基于矢量跟蹤的高動(dòng)態(tài)載體超緊組合導(dǎo)航技術(shù)研究.pdf

1、目前，航空航天領(lǐng)域逐漸成為各國科學(xué)研究關(guān)注的焦點(diǎn)，越來越多的高動(dòng)態(tài)載體被設(shè)計(jì)和開發(fā)，為了提升飛行器和武器等高動(dòng)態(tài)載體的性能以及增強(qiáng)它們的生存能力，需要設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定、連續(xù)、高精度的導(dǎo)航系統(tǒng)。因此，高動(dòng)態(tài)載體的導(dǎo)航技術(shù)作為研究熱點(diǎn)得到各國的廣泛關(guān)注。
　　傳統(tǒng)的導(dǎo)航系統(tǒng)各有特色，優(yōu)缺點(diǎn)并存，各系統(tǒng)單獨(dú)使用時(shí)都難以全面滿足高動(dòng)態(tài)載體導(dǎo)航要求，因此，將多種導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行組合成為高動(dòng)態(tài)載體導(dǎo)航技術(shù)的最佳選擇。在GNSS/INS組合導(dǎo)航中，松組

2、合和緊組合方式都非常依賴GNSS接收機(jī)本身的工作性能，而普通GNSS接收機(jī)在復(fù)雜、惡劣的高動(dòng)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(dǎo)航系統(tǒng)的性能無法滿足新型高動(dòng)態(tài)載體的需求。為了解決這個(gè)問題，超緊組合方式應(yīng)運(yùn)而生，它采用矢量跟蹤取代標(biāo)量跟蹤，在接收機(jī)跟蹤環(huán)路上耦合INS，有效地提高了GNSS/INS組合導(dǎo)航系統(tǒng)在高動(dòng)態(tài)、弱信號和干擾環(huán)境下的導(dǎo)航穩(wěn)定性和精度，非常適合高動(dòng)態(tài)載體應(yīng)用。
　　依托2009年和2011年

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

4、術(shù)以及組合導(dǎo)航技術(shù)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(dòng)態(tài)載體的GNSS/INS超緊組合導(dǎo)航技術(shù)的研究內(nèi)容。
　　2.針對高動(dòng)態(tài)載體的特點(diǎn)，提出了動(dòng)基座傳遞對準(zhǔn)方案，建立了傳遞對準(zhǔn)誤差模型，設(shè)計(jì)了對準(zhǔn)濾波器，并對信息傳遞過程中的延時(shí)問題進(jìn)行了分析;基于系統(tǒng)的可觀測性分析進(jìn)一步對傳遞對準(zhǔn)濾波器進(jìn)行了簡化，設(shè)計(jì)了降維傳遞對準(zhǔn)濾波器，縮短了傳遞對準(zhǔn)時(shí)間;構(gòu)建了傳遞對準(zhǔn)仿真平臺，進(jìn)行了傳遞對準(zhǔn)仿真實(shí)驗(yàn)，評估和比較了簡化前后

5、傳遞對準(zhǔn)性能。
　　3.研究了IMU輔助GNSS信號捕獲的性能指標(biāo)及其帶來性能提升的機(jī)理;論述了IMU估計(jì)多普勒頻移的原理，比較IMU輔助前后頻率偏移估計(jì)精度，詳細(xì)推導(dǎo)了IMU精度與多普勒頻移估計(jì)精度的數(shù)學(xué)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)分析IMU精度對多普勒頻移估計(jì)的影響;搭建了導(dǎo)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(jìn)行了不同精度IMU輔助的GNSS信號捕獲實(shí)驗(yàn)，比較了不同精度IMU輔助捕獲的捕獲時(shí)間和捕獲能力。
　　4.分析

6、了矢量跟蹤超緊組合導(dǎo)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(jī)理，得到了IMU精度與超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)跟蹤環(huán)路誤差的數(shù)學(xué)關(guān)系;針對高動(dòng)態(tài)載體應(yīng)用場景，提出了適用的超緊組合導(dǎo)航方案并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的濾波器，以此為基礎(chǔ)開發(fā)了軟件超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)并搭建了超緊組合導(dǎo)航半物理實(shí)驗(yàn)平臺，在該平臺上進(jìn)行了高動(dòng)態(tài)載體超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)性能評估實(shí)驗(yàn)。
　　5.針對現(xiàn)有接收機(jī)自主完好性監(jiān)測和組合導(dǎo)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(dǎo)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(shù)進(jìn)一步引入超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)完好性監(jiān)測，提出了差分輔助的超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)誤差辨識方法。
　　本文4個(gè)主要的創(chuàng)新點(diǎn)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(dòng)基座傳遞對準(zhǔn)，用于簡化傳遞對準(zhǔn)濾波器，通過舍棄不可觀測性的狀態(tài)變量，設(shè)計(jì)了降維濾波器實(shí)現(xiàn)快速傳遞對準(zhǔn)，在保證對準(zhǔn)性能的前提下，

8、減小了計(jì)算負(fù)擔(dān)，提高了對準(zhǔn)效率，使系統(tǒng)更適合高動(dòng)態(tài)載體應(yīng)用。
　　2.詳細(xì)推導(dǎo)IMU精度與多普勒頻移估計(jì)精度間的數(shù)學(xué)關(guān)系，以此為基礎(chǔ)分析了IMU精度對高動(dòng)態(tài)載體的IMU輔助捕獲性能的影響，并通過實(shí)驗(yàn)比較了不同精度IMU輔助的GNSS信號捕獲的性能，證明推導(dǎo)和分析的正確性和合理性。
　　3.建立了普通接收機(jī)和超緊組合導(dǎo)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(jìn)行了仿真比較，揭示了超緊組合提高跟蹤性能