GNSS和INS导航系统中关键技术的算法研究

发布时间：2017-08-30 11:11

  本文关键词：GNSS和INS导航系统中关键技术的算法研究

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【摘要】：全球卫星导航系统(GNSS)是一种无线电导航系统。虽然整个全球卫星导航系统造价昂贵,但单个用户接收机造价便宜,能在广大民众中得到普及,且其导航精度不随时间而降低。但由于全球卫星导航系统是利用无线电媒介来实现导航,所以在无线电波不能传播的地方无法实现定位导航功能。在电磁环境复杂的情况下(如山区存在的多路径干扰、人为施加的电磁干扰),全球卫星导航系统的性能也将受到影响。惯性导航系统(INS)是一种不依赖外界的全封闭式导航系统,其具有不依赖外界条件、不怕干扰、系统稳定、短期导航精度高等优点,但具有累计误差和造价昂贵等缺点。鉴于惯性导航系统与全球卫星导航系统具有优势互补的特性,综合这两种导航系航的组合导航系统具有比它们任意单一系统更佳的导航性能。首先,本文以全球卫星定位系统(GPS)作为作为研究对象,对其全球卫星导航系统的工作原理进行系统的了解和研究。在前人研究的基础上,对卫星信号传输时间的计算方法进行了改进,与他人研究成果比较,精度有所提高,对高精度静态定位导航技术具有一定的指导意义。设计了一种可调阶数的滑动牛顿内插计算方法来对卫星位置的快速计算方法进行研究,通过对参数的调整,在保证卫星位置精度的情况下实现了对卫星位置的快速计算,为后续的卫星实时解算提供了实时数据。然后利用Matlab模拟了包含卫星钟差、电离层误差和对流层误差在内的GPS中频数字信号,并编程验证了各种卫星信号的捕获和跟踪算法。然后,本文以捷联式惯性导航系统为例,对惯性导航系统的工作原理进行分析和研究,在前人研究的基础上,本文设计一组飞机机动飞行过程来验证惯导系统算法的正确性,对惯性元器件进行建模并利用飞机飞行数据计算出惯导元器件的输出数据,利用模拟的惯导元器件输出数据进行惯导解算,其结果表明模拟的惯导系统与实物的惯导系统的功能是一致的。设计了一种速度差分的载体位置的数值计算算法,通过对Matlab仿真的结果分析,得出其具有比没有进行速度差分计算算法更快的收敛速度。通过对无差分高度载体位置计算算法与差分高度位置计算算法的结果进行对比分析,得出载体高度对载体位置影响较小,用前一时刻计算出的载体高度即可满足精度要求。最后,在对全球卫星导航系统和惯性导航系统深入了解的基础上,本文对组合导航算法进行初步的研究,分别对三种不同组合导航系统的状态方程和量测方程进行了初步分析和讨论。
【关键词】：GPS中频数字信号模拟 惯导解算 捕获 跟踪 Matlab
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN967.1
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-16
• 1.1 研究背景及意义11
• 1.2 国内外研究现状11-14
• 1.2.1 全球卫星导航系统(GNSS)研究现状12
• 1.2.2 惯性导航系统(INS)研究现状12-13
• 1.2.3 导航系统发展趋势13-14
• 1.3 本文主要研究内容14-16
• 第二章 GNSS中若干关键技术的算法研究与MATLAB仿真16-48
• 2.1 卫星中频数字信号的数学模型16-19
• 2.2 中频数字信号模拟器的实现19-31
• 2.2.1 空间坐标系统20-22
• 2.2.2 接收机轨迹仿真22-23
• 2.2.3 GPS卫星轨迹仿真23-25
• 2.2.4 可见卫星的计算25
• 2.2.5 卫星信号误差模型仿真25-27
• 2.2.6 卫星信号的传输时间27-29
• 2.2.7 导航电文仿真29
• 2.2.8 信号幅度计算29
• 2.2.9 滤波、加噪、采样和量化29-30
• 2.2.10 仿真结果输出30-31
• 2.3 捕获算法研究与仿真31-36
• 2.3.1 串行捕获算法32-33
• 2.3.2 并行频率捕获33-34
• 2.3.3 并行码相位捕获34-36
• 2.4 跟踪算法研究与仿真36-44
• 2.4.1 载波跟踪环路设计37-41
• 2.4.2 码相位跟踪环路设计41-44
• 2.5 导航解算44-47
• 2.5.1 伪距定位求解算法44-47
• 2.6 本章小结47-48
• 第三章 INS中若干关键技术的算法研究与MATLAB仿真48-66
• 3.1 惯性导航系统的基本工作原理48-49
• 3.2 捷联式惯导系统的数字仿真49-62
• 3.2.1 载体轨迹发生器的设计与仿真50-55
• 3.2.2 惯性元器件的数学模型分析与Matlab仿真55-59
• 3.2.3 捷联式惯导系统的导航解算算法研究与Matlab仿真59-62
• 3.3 载体位置的数值计算方法及讨论62-64
• 3.4 本章小结64-66
• 第四章 组合导航算法分析与研究66-79
• 4.1 卡尔曼滤波基本原理66-68
• 4.1.1 卡尔曼滤波模型66-67
• 4.1.2 卡尔曼滤波递推算法67-68
• 4.2 三种组合导航模式的分析与研究68-79
• 4.2.1 GPS/SINS松组合导航模式68-74
• 4.2.2 GPS/SINS紧组合导航模式74-77
• 4.2.3 GPS/SINS超紧组合导航模式77-79
• 第五章 主要结论79-80
• 致谢80-81
• 参考文献81-84
• 攻读硕士学位期间取得的成果84-85

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 陈Pr;王可东;;惯性导航与卫星导航紧耦合技术发展现状[J];全球定位系统;2007年03期

2 赵昀,张其善,寇艳红;基于Matlab的数字中频GPS信号生成模型[J];信号处理;2005年03期

中国博士学位论文全文数据库 前1条

1 陈坡;GNSS/INS深组合导航理论与方法研究[D];解放军信息工程大学;2013年

中国硕士学位论文全文数据库 前9条

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2 谢木生;卡尔曼滤波在INS/GPS组合导航中的应用研究[D];中南大学;2013年

3 苗岳旺;SINS/GPS组合导航数据处理方法研究[D];解放军信息工程大学;2013年

4 邓利坚;GPS/INS组合导航算法研究[D];电子科技大学;2013年

5 刘帅;GPS/INS组合导航算法研究与实现[D];解放军信息工程大学;2012年

6 胡世明;GPS/INS组合导航数据融合算法研究[D];电子科技大学;2012年

7 李倩;GPS/INS组合导航系统研究及实现[D];上海交通大学;2010年

8 梁前浩;GPS中频信号仿真与微弱信号捕获、跟踪方法研究[D];北京交通大学;2008年

9 吴俊;GPS接收机算法研究[D];南京理工大学;2008年

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本文编号：758942