高动态下超紧组合导航系统设计与仿真

论文摘要

随着高速高动态的飞行器的不断出现,对导航系统的要求不断提高,研究高动态环境下的组合导航技术具有重要的意义。SINS/GPS超紧组合导航系统通过SINS辅助GPS接收机捕获、跟踪卫星信号,可增强接收机的信号处理和抗干扰能力,适用于高动态导航。本文针对SINS/GPS超紧组合导航系统关键性技术展开研究,分析高动态对组合导航系统的影响,并研究高动态下SINS/GPS超紧组合导航系统的设计与仿真。本文首先简要综述了惯性导航系统、GPS和超紧组合导航系统的发展与研究现状;详细介绍了捷联惯性导航系统、GPS的工作原理以及软件接收机的设计。其次,针对组合导航系统的建模和滤波器的设计,分别推导了松组合导航系统和紧组合导航系统的误差模型,建立了组合导航系统的状态方程和量测方程,并针对所建立的紧组合导航系统模型设计了非线性滤波器。其后,针对高动态下超紧组合导航系统设计中的关键点:SINS辅助GPS跟踪技术进行了研究。分析了高动态对GPS跟踪环路的影响,设计了基于SINS辅助的GPS自适应跟踪环路,有效地改善了GPS在高动态下的跟踪能力。同时分析了惯性器件性能对辅助跟踪结果的影响,为高动态环境下的超紧组合导航系统设计提供了依据。针对GPS接收机在高动态环境下容易失锁的特性,对SINS辅助GPS接收机跟踪环进行了性能仿真分析。仿真结果表明,高动态环境下SINS辅助的GPS跟踪环路不受载体动态的影响,能够在环路噪声带宽足够窄的情况下实现对高动态GPS信号的跟踪,显著提高了GPS在高动态条件下的动态性能和抗干扰性能。最后,介绍了所设计的高动态超紧组合导航及高动态环境仿真系统,包括轨迹发生器模块,捷联惯性导航子系统仿真模块,高动态中频信号仿真模块,软件GPS接收机模块,组合导航滤波系统仿真模块等。该仿真系统为高动态下SINS/GPS超紧组合导航的性能分析与算法研究提供了仿真实验平台。并进一步分析了GPS卫星故障引起的观测量维数变化对组合导航系统的影响;伪距、伪距率测量精度对组合导航系统的影响等。本文所完成的工作为解决SINS/GPS超紧组合系统设计中的关键技术提供理论依据与仿真结果,为进一步研制超紧组合系统奠定了基础,具有较好的理论意义与实际价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 导航系统的发展现状
• 1.2.1 惯性导航系统的发展现状
• 1.2.2 GPS系统的发展现状
• 1.2.3 SINS/GPS超紧组合导航系统的发展现状
• 1.3 论文研究的主要内容
• 第二章 导航系统原理简介
• 2.1 捷联惯性导航系统简介
• 2.1.1 常用的坐标系
• 2.1.2 参数说明
• 2.1.3 捷联惯性导航系统的工作原理
• 2.1.4 捷联惯性导航系统的误差
• 2.2 GPS系统原理简介
• 2.2.1 GPS定位原理
• 2.2.2 GPS信号结构
• 2.2.3 软件GPS接收机设计原理
• 2.3 本章小结
• 第三章 组合导航系统建模与滤波器设计
• 3.1 组合导航系统组合模式设计
• 3.2 组合导航系统建模
• 3.2.1 子系统误差模型
• 3.2.2 松组合导航系统模型
• 3.2.3 紧组合导航系统模型
• 3.3 组合导航系统滤波器设计
• 3.3.1 卡尔曼滤波原理
• 3.3.2 扩展卡尔曼滤波原理
• 3.3.3 平淡卡尔曼滤波器设计
• 3.4 组合导航系统仿真结果比较
• 3.5 本章小结
• 第四章 自适应SINS辅助GPS跟踪环设计
• 4.1 GPS跟踪环的基本原理
• 4.1.1 锁相环的结构与原理
• 4.1.2 锁相环的数学模型及参数分析
• 4.2 高动态跟踪环路的设计
• 4.2.1 码跟踪环路设计
• 4.2.2 载波跟踪环路设计
• 4.2.3 高动态对于跟踪带宽的影响分析
• 4.3 SINS辅助GPS自适应跟踪环路设计
• 4.3.1 SINS辅助PLL原理
• 4.3.2 SINS辅助PLL载波跟踪环路的设计
• 4.3.3 改进的SINS辅助GPS自适应跟踪环路设计
• 4.4 本章小结
• 第五章 高动态下超紧组合导航系统仿真设计
• 5.1 超紧组合导航仿真系统的总体设计
• 5.2 轨迹发生器设计
• 5.3 SINS仿真系统的设计
• 5.4 高动态中频信号的模拟
• 5.5 软件GPS接收机的仿真
• 5.6 超紧组合导航系统的仿真实验与结果
• 5.6.1 卫星信号故障对超紧组合导航系统的影响
• 5.6.2 GPS观测精度对超紧组合导航系统的影响
• 5.7 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 本文回顾及结论
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文