多模GNSS导航定位信息处理系统研究与实现

发布时间：2019-09-24 03:31

【摘要】：随着导航技术的发展,尤其是各国全球卫星导航系统的快速部署和完善,多个导航系统间的组合定位逐渐成为热点和趋势。同时军民用各领域对高性能导航的需求也越来越多,单一导航系统通常很难满足其导航定位需求。本文从GNSS多模组合定位、GNSS/INS组合导航两个方面,对多导航系统间的组合定位信息处理进行了研究和探讨。本文主要研究工作如下:1.研究了GNSS及INS数据预处理过程与方法。分析了各GNSS系统间差异并做时间系统和空间坐标的统一。从导航信号功率谱、载噪比两方面对GNSS数据质量做了理论分析和数据测试,为后续实现GNSS多模组合定位提供一些先验信息。分析了INS解算原理,并对滤波融合定位时信息速率不一致问题提出解决方法,为后续定位处理做好准备。2.研究了GNSS多模联合定位技术及方法。分析了GNSS各系统信号处理过程,卫星、用户位置速度计算。研究了卫星定位信息优选问题,简化了GDOP计算,分析推导了GDOP递推关系,提出一种考虑卫星接收信号质量、观测误差及仰角的多模选星方法,并做了仿真验证。分析GNSS多模联合解算原理,建立了多模组合的卡尔曼滤波模型,在实际解算时对各历元时刻的观测量做串行处理,并检测观量的有效性。基于IGS的观测数据及实测数据,做了相应的实验验证。3.GNSS与INS系统的组合技术与方法。基于小误差角假设推导整理了INS误差模型,分别建立了空间杆臂误差模型和时间不同步误差模型,并作为组合导航系统状态进行滤波估计。分析了GNSS/INS松组合信息处理过程,建立了以位置/速度偏差作为观测量的组合模型,基于卡尔曼滤波实现了GNSS/INS松组合。分析了GNSS/INS紧组合信息处理方法,建立状态方程及量测方程得到基于伪距和伪距率融合的紧组合模型,采用无迹卡尔曼滤波实现了紧组合。分析松组合紧组合各自的优势和不足,针对在城市狭谷等环境中出现缺星情况时松组合系统性能恶化的不足,提出了易于实现的改进组合方法,用惯导的位置参与GNSS的解算,并做了详细的推导分析和仿真验证,结果表明改进组合的性能与紧组合相当。4.在前文GNSS多模组合定位、INS/GNSS组合定位研究的基础上设计了半物理实现平台,对相关理论方法做了验证实现。利用GNSS中频信号采集设备采集了GPS/BDS多模信号,设计了多模组合定位数据处理软件对实采数据进行捕获跟踪、组合解算处理,信号跟踪稳定,定位精度可达4.5m(95%CEP)。其次利用惯性测量单元ADIS16405与GNSS采集设备采集卫星和惯导数据,在此基础上实现了GNSS与INS的松紧组合导航,实验表明在普通车载环境下二都性能相当。针对城市狭谷等可能出现的缺星情况将前面提出的改进组合与紧组合做对比实验,验证了改进组合在缺星情况下与紧组合性能相当。
【图文】：

正后的 INS 定位信息在作为组合导航定位结果输出的同时，反馈到跟踪通道，结合通道跟踪中对应卫星的位置/速度信息，共同计算该通道内 NCO 的控制量，进而调整跟踪通道本地信号的载波和码 NCO，完成卫星信号的跟踪。 在接收机跟踪环中 I、Q 基带信号更新频率为 1kHz，跟踪环路的闭合要求载波 NCO 的更新频率与基带 I、Q 信号更新率一致，而 INS 的输出定位信息的速率在 100Hz，基于惯导的频率辅助信息速率也为 100Hz。因此，GNSS/INS 紧组合导航系统中导航数据信息同步问题在于如何用更新速率为 100Hz 的 INS 频率信息去辅助更新率为 1kHz本地信号生成。由以上分析可知，在 GNSS/INS 紧组合系统中，导航滤波器输出速率较低，经滤波外推后对 INS 进行校正，这与松组合情况相同，紧组合系统还需将更新速率为 100Hz 的 INS 输出信息提升至 1000Hz，使之与基带 I、Q 信号的更新率保持 一 致 ， 这 需 要 对 INS 输 出 信 息 进 行 插 值 。 级 联 梳 妆 滤 波 器（cascaded-integration-comb,CIC）同时具有数据插值与低通滤波功能，不但能够提高 INS 辅助信息的更新频率，而且能够滤除高频信号的干扰成份，有利于抑制环路震荡，因此本文采用 CIC 滤波完成 GNSS/INS 紧组合系统中的数据信息同步。

NSS 选星问题信息优选主要是从众多的可见星中依据一定的要求和准则，选信息用于定位导航，也即从可见星全集中选择出一个子集。选素是几何精度因子(Geometric Dilution of Precision,GDOP)，它是要参数。GDOP 表征着可见卫星的空间几何分布，实际上它是伪距观测误差的放大倍数，若伪距观测误差不变，则接收机定定，其关系如下2 2GGDOP 分别为用户定位误差标准差、伪距量测误差标准差。如图 3-4精度相同时，左图的卫星几何分布均匀，其定位精度将高于右图见星在空间的位置分布有关[52]，只需通过几何观测矩阵 G 来求1( )TGDOP trace G G
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：P228.4

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本文编号：2540636