北斗軟件接收機(jī)及慣性-衛(wèi)星超緊組合導(dǎo)航關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)以授時(shí)、測(cè)距及空間交會(huì)定位為基礎(chǔ)，可以向全球用戶提供全天候、連續(xù)、高精度三維位置、速度及時(shí)間信息，但仍因受到信號(hào)干擾及動(dòng)態(tài)等因素影響而制約其工作性能。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)具有不受外部環(huán)境影響特性而被作為可靠的導(dǎo)航信息來(lái)源，基于慣性和衛(wèi)星系統(tǒng)互補(bǔ)特性而構(gòu)建的慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)一直在不斷發(fā)展與完善。近年來(lái)，慣性/衛(wèi)星超緊組合逐漸被提出并引起廣泛關(guān)注，為改善衛(wèi)星導(dǎo)航抗干擾及高動(dòng)態(tài)適應(yīng)性能提供了新的技術(shù)途徑。因此，深入研究與分析超緊組合

2、技術(shù)中涉及的信號(hào)處理、架構(gòu)設(shè)計(jì)、組合模型及濾波方法等關(guān)鍵問題，對(duì)提升接收機(jī)及慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航性能具有重要理論意義及應(yīng)用參考價(jià)值。
　　本文在針對(duì)北斗導(dǎo)航軟件接收機(jī)核心捕獲、跟蹤等基帶信號(hào)處理算法進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開展了慣性/衛(wèi)星超緊組合典型架構(gòu)、耦合機(jī)理及組合模型等內(nèi)容研究，并針對(duì)高動(dòng)態(tài)擾動(dòng)影響研究了基于抗差自適應(yīng)濾波的超緊組合算法，最后進(jìn)行基于FPGA+DSP超緊組合接收機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究工作，主要工作包括了以下幾個(gè)方面

3、：
　　首先，開展了北斗軟件接收機(jī)核心捕獲算法分析及實(shí)現(xiàn)研究，在分析GPS L1及北斗B1信號(hào)調(diào)制特點(diǎn)基礎(chǔ)上，研究了經(jīng)典信號(hào)捕獲原理及方法，提出了可同時(shí)對(duì)多顆衛(wèi)星進(jìn)行搜索、捕獲的多星聯(lián)合捕獲算法，并對(duì)多星捕獲算法進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化與運(yùn)算效率分析，最后利用實(shí)際采集衛(wèi)星中頻信號(hào)對(duì)多種捕獲算法進(jìn)行了試驗(yàn)性能對(duì)比及耗時(shí)分析，結(jié)果表明，聯(lián)合捕獲方法可有效提高軟件接收機(jī)盲捕狀態(tài)下對(duì)可見星的搜索與捕獲效率。
　　接著，開展了北斗軟件接收機(jī)信號(hào)

4、跟蹤及解調(diào)原理研究工作，分析了各通道信號(hào)相位及頻率變化與接收機(jī)動(dòng)態(tài)之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)，研究了矢量跟蹤原理及環(huán)路模型設(shè)計(jì)方法，在分析矢量跟蹤算法中信號(hào)處理耗時(shí)特點(diǎn)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出基于位運(yùn)算優(yōu)化的多通道信號(hào)矢量跟蹤算法，研究了基于抗差估計(jì)的參數(shù)優(yōu)化方法，最后，試驗(yàn)結(jié)果表明矢量跟蹤算法相對(duì)于標(biāo)量跟蹤方法可有效提高接收機(jī)在弱信號(hào)及動(dòng)態(tài)環(huán)境下的跟蹤和導(dǎo)航性能，驗(yàn)證了基于位運(yùn)算矢量跟蹤算法相對(duì)原矢量跟蹤算法的信號(hào)處理速度提升作用。
　　然后，由

5、于矢量跟蹤方法僅利用接收機(jī)自身狀態(tài)對(duì)環(huán)路復(fù)制信號(hào)生成進(jìn)行反饋控制，在較高動(dòng)態(tài)情況下仍會(huì)出現(xiàn)環(huán)路失鎖現(xiàn)象，因此進(jìn)一步開展了慣性/衛(wèi)星超緊組合技術(shù)研究，在針對(duì)國(guó)外典型超緊組合架構(gòu)進(jìn)行調(diào)研分析基礎(chǔ)上，總結(jié)出超緊組合的核心特點(diǎn)，并深入分析了超緊組合接收機(jī)環(huán)路信號(hào)與慣性信息間的耦合機(jī)理及IMU精度對(duì)組合導(dǎo)航性能的影響作用，進(jìn)一步提出基于矢量環(huán)路相關(guān)信息的超緊組合算法，研究了超緊組合中環(huán)路復(fù)制信號(hào)的慣性控制生成方法，通過構(gòu)建的超緊組合半物理仿真試驗(yàn)

6、平臺(tái)驗(yàn)證了超緊組合算法在高動(dòng)態(tài)環(huán)境下的高動(dòng)態(tài)應(yīng)力適應(yīng)性能及抗干擾能力。
　　另外，為了減輕動(dòng)態(tài)應(yīng)力幅值過大及信號(hào)干擾因素對(duì)超緊組合導(dǎo)航結(jié)果的擾動(dòng)影響問題，進(jìn)一步開展了基于抗差自適應(yīng)濾波的慣性/衛(wèi)星超緊組合算法研究，提出了基于優(yōu)化因子的抗差自適應(yīng)超緊組合算法，并利用高機(jī)動(dòng)、高過載及信號(hào)干擾等特性對(duì)多種超緊組合算法導(dǎo)航性能進(jìn)行了試驗(yàn)分析與對(duì)比，結(jié)果表明基于抗差自適應(yīng)超緊組合算法可有效減輕高動(dòng)態(tài)及弱信號(hào)對(duì)超緊組合導(dǎo)航結(jié)果的擾動(dòng)影響。

7、r>　　最后，在軟件接收機(jī)及超緊組合技術(shù)理論研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了基于FPGA+DSP超緊組合接收機(jī)硬件開發(fā)研究及超緊組合試驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，研究了超緊組合接收機(jī)硬件系統(tǒng)中 FPGA及DSP單元各自負(fù)責(zé)的信號(hào)處理任務(wù)及功能，開展了FPGA中負(fù)責(zé)衛(wèi)星基帶信號(hào)處理的本地載波生成模塊、本地偽碼生成模塊、相關(guān)器模塊、位同步/幀同步模塊等功能模塊的設(shè)計(jì)研究，并協(xié)同高速DSP完成衛(wèi)星星歷參數(shù)解調(diào)、本地信號(hào)控制及后續(xù)導(dǎo)航定位解算等功能，最后利用采集實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)