磁传感器辅助的弹载GNSS接收机关键技术研究

发布时间：2020-10-27 03:35

　　 为适应高技术局部战争的需要,GNSS制导的精确制导炮弹已成为各国竞相发展的重要装备之一。增强弹载环境下的GNSS信号的捕获能力和提高信号捕获精度是GNSS制导的重要目标。针对弹体飞行时间短、弹体高速旋转产生的多普勒频移和相位偏移现象,围绕提高弹载接收机捕获精度,加强跟踪性能,本文采用磁传感器测量弹体姿态的方法,结合弹道学特征,辅助弹载GNSS接收机捕获跟踪信号,并研究提高信号捕获精度的方法。研究现代GNSS采用的BOC调制方式的特点,根据BOC信号的自相关函数产生捕获模糊度的现象,分别采用自相关旁瓣消除算法、Filtered算法和无模糊度算法降低相关函数副峰与主峰的对比度,从而降低捕获的模糊度。算法为提高捕获精度算法的研究和弹体高速旋转对接收机接收信号影响的研究提供基础理论依据。研究了在中频信号采样阶段和捕获阶段提高信噪比和捕获精度的方法。中频信号采用双通道正交采样,同时使用IQ两个支路的信号作为数据源处理,使得信号相关峰显著增大,推导了双通道解扩的FPGA实现算法。粗捕获获得的卫星信号有较大的误差,针对BOC信号的多峰结构,提出在采用ASPeCT算法消除BOC信号相关函数的旁瓣影响后,采用最小二乘法和三次样条插值法对相关峰的码相位进行精确估计。通过仿真试验,验证两种码相位估计算法的性能。针对弹载接收机飞行时间短,弹体高速旋转的特性,研究通过磁传感器测量弹体姿态,补偿旋转引起的载波多普勒频移和相位偏移的方法,增强信号捕获和跟踪性能。根据弹丸弹道学特征,推导弹体高速旋转引起的载波频移和相位偏移的表达式。建立地磁矢量在弹体坐标系中的测量模型,推导磁传感器输出值与弹体姿态的关系表达式。针对极值比值法计算弹体俯仰角在随机噪声的干扰下误差较大的问题,提出积分比值法计算俯仰角,根据弹体匀速旋转一圈的磁场数据特征,建立积分比值法的积分模型,并推导了算法的俯仰角计算表达式,给出了积分比值法的计算步骤,通过仿真试验,验证了积分比值法在随机干扰条件下的有效性和合理性。为进一步提高弹体姿态解算精度,采用EKF算法和CKF算法估计弹体姿态。将两个非正交磁传感器的测量值作为观测量设计非线性Kalman滤波器;给出了 EKF算法和CKF算法的算法步骤;针对初值误差过大时易引起非线性Kalman滤波器发散的问题,利用积分比值法获得弹体姿态的初值作为Kalman滤波器状态向量的初值进行解算。研究了弹体在环境磁场变化的情况下,磁传感器的动态实时补偿算法。建立地磁场补偿的椭球面测量模型,采用牛顿迭代法对测量模型的二次函数线性化,推导了关于补偿参数的测量矩阵,并采用最小二乘法和总体最小二乘法对补偿参数进行估计,进行静态仿真试验和动态仿真试验验证算法性能,静态仿真试验验证了补偿算法的有效性和补偿精度,动态仿真试验验证在弹体的环境磁场发生变化的情况下,补偿参数实时更新的动态补偿算法的有效性。理论推导和仿真试验表明,通过磁传感器测量弹体姿态可以有效补偿弹体旋转引起的多普勒频移和相位偏移;本文提出的积分比值法计算弹体俯仰角在随机干扰的条件下误差仅为极值比值法的1/10,提高了磁传感器在实际环境中弹体姿态的测量精度;利用积分比值法获得载体姿态的初值作为Kalman滤波器状态向量的初值,再通过EKF算法和CKF算法估计弹体姿态可进一步提高弹体姿态测量精度;通过建立地磁场椭球面测量模型的方法,采用总体最小二乘法估计补偿参数,使得弹体可以在高速旋转时实时补偿环境磁场变化,提高了弹载接收机的环境适应性。
【学位单位】：南京理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2017
【中图分类】：TJ413.6
【部分图文】：

美国海军最早将弹载ＧＰＳ接收机用于“三叉戟”号１２ｍＣＥＰ，测速精度０．０１３ｍ／ｓ。美国雷神导弹系统公司的“神剑”?１５５＿制导炮弹，代号ＸＭ９８２，是美军实目，“神剑”采用ＧＰＳ／ＩＮＳ复合制导技术，具有全天地形条件下打击高价值目标。发射前，在发射平台上ＧＰＳ信息输入弹载计算机，弹丸飞出炮口后，脱掉弹道最高点之前按弹道飞行方式飞行，飞到最高点时炮弹飞行轨迹，直至命中目标。“神剑”？射程可达５０ｋ，包括带整体战斗部的Ｂｌｏｃｋｌ、带末敏弹药的Ｂｌｏｃｋ２ｌｏｃｋ３。“神剑”能够在多种平台上发射，如Ｍ１０９Ａ６２３］［２４］［２５］［２６］。阿富汗战场采用的“神剑”?Ｍ９８２?Ｂｌｏｃｋ?ｌａ境中使用，获得ＧＰＳ信号辅助后的圆概率误差从现１０ｍ，单价８万美元，远低于１枚具有同等打击效

fiBPSK(1)的功率谱密度

?博士学位论文??图２．９显示了?３种常见调制方式的自相关函数（ＡＣＦ），ＢＰＳＫ和ＢＯＣ调制方式的??自相关函数都是由多条线段连接而成的折线，并形成一个或多个正负峰值和过零点。图??２．９的自相关函数特征有：??１）
【参考文献】

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本文编号：2857974