惯性辅助的GNSS捕获技术研究

发布时间：2020-02-19 07:36

【摘要】：基于惯性信息辅助的GNSS捕获环路能够有效的提高GNSS接收机性能,既能够克服环境因素对GNSS的影响,保证GNSS捕获环路能够在高动态、强干扰环境下进行稳定信号捕获。惯性辅助GNSS捕获环路时SINS/GNSS深组合导航的重要组成部分,能够为深组合系统的稳定、实时、连续、高精度导航提供有效保证。本文基于惯性导航技术,对惯性信息辅助的GNSS捕获环路进行了理论研究与实验验证。通过对惯性传感器信息的捷联惯性解算获得载体位置、速度、姿态等导航信息。通过惯性导航结果和卫星星历估计GNSS信号多普勒频移,并针对多普勒频移的估计误差进行基于时间序列的HMDAR建模估计;对GNSS接收机捕获的基本性能参数做深入分析与仿真,研究影响捕获性能的关键因素,根据惯性导航能够提供的辅助信息,设计引入惯性辅助GNSS捕获的方法,并对引入惯性辅助后的捕获性能做理论分析,应用实际实验数据对捕获性能进行实际验证。分析了单独GNSS和SINS系统的基本工作原理,对GNSS卫星射频信号进行分析,捕获、跟踪基本理论研究与仿真;对基于四元数算法的捷联惯性解算进行了数学推导,与理论仿真,并在此基础上根据实际应用需求设计了基于FPGA和DSP的组合系统数据处理验证平台。分析GNSS系统中多普勒频移的产生原因,并通过理论分析其取值范围,分析多普勒频移对GNSS信号捕获、跟踪的影响。建立多普勒频移误差模型,并应用非线性时间序列建模方法HMDAR对多普勒频移误差进行误差建模与补偿。针对传统的相干积分捕获算法进行性能分析和理论仿真,对影响捕获性能的参数进行逐个分析。根据分析结果设计引入惯性导航提供的速度、位置、姿态辅助GNSS信号捕获的方法,并分别对引入辅助后接收机冷启动和热启动的捕获性能进行仿真分析。利用自主设计系统数据处理平台配合实验室现有的硅微航姿系统搭建实验平台,同时配合以商用接收机结果作为对照。在实际运动环境采集GNSS中频数据和SINS原始信息,实验结果显示,引入惯性信息估计的多普勒频移后,信号捕获性能显著提高,能 .够将捕获时间降低30%以上。本文针对基于SINS估计GNSS信号多普勒信息,对信号捕获过程进行辅助,通过理论仿真以及实际实验,验证了引入辅助信息对信号捕获性能的提高,对今后在实际接收机中引入惯性辅助信息提供了理论以及实践基础。
【图文】：

结构图,四元数,解算,结构图

与传统的ＰＩＮＳ相比，ＳＩＮＳ没有体积庞大、设计制作复杂的实体物理平台，直接逡逑将惯性敏感器件（陀螺仪和加速度计）固联到载体上，应用计算机平台代替实体物理平台，逡逑基于四元数法的ＳｒＮＳ系统解算过程如图２．１所示。ＳＩＮＳ系统首先要经过初始对准进入逡逑稳定工作状态，之后，通过陀螺仪和加速度计敏感到的载体角速度信息和加速度信息，逡逑姿态转移矩阵的更新通过惯性传感器实时输出的角速度信息解算获得，利用姿态矩阵将逡逑加速度信息旋转到导航坐标系，实现惯性导航的位置、速度解算。逡逑捷联惯导的系统结构逡逑惯性测量单元（ＩＭＵ）邋＾逦姿态矩阵更新逦＾邋ｆ邋位置、速度解算邋＾逡逑姿态初始化逡逑逦＞邋ｆ逦逡逑陀螺信息逦？四元数方程，并佭化逡逑逦＾＾１邋位置逡逑｜逦速度逡逑加速度信息逦＾比力转换邋逦逦＿邋导航解算逦＞逡逑逦逦逦逦１逦姿态逡逑求解姿态角逦＞逡逑Ｖ逦Ｊ邋＼逦Ｊ邋Ｖ逦Ｊ逡逑＼逦逦逦Ｊ逡逑图２．１基于四元数的ＳＩＮＳ解算结构图逡逑８逡逑

基本结构,接收机,天线,射频前端

Ｊ逡逑图２．２邋ＧＮＳＳ接收机基本结构逡逑如图２．２所示，ＧＮＳＳ接收机的基本结构主要可以分为四个部分，即由ＧＮＳＳ天线，逡逑射频前端，基带处理以及定位解算组成。ＧＮＳＳ天线的功能是接收微弱的ＧＮＳＳ卫星高逡逑频信号，高频信号通过天线以模拟电流的形式输入到射频前端中。逡逑天线通常由固定的硬件实现，需要根据不同的ＧＮＳＳ系统进行选择，通常独立存在，逡逑固定安装于载体的顶端；射频前端包括放大、滤波、下变频和模数转换四个功能模块，逡逑通常以硬件形式实现，有些射频前端输出的中频信号包括模拟信号和数字信号两种，，可逡逑以根据实际应用需求新型选择，本文中主要对带有模数转换射频前端进行研究。射频前逡逑端将数字化之后的中频数据传输到基带处理部分；在软件ＧＮＳＳ接收机的基带处理部分逡逑通常应用数字信号处理芯片实现。接收信号的捕获、跟踪、帧同步和位同步属于基带处逡逑理过程，得到在定位解算中应用的伪距、伪距率、星历、导航电文等信息；定位解算部逡逑分应用基带处理结果实现接收机的位置、速度解算。逡逑由于传统的接收机都以硬件的形式实现
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TN96

【参考文献】