双天线GPS/INS组合导航系统研究

论文摘要

组合导航技术是提高导航系统整体性能的有效途径。本论文主要围绕基于载波相位的双天线GPS/INS组合导航系统,进行了理论分析、数学建模、结构仿真等研究工作。众所周知载体的方位问题在导航中一直是难以解决的问题,特别是载体处于静态或作直线运动时。如果沿载体纵向相距一定距离放置两个GPS天线,则在载体上两个天线载波相位之间求差可确定载体的方位。论文提出了用双天线GPS信号为观测量与惯导进行姿态(二维)组合,推导了双天线、位置、速度和惯导的状态方程和观测方程,并利用仿真验证了该方案的有效性。在飞机精密进场、飞行器空中对接、战术战略武器精确制导等场合中对定位精度要求非常高。载波相位观测量在经过双差处理后能消除绝大部分公共误差后,可以达到厘米级的精度。论文采用结合双天线GPS信号和载波相位双差为观测量的方案,推导了系统的组合方程。本方案也通过仿真验证。载波相位应用中存在着整周模糊度的求解和周跳的检测与修复两个关键性问题,只有有效的解决了这两个问题,才能获得高精度的导航结果。在对现有方法研究的基础上,本文采用了一种基于INS数据辅助的整周模糊度解算和周跳的检测与修复方法。其简单快速,较其他的传统方法有很大的优越性。在系统数学模型和系统噪声与量测噪声的统计特性不确切已知的情况下,应用常规卡尔曼滤波可能产生发散现象。论文采用了一种结构比较简单,实时性较强,工程上比较实用的在线估计量测噪声统计特性的自适应滤波算法。仿真结果表明,这种算法具有较强的自适应性,是一种实用而有效的滤波方法。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 惯性导航系统发展概述
• 1.2 GPS 系统概述
• 1.2.1 GPS 系统现状
• 1.2.2 GPS 载波相位测量
• 1.3 GPS/INS 组合导航系统国内外研究现状
• 1.4 本文研究的背景和意义
• 1.5 本文主要研究内容
• 第二章 卡尔曼滤波原理及组合导航系统误差分析
• 2.1 引言
• 2.2 常规卡尔曼滤波
• 2.3 自适应卡尔曼滤波
• 2.4 惯性导航系统误差分析
• 2.4.1 误差方程
• 2.4.2 误差模型
• 2.5 GPS 误差分析
• 2.5.1 GPS 载波相位观测量
• 2.5.2 GPS 误差分类
• 2.6 本章小结
• 第三章 双天线GPS 位置速度组合系统研究
• 3.1 引言
• 3.2 双天线GPS 位置速度组合系统方案
• 3.2.1 双天线GPS 位置速度组合系统的状态方程
• 3.2.2 双天线GPS 位置速度组合系统的观测方程
• 3.2.3 双天线GPS 位置速度组合系统的卡尔曼滤波器的建立
• 3.3 基于简化的 Sage-Husa 自适应滤波的双天线 GPS 位置速度组合
• 3.4 本章小结
• 第四章 双天线GPS/载波相位双差/INS 组合系统研究
• 4.1 引言
• 4.2 RTK 技术及载波相位双差观测
• 4.3 双天线GPS/载波相位双差/INS 组合系统方案
• 4.3.1 双天线GPS/载波相位双差/INS 组合系统的状态方程
• 4.3.2 双天线GPS/载波相位双差/INS 组合系统的观测方程
• 4.3.3 双天线GPS/载波相位双差/INS 组合系统的卡尔曼滤波器的建立
• 4.4 本章小结
• 第五章 整周模糊度的求解和周跳的检测
• 5.1 引言
• 5.2 整周模糊度的求解
• 5.2.1 现有整周模糊度求解方法介绍
• 5.2.2 整周模糊度求解的一般流程
• 5.2.3 INS 辅助GPS 求解整周模糊度
• 5.3 周跳的检测与修复
• 5.3.1 周跳产生的原因
• 5.3.2 传统的周跳检测和修复方法
• 5.3.3 INS 辅助GPS 进行周跳检测与修复
• 5.4 本章小结
• 第六章 组合导航系统的仿真研究
• 6.1 引言
• 6.2 仿真方案的设计
• 6.2.1 惯导系统仿真
• 6.2.2 GPS 系统仿真
• 6.2.3 飞行器飞行航迹仿真
• 6.2.4 仿真参数的设定
• 6.3 双天线GPS 位置速度组合系统仿真研究
• 6.4 基于简化的 Sage-Husa 自适应滤波的双天线位置速度组合仿真
• 6.5 双天线GPS/载波相位双差/INS 组合系统仿真研究
• 6.6 INS 辅助GPS 确定初始整周模糊度
• 6.7 本章小结
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文所做工作总结
• 7.2 后续工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文