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惯性辅助下高动态高灵敏度GNSS Kalman跟踪环路设计

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清华大学学报（自然科学版） 2015年第3期55卷 333-338页

作者：刘刚张嵘郭美凤崔晓伟赵坤清华大学精密仪器系导航工程中心北京100084 海军航空工程学院控制工程系烟台264001 清华大学电子工程系卫星导航技术研究室北京100084

高动态卫星导航接收机使用宽带宽载波环来获得动态范围,而高灵敏度接收机使用窄带宽载波环来获得更长的积分时间,因此在高动态和弱信号场景中,存在带宽选择的问题。该文引入惯性辅助来消除接收机的动态应力,设计了一种惯性辅助的二阶Kal... 详细信息

高动态卫星导航接收机使用宽带宽载波环来获得动态范围,而高灵敏度接收机使用窄带宽载波环来获得更长的积分时间,因此在高动态和弱信号场景中,存在带宽选择的问题。该文引入惯性辅助来消除接收机的动态应力,设计了一种惯性辅助的二阶Kalman跟踪环路。惯性辅助消除了加速度对接收机环路的影响,使接收机工作于准静态场景,允许使用低阶环路来改善瞬态响应,并压缩环路带宽来延长积分时间,抑制噪声影响的同时也改善了载波相位测量精度。采集航迹发生器和卫星信号模拟器输出信号并进行仿真实验。实验结果表明:使用20ms相干积分时间,接收机加速度大于50g的情况下,该环路可以跟踪载噪比为24dB·Hz的弱信号。

关键词：惯性辅助全球导航卫星系统高动态高灵敏度 Kalman跟踪环

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惯性辅助GNSS跟踪环路技术研究

航天控制 2016年第1期34卷 20-24页

作者：陆帅陈帅余威方俊丁海龙南京理工大学自动化学院南京210094

GNSS信号在载体高动态飞行时会产生较大的多普勒频移,常规的跟踪环难以稳定跟踪信号,可能会使信号失锁。本文提出了一种利用惯性信息为跟踪环路提供辅助多普勒频移的方法,从而解决高动态环境下GNSS信号的稳定跟踪问题。实验结果表明:在... 详细信息

GNSS信号在载体高动态飞行时会产生较大的多普勒频移,常规的跟踪环难以稳定跟踪信号,可能会使信号失锁。本文提出了一种利用惯性信息为跟踪环路提供辅助多普勒频移的方法,从而解决高动态环境下GNSS信号的稳定跟踪问题。实验结果表明:在载体以50g的加速度相对卫星运动时,该方法显著降低了高动态对跟踪环路的影响,使接收机动态跟踪性能明显提升。

关键词：高动态惯性辅助跟踪环路多普勒频移

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基于惯性辅助的卫星定位控制技术研究

基于惯性辅助的卫星定位控制技术研究

作者：樊龙江南京理工大学

学位级别：硕士

近年来,卫星导航系统发展日益成熟,随着我国北斗系统(BDS)组网日趋完善,国民对于卫星导航的需求日益增多。卫星导航系统能够提供全天候实时的定位导航授时服务,但是在高动态、弱信号等复杂环境下无法提供稳定可靠的导航信息。为了进一... 详细信息

近年来,卫星导航系统发展日益成熟,随着我国北斗系统(BDS)组网日趋完善,国民对于卫星导航的需求日益增多。卫星导航系统能够提供全天候实时的定位导航授时服务,但是在高动态、弱信号等复杂环境下无法提供稳定可靠的导航信息。为了进一步提升卫星导航的综合性能,利用惯性信息辅助卫星导航系统已成为当前导航领域的研究热点。本文以某国防重点预研项目为研究背景,对惯性辅助卫星定位控制技术进行研究,主要完成工作如下:(1)对BDS/GPS基带信号处理技术进行研究,依据卫星信号的产生机理设计了一种基于FPGA的BDS/GPS基带信号处理器,详细介绍了基带处理器各个模块的具体实现及功能仿真验证;(2)对惯性辅助BDS/GPS接收机技术进行了研究。针对高动态、弱信号等复杂环境下,常规GNSS接收机无法持续稳定跟踪卫星信号的问题,设计了一种惯性信息辅助接收机的捕获、环路跟踪技术,提升了系统在复杂环境下跟踪卫星信号的能力。此外,针对常规冷启动时间较长问题,设计了一种惯性辅助快速热启动技术,大大缩短了初始定位的时间;(3)对BDS/GPS双模联合定位技术进行研究。针对双模系统定位算法的差异,设计了一种双模联合定位算法;针对传统定位算法定位结果粗糙且杂乱的问题,设计了一种无迹卡尔曼滤波(UKF)定位算法,并在此基础上引入了自适应修正因子,增强了系统的定位精度和鲁棒性能;最后对惯性辅助卫星定位控制系统的软硬件设计进行了详细的介绍,通过模拟器试验和跑车试验,验证了系统整体的导航性能。

关键词： BDS/GPS 惯性辅助基带处理 UKF/AUKF定位解算

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深组合系统中惯性辅助GPS基带技术研究

深组合系统中惯性辅助GPS基带技术研究

作者：单童南京理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着国防工业电子信息化技术的飞速发展,组合导航技术,作为一种涉及多学科交叉的应用技术,在军事与民用领域的地位也日益提高,精确制导技术也逐渐成为现代战争的关键要素,然而,传统的组合导航技术已经无法满足多种复杂环境下高... 详细信息

近年来,随着国防工业电子信息化技术的飞速发展,组合导航技术,作为一种涉及多学科交叉的应用技术,在军事与民用领域的地位也日益提高,精确制导技术也逐渐成为现代战争的关键要素,然而,传统的组合导航技术已经无法满足多种复杂环境下高精度、高性能的制导要求。深组合导航技术,可以切实提高卫星接收机的捕获跟踪效果,从而优化整个系统的工作性能,在高动态等复杂环境下也能够提供可靠、精确的导航信息,逐渐成为导航领域的研究热点。本文以“某型制导火箭弹项目”为研究背景,主要对深组合系统中惯性辅助GPS的基带环路技术进行研究,重点分析了惯性辅助下,GPS信号的捕获跟踪算法,设计环路结构,完成实验分析,验证了算法的有效性,旨在进一步提高接收机的动态性能,为深组合导航系统的工程实现奠定理论基础。论文首先对GPS/INS深组合导航技术进行分析,在此基础上,深入研究GPS接收机基带数字信号处理模块及其捕获跟踪原理,设计惯性辅助GPS环路的基本结构,拟定总体研究方案：然后基于基本捕获原理,设计出一种惯性辅助GPS的捕获算法,从可见星预测、多普勒频移估算和失锁重捕三个方面着手,加快捕获速度;卫星信号成功捕获后,接下来就进入跟踪阶段,本文仍然采用较为常见的二阶锁频环辅助三阶锁相环的跟踪形式,加入惯性辅助信息,建立新的环路模型,并设计了一种针对信号失锁情况的自适应跟踪算法,通过仿真分析,验证了惯性辅助信息对环路性能的优化效果;最后基于之前的理论研究成果,搭建半实物仿真系统,在DSP+FPGA卫星导航开发平台上验证了辅助捕获跟踪算法在实际环境下的有效性。数字仿真及半实物仿真实验结果表明,本文设计的惯性信息辅助GPS基带环路算法,可以有效加快卫星的捕获速度,加快跟踪环路的响应速度,缩小环路带宽,在热启动方式下,单颗卫星的捕获时间不到1s,缩短了接收机的首次定位时间,在高动态环境中,大大降低了卫星的失锁概率,1-2s内即可完成重捕,对整个接收机的动态性能有很好的提升作用。

关键词： GPS 深组合惯性辅助失锁重捕半实物仿真

基于双天线惯性辅助的车载定位定向技术研究与实现

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基于双天线惯性辅助的车载定位定向技术研究与实现

作者：靳文鑫北京交通大学

学位级别：硕士

双天线车载定位定向技术是基于载波相位差分定位技术的一种新型定位定向技术,该技术具有高精度和实时性的特点,可应用于航空、航海以及汽车等领域。辅助双天线定位定向系统的惯性系统使用无源定位技术,可以增加定位定向系统的稳定性和... 详细信息

双天线车载定位定向技术是基于载波相位差分定位技术的一种新型定位定向技术,该技术具有高精度和实时性的特点,可应用于航空、航海以及汽车等领域。辅助双天线定位定向系统的惯性系统使用无源定位技术,可以增加定位定向系统的稳定性和可靠性。本文在综述国内外双天线定位定向技术和GPS卫星导航/惯性导航组合技术的基础上,首先,分析了卫星导航接收机输出信号的结构,并根据定位定向软件的功能需求,设计了卫星导航接收机输出信号分析软件,在Windows系统中使用C#语言,编写了信号分析软件;然后,描述了卫星在空间中坐标的计算方法和观测方程,分析了 GPS绝对定位和载波相位相对定位的数学原理,在载波相位相对定位的基础上建立了载波相位的差分方程,确立短基线定向的基本模型,基于整周模糊度的求解算法、基线向量的求解算法以及定向结果的坐标系转换算法,给出了求解当地坐标系下载体航向角的方法;其次,基于惯性导航系统的定向原理,提出了一种基于惯性系统辅助双天线的定向算法;最后,根据基于双天线惯性辅助的定位定向系统结构设计了双天线定位定向模块和惯性导航定向模块,在Windows系统中使用C++语言编写了定位定向软件,并通过实验室静态环境测试和现场动态环境测试,验证了定位定向软件的可行性,同时通过将软件输出的定位定向结果与标准接收机的输出结果比对,给出了定位定向软件输出结果的精度。

关键词： GPS 双天线定位定向惯性辅助

惯性辅助高动态RTK模糊度浮点解求解算法研究

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导航定位与授时 2017年第6期4卷 61-67页

作者：高亚豪左启耀邹志勤李峰胡文涛北京自动化控制设备研究所北京100074

载波相位差分(RTK)技术需要着重解决整周模糊度快速精确求解问题。针对高动态应用,提出一种利用惯性信息辅助求解RTK整周模糊度浮点解的算法,建立了基于加速度信息辅助的Kalman滤波器模型,分析了加速度误差和惯导信息延迟对滤波结果的影... 详细信息

载波相位差分(RTK)技术需要着重解决整周模糊度快速精确求解问题。针对高动态应用,提出一种利用惯性信息辅助求解RTK整周模糊度浮点解的算法,建立了基于加速度信息辅助的Kalman滤波器模型,分析了加速度误差和惯导信息延迟对滤波结果的影响,并通过仿真对算法的动态性能进行了深入研究。仿真结果表明,与未受辅助的Kalman滤波算法相比,基于惯性辅助的求解算法能够在高动态下获得较精确的整周模糊度浮点解,使后续整数解的搜索空间更小,提升了模糊度固定效率和成功率;在发生周跳、出现野值和跟踪到新卫星信号的情况下,该算法同样具有很好的模糊度浮点解求解性能;此外,惯导加速度的随机测量误差和信息延迟不会对算法的性能造成较大影响。

关键词：惯性辅助 RTK 整周模糊度 Kalman滤波高动态

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惯性辅助的单频GPS整周模糊度快速求解

兵工自动化 2016年第6期35卷 34-38,42页

作者：彭旭飞陆志东岳亚洲高关根中国航空工业集团西安飞行自动控制研究所西安710065 飞行器控制一体化技术国防重点实验室西安710065

为改善法矩阵病态性,实现整周模糊度快速求解,提出惯性导航系统(inertial navigation system,INS)辅助单频GPS整周模糊度求解算法。将惯性伪距单差、GPS伪距双差、载波相位双差联立得到模糊度浮点解及其协方差阵,利用LAMBDA算法求解出... 详细信息

为改善法矩阵病态性,实现整周模糊度快速求解,提出惯性导航系统(inertial navigation system,INS)辅助单频GPS整周模糊度求解算法。将惯性伪距单差、GPS伪距双差、载波相位双差联立得到模糊度浮点解及其协方差阵,利用LAMBDA算法求解出整周模糊度固定解。分析引入惯性信息改善复共线性和病态性的原因,并利用GPS实测数据与仿真INS数据进行实验验证。实验结果表明:INS辅助信息使得法矩阵条件数减小2个数量级,模糊度衰减因子下降55.81%,整周模糊度固定解求解的时间缩短75.44%,方法可行。

关键词：惯性辅助载波相位差分整周模糊度快速解算病态性

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惯性辅助GNSS跟踪环路及其适配性分析

航空兵器 2015年第2期22卷 26-30页

作者：刘亚玲陈帅金磊南京理工大学南京210094

载波跟踪技术作为GNSS接收机的关键技术,其跟踪算法在很大程度上决定着GNSS接收机的导航性能。本文基于一种典型载波跟踪环路结构,针对高动态环境下接收机跟踪环路易信号失锁的情况,设计了一种惯性辅助GNSS载波跟踪算法,提出利用多普勒... 详细信息

载波跟踪技术作为GNSS接收机的关键技术,其跟踪算法在很大程度上决定着GNSS接收机的导航性能。本文基于一种典型载波跟踪环路结构,针对高动态环境下接收机跟踪环路易信号失锁的情况,设计了一种惯性辅助GNSS载波跟踪算法,提出利用多普勒频移变化量平滑伪距率算法,并对惯性辅助跟踪环路的适配性进行了分析。实验结果表明:惯性辅助GNSS载波跟踪算法适用于高动态环境,具有良好的动态性能和导航精度。

关键词：高动态环境跟踪环路 GNSS接收机惯性辅助平滑伪距率适配性分析

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基于惯性辅助的GPS相对定位算法

导航与控制 2016年第6期15卷 7-13,20页

作者：彭旭飞陆志东岳亚洲高关根西安飞行自动控制研究所西安710065 飞行器控制一体化技术国防重点实验室西安710065

针对GPS信号易受干扰遮挡以及利用载波相位差分进行相对定位时整周模糊度浮点解精度差、搜索空间大的不足,提出INS辅助的GPS相对定位算法。首先采用:INS/GPS深组合方式,实现伪距、伪距率的滤波平滑:然后利用校正后的惯性信息、伪距、载... 详细信息

针对GPS信号易受干扰遮挡以及利用载波相位差分进行相对定位时整周模糊度浮点解精度差、搜索空间大的不足,提出INS辅助的GPS相对定位算法。首先采用:INS/GPS深组合方式,实现伪距、伪距率的滤波平滑:然后利用校正后的惯性信息、伪距、载波相位集中滤波得到高精度的浮点解和协方差阵;最后利用LAMBDA算法得到模糊度固定解和相对位置信息。文中使用GPS实测数据和仿真惯导数据进行相对定位试验,结果表明在GPS信号受到短时遮挡时,有惯性辅助和没有惯性辅助相比,东北天3个方向的平均误差分别下降66.45%、82.32%、85.66%;且该算法可改善模糊度指标,压缩整周模糊度搜索空间,提升整周模糊度求解效率。

关键词：惯性辅助载波相位差分相对定位整周模糊度