基于矢量跟蹤的高動態(tài)載體超緊組合導航技術研究.pdf

1、目前，航空航天領域逐漸成為各國科學研究關注的焦點，越來越多的高動態(tài)載體被設計和開發(fā)，為了提升飛行器和武器等高動態(tài)載體的性能以及增強它們的生存能力，需要設計一個穩(wěn)定、連續(xù)、高精度的導航系統(tǒng)。因此，高動態(tài)載體的導航技術作為研究熱點得到各國的廣泛關注。
　　傳統(tǒng)的導航系統(tǒng)各有特色，優(yōu)缺點并存，各系統(tǒng)單獨使用時都難以全面滿足高動態(tài)載體導航要求，因此，將多種導航系統(tǒng)進行組合成為高動態(tài)載體導航技術的最佳選擇。在GNSS/INS組合導航中，松組

2、合和緊組合方式都非常依賴GNSS接收機本身的工作性能，而普通GNSS接收機在復雜、惡劣的高動態(tài)環(huán)境下往往無法正常工作，這使得傳統(tǒng)GNSS/INS組合導航系統(tǒng)的性能無法滿足新型高動態(tài)載體的需求。為了解決這個問題，超緊組合方式應運而生，它采用矢量跟蹤取代標量跟蹤，在接收機跟蹤環(huán)路上耦合INS，有效地提高了GNSS/INS組合導航系統(tǒng)在高動態(tài)、弱信號和干擾環(huán)境下的導航穩(wěn)定性和精度，非常適合高動態(tài)載體應用。
　　依托2009年和2011年

3、上海航天局兩項科研基金，緊跟高動態(tài)載體導航當前發(fā)展趨勢和研究熱點，本文作者開展了基于矢量跟蹤的高動態(tài)載體GNSS/INS超緊組合導航技術研究，研究了GNSS/INS超緊組合導航中INS初始對準、IMU輔助GNSS信號捕獲、GNSS信號矢量跟蹤、高動態(tài)下連續(xù)穩(wěn)定導航和完好性監(jiān)測等5項關鍵技術，為GNSS/INS超緊組合導航技術在高動態(tài)載體上的應用奠定了理論基礎。主要的研究工作體現(xiàn)在以下5個方面:
　　1.調(diào)研了國內(nèi)外高動態(tài)載體導航技

4、術以及組合導航技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，結(jié)合課題研究背景，確定了用于高動態(tài)載體的GNSS/INS超緊組合導航技術的研究內(nèi)容。
　　2.針對高動態(tài)載體的特點，提出了動基座傳遞對準方案，建立了傳遞對準誤差模型，設計了對準濾波器，并對信息傳遞過程中的延時問題進行了分析;基于系統(tǒng)的可觀測性分析進一步對傳遞對準濾波器進行了簡化，設計了降維傳遞對準濾波器，縮短了傳遞對準時間;構(gòu)建了傳遞對準仿真平臺，進行了傳遞對準仿真實驗，評估和比較了簡化前后

5、傳遞對準性能。
　　3.研究了IMU輔助GNSS信號捕獲的性能指標及其帶來性能提升的機理;論述了IMU估計多普勒頻移的原理，比較IMU輔助前后頻率偏移估計精度，詳細推導了IMU精度與多普勒頻移估計精度的數(shù)學關系，以此為基礎分析IMU精度對多普勒頻移估計的影響;搭建了導航數(shù)據(jù)生成和采集平臺，利用該平臺生成和采集的數(shù)據(jù)進行了不同精度IMU輔助的GNSS信號捕獲實驗，比較了不同精度IMU輔助捕獲的捕獲時間和捕獲能力。
　　4.分析

6、了矢量跟蹤超緊組合導航系統(tǒng)的構(gòu)建形式;建立了跟蹤環(huán)路的誤差模型，從誤差源和誤差分布上分析了超緊組合提升跟蹤性能的機理，得到了IMU精度與超緊組合導航系統(tǒng)跟蹤環(huán)路誤差的數(shù)學關系;針對高動態(tài)載體應用場景，提出了適用的超緊組合導航方案并設計了相應的濾波器，以此為基礎開發(fā)了軟件超緊組合導航系統(tǒng)并搭建了超緊組合導航半物理實驗平臺，在該平臺上進行了高動態(tài)載體超緊組合導航系統(tǒng)性能評估實驗。
　　5.針對現(xiàn)有接收機自主完好性監(jiān)測和組合導航系統(tǒng)完好

7、性監(jiān)測方法的缺陷和不足，基于超緊組合導航系統(tǒng)本文提出了一種不受可見星數(shù)目限制的新的完好性監(jiān)測方法;將差分技術進一步引入超緊組合導航系統(tǒng)完好性監(jiān)測，提出了差分輔助的超緊組合導航系統(tǒng)誤差辨識方法。
　　本文4個主要的創(chuàng)新點為:
　　1.不同于以往可觀測性分析多用于分析系統(tǒng)性能，本文提出將可觀測性分析引入動基座傳遞對準，用于簡化傳遞對準濾波器，通過舍棄不可觀測性的狀態(tài)變量，設計了降維濾波器實現(xiàn)快速傳遞對準，在保證對準性能的前提下，

8、減小了計算負擔，提高了對準效率，使系統(tǒng)更適合高動態(tài)載體應用。
　　2.詳細推導IMU精度與多普勒頻移估計精度間的數(shù)學關系，以此為基礎分析了IMU精度對高動態(tài)載體的IMU輔助捕獲性能的影響，并通過實驗比較了不同精度IMU輔助的GNSS信號捕獲的性能，證明推導和分析的正確性和合理性。
　　3.建立了普通接收機和超緊組合導航系統(tǒng)跟蹤環(huán)路的誤差模型，根據(jù)這些模型對兩者的跟蹤環(huán)路誤差和誤差分布進行了仿真比較，揭示了超緊組合提高跟蹤性能