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CDGPS/SINS紧组合导航系统关键技术研究
| 论文题名： | CDGPS/SINS紧组合导航系统关键技术研究 |
| 关键词： | 全球定位系统;捷联惯性导航;紧组合导航;载波相位差分;误差源;滤波方法 |
| 摘要： | 全球定位系统（Global Positioning System，GPS）和捷联惯性导航系统（Strapdown Inertial Navigation System，SINS）相互组合，可以有效地改善各子系统的缺点，提升组合导航系统的性能指标，是一种精度高、实时性好的导航方式。相对于伪距观测量，GPS载波相位观测量展现了更高的精度，将其与SINS通过数据融合有机地组合到一起，势必会提升组合系统的导航精度。通过差分技术可以有效地消除导航解算过程中不必要的干扰项，将差分后的GPS载波相位观测量(Carrier Phase Differential,CDGPS)与 SINS组合也是GPS、SINS紧组合研究的一个热点。GPS载波相位历元差分是一种高精度的观测量，通过相邻历元间差分，消除各种误差项后与SINS组合，使GPS载波信号更易于为导航服务，增加了系统的可靠程度。面向GPS载波相位历元差分和捷联惯导系统，围绕着由二者组成的紧组合系统，本文对其中几项关键的技术进行了研究： 相对于常规的载波相位差分(利用卫星和接收机之间的位置关系进行差分)，GPS载波相位历元差分无需建立基站，可以作为GPS接收机直接输出的观测信息与其他导航方式相互组合。本文详细地分析了各种载波相位差分方式进行解算的模型，给出载波相位历元差分的观测模型，在无整周模糊度的前提下，利用这样一个高精度的原始观测信息与SINS进行组合并建立了其与载体速度的求解关系。 周跳是载波相位测量中常见的误差源，为了确保载波相位观测量的准确性，要对周跳进行处理。针对本文的研究对象—GPS载波相位历元差分，分析了相应的周跳解决方案。面向独立的单频接收机，本文提出了一种利用接收机自主完好性监测(RAIM，Receiver Autonomous Integrity Monitoring)的方法进行周跳探测，利用载波历元差分构造统计检测量，设计了最小二乘残差法，并利用多项式拟合的方式对周跳进行了修复，通过实验验证了算法。另一方面，针对载波相位历元差分，可以综合建立关于周跳和其他噪声的残差，对周跳直接进行检测，计算出周跳的大小。 分析了载波相位历元差分误差，推导了其定位方程，研究了采用不同运动方式下的定位结果，对比常规的总体方案和累计方案，设计了一种环形累计方案，有效地减小了利用历元差分定位过程中的位置偏移，提高了定位精度。 滤波技术是实现GPS/SINS组合的必要手段，滤波方法精度的提高将降低系统硬件成本，提升系统的性能。阐述了CKF的基本原理，利用泰勒级数，在数学意义上分析了CKF的均值和方差，并与 EKF进行比较。针对CKF无法处理非高斯和负定的协方差矩阵的问题，本文设计了相应的改进方案，并将改进的滤波方法引入到双环框架滤波结构，完成了载波相位历元差分与捷联惯导系统的组合。 针对复杂环境下接收机时常失锁给导航系统带来不良的影响，研究了辅助捕获的技术，分析了影响捕获性能的因素和捕获过程中关键的指标。分析精确测定多普勒频移对于捕获的重要意义，引入捷联惯导的相关信息协助接收机对卫星信号进行捕获，在理论上分析了算法的优越性。与此同时，提出利用历元差分辅助接收机进行捕获，完成了相应的实验和分析。 |
| 作者： | 苑振国 |
| 专业： | 导航、制导与控制 |
| 导师： | 赵琳 |
| 授予学位： | 博士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工程大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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