位变化,获得较好的动态性能与噪声性能.控制算法及参数确定的软化实现使系统具有较好的灵活性.基于扩频相关器与数字信号处理器的数字系统验证了上述方案的正确性及有效性.      

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.      

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。     

一种惯性信息辅助下的GPS快捕方法

全球定位系统(GPS,Global Positioning System)信号的捕获时间直接影响高动态环境下GPS接收机的使用性能.在分析传统的外部信息辅助GPS捕获方法的基础上,提出了一种在惯性信息辅助下进行快速捕获的方法,该方法由粗捕获和精捕获构成.详细分析了该方法的实现方法和性能,进行了MATLAB/Simulink系统级仿真及蒙特卡罗仿真试验.仿真结果表明:在保证码相位捕获精度和提高频率分辨率的前提下,运用该方法可以显著缩短GPS接收机搜索捕获的时间,提高接收机的动态性能,相对无外部信息辅助的情况总捕获时间缩短至2%~3%.     

捷联惯性导航系统整体标定新方法

针对不同型号的捷联惯性导航系统(SINS, Strapdown Inertial Navigation System)测量量程及动态性能差异大,而常规标定方法难以提供多动态性信号激励的问题,提出一种利用离心机和转台对SINS进行整体标定的新方法.通过将转台安装在离心机上,调整转台姿态以及离心机旋转速度和旋转半径,可对SINS提供多范围、多运动形式的信号激励,实现对不同参数特性SINS的标定.建立了完整的离心机转台控制模型并对其进行了仿真验证,利用转台依次调整SINS到6个不同位置,控制离心机对每个位置进行正反两次共计12次旋转,即可标定出整个系统的24个误差参数.理论分析表明:该标定方法简单易操作,数据利用率高,激励信号设置灵活,具有一定的工程应用价值.     

高动态GPS卫星信号模拟器导航电文生成

为了测试全球定位系统GPS(Global Positioning System)接收机的性能,应用GPS信号模拟器来模拟各种条件下真实的GPS信号.GPS卫星信号发生器由硬件、计算机和软件组成.软件主要由卫星导航参数计算模块、目标运动轨迹计算模块、误差计算模块等模块组成.导航电文产生功能模块是高动态GPS卫星信号模拟器要解决的一项关键技术.给出了3个卫星星钟改正参数的物理意义和星历产生模型,根据这些参数并结合相应的时间参数来形成卫星导航电文.通过程序仿真并与导航电文进行验证,证明推导出的星历产生模型基本符合GPS星的星座排列规律.     

基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法

为了提高惯性/天文组合导航系统在高动态条件下的导航精度,提出了一种基于加性对偶四元数的惯性/天文组合导航算法.该算法将载体的旋转和平移统一起来,使用螺旋矢量更新对偶四元数,同时补偿圆锥误差和划船误差.推导了组合导航系统基于加性对偶四元数的误差模型和导航参数误差的计算方程;把陀螺仪和加速度计的常值误差扩充到状态变量中,随机误差作为系统噪声输入,利用星敏感器输出参数来校正陀螺漂移,通过卡尔曼滤波对状态变量进行估计.仿真结果表明:在高动态条件下,基于对偶四元数的惯性/天文导航算法的导航精度比传统算法提高2倍多.