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GNSS/INS深组合跟踪环路设计及滤波方法研究

作　者: 李强
导　师: 徐定杰
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 导航、制导与控制
关键词: GPS/INS 深组合抗干扰矢量跟踪
分类号:
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

GNSS/INS(Global Navigation Satellite System/Inertial Navigation System)组合导航既可以提高卫星导航接收机的抗干扰能力，也能够定期对惯性系统的导航参数进行补偿校正。卫星导航系统以GPS(Global Positioning System)为例，GPS/INS组合导航的发展历程经历了松组合、紧组合和深组合(超紧组合)三个阶段。松组合通常以惯性导航系统为主，而在紧组合和深组合中，INS所提供的多普勒频移可以用来辅助GPS接收机进行卫星信号的捕获和跟踪，因此GPS接收机的内部结构需要做出一定的改变。本文的卫星导航系统以GPS为例，首先分析了GPS/INS组合导航子系统的基本工作原理，在GPS信号结构的基础上介绍了伪距量测原理和载波相位量测原理；在惯性导航系统中，以捷联惯导系统(Strapdown Inertial Navigation System,SINS)为例，介绍了该系统的工作原理，分析了求解姿态矩阵的计算方法，并对SINS的误差状态进行分析，为建立GPS/INS组合导航的状态方程奠定了基础。接着阐述了GPS接收机跟踪环路的工作原理，对码延迟锁定环路(Delay Lock Loop,DLL)和载波锁相环(Phase Lock Loop, PLL)的跟踪误差特性进行了研究，仿真分析了载体动态应力误差、噪声误差与环路带宽之间的关系。研究了经过惯性信息辅助后的跟踪环路特性，在INS辅助码环路中，设计了一种高斯码相位鉴别器来提高码跟踪环路在多径干扰下的跟踪精度。本文在传统接收机跟踪环路基础上研究了一种矢量跟踪环路结构。跟踪环路得到码相位误差和载波相位误差后，这些误差不再直接作为校正量反馈给本地信号发生器来调节复制信号的频率，而是被统一输入到扩展kalman滤波器中来解算出载体的位置和速度，利用解算出的位置和速度来更新载体与卫星间的单位观测矢量。从而预测出下一时刻载体与卫星间的伪距和伪距率，在下一刻与接收到的信号进行相关运算得到新的伪距误差、伪距率误差，完成闭合反馈回路。接着，在矢量跟踪环路的基础上进行了GPS/INS深组合技术研究，分析了导航滤波器模型，搭建了GPS/INS深组合仿真系统，模拟了载体运动轨迹，分别采用GPS和GPS/INS深组合对位置误差进行了分析，验证了本文提出的基于矢量跟踪环路的GPS/INS深组合方案是可行的。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-15
  1.1 课题研究的背景与意义  10-12
    1.1.1 课题研究背景  10-11
    1.1.2 课题研究意义  11-12
  1.2 GPS/INS 组合导航技术的研究现状  12-14
    1.2.1 国外研究现状  12-13
    1.2.2 国内研究现状  13-14
  1.3 本文的主要研究内容和章节安排  14-15
第2章 GPS/INS 组合导航子系统的工作原理  15-26
  2.1 全球卫星导航系统原理  15-20
    2.1.1 GPS 信号结构  15-17
    2.1.2 伪距量测原理  17-19
    2.1.3 载波相位量测原理  19-20
  2.2 惯性导航系统原理  20-25
    2.2.1 常用坐标系的定义  20-21
    2.2.2 捷联惯导系统工作原理  21-23
    2.2.3 捷联惯导系统的误差分析  23-25
  2.3 本章小结  25-26
第3章 INS 辅助的 GPS 信号跟踪技术  26-39
  3.1 GPS 接收机跟踪环路工作原理  26-30
  3.2 GPS 接收机环路跟踪性能指标分析  30-33
    3.2.1 码跟踪环路的跟踪误差  30-32
    3.2.2 载波跟踪环路的跟踪误差  32-33
  3.3 INS 辅助的跟踪环路设计  33-38
    3.3.1 INS 辅助的 PLL 设计  33-35
    3.3.2 INS 辅助下的码相位鉴别器设计  35-38
  3.4 本章小结  38-39
第4章矢量跟踪环路的设计与性能分析  39-57
  4.1 矢量跟踪环路的结构设计  39-44
    4.1.1 位置模型滤波器  41-42
    4.1.2 伪距模型滤波器  42-44
  4.2 标量跟踪环路与矢量跟踪环路性能分析  44-52
    4.2.1 过程噪声协方差矩阵分析  44-48
    4.2.2 伪距预测性能分析  48-52
  4.3 矢量跟踪环路的抗干扰能力分析  52-55
    4.3.1 抗干扰性能指标和评估方法  52-53
    4.3.2 矢量跟踪环路的抗干扰能力评估  53-55
  4.4 本章小结  55-57
第5章基于矢量跟踪环路的 GPS/INS 深组合技术研究  57-68
  5.1 矢量跟踪环路的基带信号处理算法  57-59
    5.1.1 线性滤波方法  57-58
    5.1.2 非线性滤波方法  58-59
  5.2 基于集中滤波器的 GPS/INS 深组合模型  59-63
  5.3 GPS/INS 深组合系统仿真设计  63-67
  5.4 本章小结  67-68
结论  68-70
参考文献  70-74
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  74-76
致谢  76

GNSS/INS深组合跟踪环路设计及滤波方法研究

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