矢量频率跟踪辅助锁相环的设计与实现

由于传统卫星导航矢量跟踪环路使用矢量频率跟踪环路,无法实现对载波相位的跟踪,难以实现载波平滑码伪距,其定位和测速精度较低。针对上述问题,提出了一种新型面向高精度的矢量跟踪算法,采用矢量频率锁定环辅助锁相环代替传统的频率锁定环路辅助锁相环,通过矢量频率跟踪环路实现更精确的频率跟踪,再进行载波相位跟踪和码相位平滑,从而提高接收机的载波相位跟踪和定位性能。给出了上述结构的理论性能分析结果,并通过模拟信号和软件接收机进行了静态和动态两种场景的实验验证。结果证明,矢量频率跟踪辅助锁相环能够充分利用多个信号跟踪通道的矢量关系,在10个卫星同时跟踪的条件下,将载波相位原始观测量精度提高16%,速度精度提高40%左右。     

多星座GNSS/INS紧耦合方法

针对可用卫星数目不足、多星座GNSS接收机不能定位条件下,传统GNSS/INS松耦合方式退化为"纯惯性"模式,无法抑制惯导误差发散的问题,提出了一种基于多星座GNSS接收机原始伪距观测量的GNSS/INS紧耦合方法。利用惯导与多星座GNSS接收机搭建硬件平台,开展了车载试验。试验结果表明,当可用卫星数目满足定位条件时,多星座GNSS/INS紧耦合方法与松耦合方法的导航精度相当;当可用卫星数目不足、多星座GNSS接收机不能定位时,多星座GNSS/INS紧耦合方法仍可利用剩余卫星提供的观测信息继续运行,当卫星数减少为5颗时,纬度和经度精度均优于30 m;当卫星数进一步减少为4颗时,纬度精度优于90 m,经度精度优于50 m。     

动态用户惯性速度辅助的GPS接收机码环稳定性研究

ＧＰＳ接收机码环跟踪回路的误差模型一般可用一阶马尔可夫过程来近似，且当接收机载波环路失锁时，码环的速率辅助信息来自惯性导航系统的惯性速度。鉴于此，本文对ＧＰＳ／ＳＩＮＳ组合系统误差状态方程中考虑或忽视码环跟踪误差的两种情况，用卡尔曼滤波器对系统性能进行研究，并探讨了飞机机动飞行时伪距测量误差与惯性速度误差之间的相关性对接收机码环跟踪性能的影响。结果表明，飞机机动及ＧＰＳ最佳导航星在飞机运动过程中的变化对ＧＰＳ接收机码环的工作稳定性都有一定的影响。     

北斗/INS深耦合接收机基带滤波器设计

随着北斗导航系统的组网,北斗/INS深耦合接收机的研制具有重要价值。传统的接收机基带滤波环路通常为相互独立的载波环路滤波器与码环路滤波器,码环路无法充分利用载波环路的信息,因此码环的动态性能受到限制。设计了载波/码组合滤波器,将载波环与码环的测量信息在一个滤波器内进行耦合,实时估计码相位、载波相位、多普勒频移与其变化率。通过北斗B3频点实际静态数据和GNSS模拟器采集的卫星-用户视线方向40g高动态数据进行离线跟踪测试,载波/码组合滤波环路可跟踪40g高动态信号,且静态数据的跟踪精度相比传统滤波环路提高27%。上述算法成功应用于基于Xilinx平台的卫星信号处理设备在线跟踪。提出的组合滤波器结构简单,测试有效,为北斗/INS深耦合接收机的工程实现提供参考。     

INS辅助的GNSS欺骗干扰辨识与抑制方法

GNSS欺骗干扰已经成为导航装备应用中面临的重要威胁之一。现有的基于INS/GNSS组合的抗欺骗算法大多只进行欺骗检测,不能恢复正确的定位结果。针对该问题,将多径抑制算法中的Multi-correlator结构用于真实信号和欺骗信号的参数估计,利用INS短期精度高的特性,实现欺骗信号的辨识。然后将辨识结果反馈跟踪环路抵消欺骗信号,保证接收机跟踪环路始终锁定真实卫星信号。最后,在INS/GNSS组合导航解算过程中引入抗差卡尔曼滤波算法,减小参数估计和辨识结果中粗差对定位结果的影响。利用公开数据集进行试验测试,欺骗干扰条件下定位误差由600?m降为10.0?m,而且在GNSS信号中断90?s重新恢复后,所提算法依旧能够实现欺骗信号的辨识和抑制。试验结果表明所提算法能够保证接收机在欺骗条件下锁定真实卫星信号,连续输出高精度的导航和授时信息。     

高动态GNSS接收机载波跟踪环自适应最优带宽设计与试验

对于大多数高动态接收机,通常采用2阶FLL辅助的3阶PLL环路结构,由于存在FLL环路,导致跟踪精度的下降。针对卫星接收机的动态性能和信号载波功率噪声密度比,在综合考虑接收机跟踪环路中的各种误差源(热噪声、晶振误差、动态牵引误差等)的基础上,采用自适应最优带宽技术,设计一种适用于高动态的3阶PLL载波跟踪环。采用基于GPS数字中频信号的数字仿真和GNSS信号源对所设计的自适应最优带宽进行了验证,验证结果表明:在加速度为30g、过程中存在加加速度为30g/s的高动态情况下,采用18 Hz 3阶PLL不能对信号进行跟踪,而采用所设计的自适应最优带宽的3阶PLL环可以对信号进行可靠的跟踪;同时,和固定带宽接收机比较,所设计载波跟踪环环路能够跟踪50g的高动态Compass卫星信号,而采用固定带宽接收机失锁,并且定位精度优于1 m(2σ),测速精度优于0.2 m/s(2σ)。     

几种GNSS接收机跟踪环路配置的对比分析

在分析传统跟踪环路、载波平滑伪距技术、卡尔曼跟踪环路基础上,比较研究了基带信号处理滤波算法,从GNSS终端系统层次设计了四种基带处理的配置方案,通过理论分析及跑车实验进行了不同配置方案的对比。结果表明,相较于其他跟踪环路滤波算法,卡尔曼跟踪环路充分利用了各个参数的内在物理关系,由系统误差和观测误差可得到全局优化的参数跟踪估测,经定位、定速精度对比分析,卡尔曼跟踪环路等效码相位跟踪精度较传统方案提高近70%,多普勒频率精度提高近80%,为后续的导航解算、高精度载波相位差分算法等提供了稳定可靠的信息源。     

基于矢量跟踪的SINS/GPS深组合导航方法

为了满足高动态用户及强噪声干扰条件下的应用需求,提出了一种基于矢量跟踪的SINS/GPS深组合导航方案。深组合方案利用组合卡尔曼滤波器反馈回路取代了传统接收机中独立、并行的跟踪环路,能够同时完成所有可视卫星信号跟踪和组合导航信息处理的任务;利用相关器残差来更新导航参数状态,同时根据已有的导航参数和星历信息推测GPS伪码相位和多普勒频移等信号跟踪参数,用以控制接收机的本地伪码、载波数控振荡器（NCO）,使本地伪码相位和载波频率与输入信号保持一致。最后,通过仿真验证表明,基于矢量跟踪的深组合方法不仅在GPS信号发生短暂中断期间,能够保证组合系统的导航精度和可靠性,而且在载噪比较低的环境中能够维持较好的伪码相位和载波频率跟踪性能。     

MEDLL辅助的GNSS/INS系统欺骗信号辨识方法

受欺骗的卫星导航信息与惯导系统组合滤波,会导致错误的惯性器件误差修正量,最终组合导航系统也会被欺骗干扰影响。针对这一问题,提出了一种基于MEDLL算法的改进的GNSS/INS组合导航模式,能够实现欺骗信号的辨识和抑制,保证组合导航信息的可靠性。GNSS接收机通过MEDLL算法同时估计接收的全部卫星信号参数,当欺骗干扰存在时,MEDLL算法可同时估计出两路信号参数,并判定欺骗干扰存在;MEDLL估计的信号参数生成两组输出伪距信息与惯导系统定位信息提供的参考伪距进行比较,实现欺骗信号的辨识。在200次实验测试中,对于牵引速率大于2 m/s的牵引式欺骗信号,4 s内成功辨识的次数为200次。同时,与传统的GNSS/INS组合导航系统相比,提出的MEDLL辅助的组合导航模式能够有效减小欺骗信号的影响,定位结果稳定在真实位置附近。     

基于足部微惯性/地磁测量组件的个人导航方法

为降低个人导航定位对卫星导航系统(GNSS)的依赖性,研究了一种基于足部安装微惯性/地磁测量组件的个人导航定位方法.该方法通过微惯性测量组件信息进行捷联惯导解算获得人体足部的姿态、速度与位置信息,利用磁传感器确定运动的航向信息,并采用基于步态相位检测的零速修正方法,实时修正MEMS惯性导航系统的导航信息误差以及惯性传感器的随机误差,从而减缓惯性导航系统的定位误差随时间的积累.导航定位实验结果表明,直线与矩形行进路线的导航定位误差在行进约9 min时分别保持在2 m与6 m左右,分别占行进距离的1.1％与2.5％.该实验结果证明所提出的方法可有效提高个人导航系统的定位精度,在GNSS信号衰减或失效的环境中可实现较长时间的个人导航定位.     

北斗二代导航信号抗多径性能分析与仿真

针对北斗二代导航信号抗多径性能的分析需求,推导了基于相干超前减滞后延迟锁定环的码跟踪多径误差评估方法,运用该方法分析了北斗二代导航信号的抗多径性能,仿真表明在多径直达信号幅度比为-6 dB,相关间距为24 ns,信号带宽为24 MHz时,北斗二代导航信号都能区分大于300 m的多径延迟。以MBOC信号为例对不同的多径直达信号幅度比、相关器间距、信号接收带宽、信号组成时导航信号的多径性能进行了仿真。结果表明:在多径直达信号幅度比一定时,提升信号的高频分量,在接收端采用窄相关技术和宽的接收带宽可将北斗二代导航信号的多径误差限制在4 m以内,且衰减速度更快,从而改善信号的抗多径性能。     

惯导速度辅助接收机跟踪环路算法

针对接收机在强干扰高动态环境难以定位导航的问题,提出基于惯导速度辅助卫星跟踪环路算法,通过惯导速度估算环路多普勒频移,压缩了环路需承载的动态范围,从而减少了环路等效噪声带宽,进而降低了跟踪环路带内干扰,提高了卫星接收机抗干扰能力。对提出算法的普适性、动态性、抗干扰性以及惯导估算误差影响等方面进行了仿真评估,仿真结果验证了算法的正确性,同时证明提出算法相比传统算法,载体运动加速度由91g提升至193g,同时抗干扰能力提升5~8 d B,可以容忍较大惯导辅助信息误差,为算法工程化奠定了基础。     

IMU辅助的室内单星定位方法

惯性导航系统(INS)是以惯性器件测量位置参数的定位系统,但随着时间的累积,系统的定位精度逐步变差,产生累积误差现象。基于无线传感器网络(WSN)的定位技术通常需要3个锚节点进行定位,但在室内复杂环境中,系统会处于锚节点欠定状态,此时需要辅助定位方法解决室内欠星定位问题。针对上述定位系统的不足,提出了一种基于IMU辅助和场景分析的多信息融合室内单星定位方法,该方法可通过场景分析的约束条件逐步消除IMU在室内环境下的累积误差效应,并通过单星定位技术进一步优化定位目标的位置信息。经过地下车库实验验证,本方法平均定位精度是0.75 m,定位误差有97.5%的概率在2 m以内,能满足室内亚米级高精度导航定位的要求。     

基于惯导及声学浮标辅助的水下航行器导航定位系统

针对纯惯导系统误差发散和无线电信号在水下衰减快从而无法精确定位的问题,设计了一种基于声学浮标辅助惯导的水下定位系统,该系统由惯导系统和声学定位系统组成,其中声学定位系统由若干个浮标构成水听器阵,浮标的经纬度坐标由GPS提供,浮标完成对接收到的声源信号的处理,利用互相关测时延差的方法来进行定位。由于水下噪声、混响等因素会造成接收到的多路声信号出现模糊互相关峰,因此对接收信号应进行频域加权处理。最后利用声学系统的定位信息来校正惯导的误差。仿真结果表明:与基本互相关方法相比,加权处理能有效提高时延差的精度,所提出的惯导和声学浮标辅助设备导航系统能够使定位误差小于2 m,保证了水下航行器能够长时间在水下航行。     

速率方位惯性平台/GPS/计程仪组合导航系统仿真研究

根据科学发展和高精度导航的要求，提出了一个由GPS接收机、速率方位惯性平台和重力敏感器构成的精确重力测量组合导航系统，给出了该组合系统在速率方位地平坐标系下的误差方程和Kalman滤波方法以及计算机仿真结果。数字仿真表明：由中等精度的陀螺仪和加速度计以及GPS组成的组合导航系统平台水平误差角小，定位精度高，能够满足重力测量和导航要求。     

旋转状态下的GPS信号跟踪性能

对于旋转载体采用圆柱共形微带天线更易实现对GPS信号稳定和连续的接收,然而接收得到的信号含有载体旋转引入的调制效应,对接收机跟踪环路提出了较高的要求。在考虑圆柱共形微带天线相位中心偏移的基础上,分析了载体旋转对GPS载波相位和频率的影响,研究了旋转状态下接收机跟踪环路的性能。仿真结果表明：为了减少旋转引入的动态应力误差,保持对GPS载波相位的稳定跟踪,必须相应的增大接收机跟踪环路的带宽,且旋转状态下二阶环路的跟踪性能要好于三阶环路。     

一种新的磁传感器辅助弹载接收机跟踪环路的方法

针对弹载接收机高速旋转的特性,提出一种利用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。首先,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与弹体姿态的表达式;其次,研究了接收机载波跟踪环路的跟踪门限与弹体动态应力的关系;然后,给出弹体坐标系中,磁传感器测量弹体姿态的算法——极值比值法和积分比值法。仿真试验结果表明,磁传感器弹体姿态估计的方法能够有效降低弹载接收机跟踪环路的跟踪门限,其载噪比降低了3 dB·Hz,环路带宽减小了100 Hz以上,提高了弹载接收机GNSS信号跟踪能力。     

室内环境下基于图优化的视觉惯性SLAM方法

基于图优化的即时定位与同步构图(SLAM)方法是在视觉里程计运动估计的基础上通过增加一个回环检测,从而对非线性多约束进行优化来提高定位精度。在视觉运动估计中,针对视觉特征点匹配错误率高的问题,提出了一种ORB特征点聚类抽样匹配跟踪的方法。在位姿图优化上,提出了一种改进型的回环检测方法,减少了两种错误匹配的可能性。最后将视觉SLAM与惯性导航进行组合,提高了系统的稳定性和定位精度。使用公开的室内SLAM测试数据集进行仿真,结果表明,该方法的定位均方根误差在厘米级,生成的点云地图清晰可见。     

载波相位差分相对定位在航天器对接中的应用

将GPS载波相位差分技术应用于航天器自主对接,提出了一种在单频接收机条件下的整周模糊度快速求解方法,首先采用载波相位平滑伪距差分技术进行相对定位,估计模糊度的浮点值,而后通过LAMBDA搜索法求解得到整周模糊度,最后通过最小二乘方法实现相对定位。该方法求解过程简单,并可在基线较长情况下解算模糊度。仿真结果表明,当两航天器相距小于100km时,通常20s即可求解模糊度,最长不超过45s。模糊度确定后,采用整周约束解进行相对定位,相对定位的均方差为0.006m,能很好地满足航天器对接的精度需求。     

基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法

针对温度变化引起的惯导系统中石英挠性加速度计测量误差,提出了一种基于比力差分测量的加速度计温度误差补偿方法。首先,建立包含温变速率影响的温度误差模型,利用标定惯导系统加速度计参数时的温度作为标定参数温度基准。其次,借助不带转台的温箱对惯导系统进行全温测试,通过同一方位前后时间段加速度计输出的差分消除未知的比力真值,只保留由于温度改变引起的标度因数与零偏变化,通过多位置观测对这两项参数进行最小二乘拟合估计,获得对应温度系数。该方法不需要温箱具备高精度定位基准,能够实现全温范围与快速变温工作条件下温度误差的精确建模。试验结果表明,应用该补偿方法可使加速度计测量精度在全温范围内保持在10μg量级。