高靈敏度GPS定位及組合導(dǎo)航技術(shù)研究.pdf

1、目前，全球定位系統(tǒng)(GPS)已經(jīng)在全世界得到了最廣泛的應(yīng)用，但現(xiàn)有的GPS接收機(jī)大多只能工作在信號(hào)條件較理想的戶(hù)外等環(huán)境中。隨著人們活動(dòng)范圍的擴(kuò)大以及周邊環(huán)境的日益復(fù)雜，現(xiàn)有的GPS導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)難以滿(mǎn)足人們的現(xiàn)實(shí)需要。與戶(hù)外等普通環(huán)境相比，在室內(nèi)等低信噪比環(huán)境下，GPS信號(hào)能量會(huì)受到更多的削弱，其可靠性和定位精度都會(huì)大大降低。而室內(nèi)等低信噪比環(huán)境正好是人類(lèi)活動(dòng)的最主要環(huán)境之一，在室內(nèi)環(huán)境下GPS有著越來(lái)越多的應(yīng)用需求，高靈敏度GPS定位

2、技術(shù)正是為滿(mǎn)足這一需求孕育而生的。高靈敏度GPS定位技術(shù)是目前GPS技術(shù)的一個(gè)非常具有潛力的應(yīng)用方向，有著廣闊的市場(chǎng)前景。因此，開(kāi)展高靈敏度GPS室內(nèi)定位技術(shù)的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境下的高精度GPS導(dǎo)航定位，擴(kuò)展GPS技術(shù)的應(yīng)用范圍具有重要意義，室內(nèi)環(huán)境下的高靈敏度GPS導(dǎo)航技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
　　 針對(duì)室內(nèi)等低信噪比環(huán)境下的導(dǎo)航需要，本文研究了室內(nèi)環(huán)境下的高靈敏度GPS定位技術(shù)，對(duì)高靈敏度GPS定位技術(shù)難點(diǎn)之一的微弱G

3、PS信號(hào)捕獲技術(shù)進(jìn)行了深入的研究和分析，提出了一種基于Duffing混沌振子陣列的弱GPS信號(hào)捕獲算法，完成了對(duì)GPS信號(hào)載波多普勒頻率的檢測(cè)。最后，在載波多普勒頻率確定的基礎(chǔ)之上，利用差分相關(guān)檢測(cè)方法完成了GPS信號(hào)C/A碼相位的捕獲。
　　 另外，文章研究了一種提高載體垂直方向定位精度的氣壓表/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)，重點(diǎn)提出了基于自適應(yīng)聯(lián)合Kalman濾波以及粒子濾波的氣壓表/GPS組合導(dǎo)航算法。該組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠改善載體在垂

4、直方向上的定位精度，在實(shí)時(shí)性、適應(yīng)性等方面都有很好的效果，確保飛機(jī)精確飛越預(yù)定點(diǎn)上空并具備精密進(jìn)場(chǎng)著陸引導(dǎo)能力。
　　 本文的主要工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　 (1)對(duì)高靈敏度GPS定位技術(shù)以及GPS組合導(dǎo)航技術(shù)進(jìn)行了介紹，分析了室內(nèi)和機(jī)場(chǎng)等環(huán)境下GPS信號(hào)特點(diǎn)，對(duì)高靈敏度GPS定位的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹，重點(diǎn)研究了低信噪比環(huán)境下的GPS信號(hào)捕獲技術(shù)。
　　 (2)對(duì)現(xiàn)有的一些弱GPS信號(hào)捕獲算法進(jìn)行了研究，如相關(guān)累加

5、、非相關(guān)累加、多重?cái)?shù)據(jù)位循環(huán)相關(guān)(CCMDB)以及圓周相關(guān)等。指出了現(xiàn)有GPS信號(hào)捕獲算法各自存在的問(wèn)題以及改進(jìn)的方向，并通過(guò)仿真討論了現(xiàn)有檢測(cè)算法的檢測(cè)性能。
　　 (3)對(duì)混沌振子檢測(cè)弱信號(hào)技術(shù)進(jìn)了研究，介紹了當(dāng)前常用的幾種混沌振子，重點(diǎn)研究了Duffing振子的模型、動(dòng)力學(xué)行為以及混沌判據(jù)等。對(duì)Duffing振子的兩種常用模型進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，給出了Duffing振子處在不同狀態(tài)時(shí)的相圖，通過(guò)相圖可以詳細(xì)了解振子的動(dòng)力學(xué)行

6、為。
　　 (4)在結(jié)合混沌振子檢測(cè)弱信號(hào)的基礎(chǔ)之上，提出了基于Duffing混沌振子陣列的微弱GPS信號(hào)捕獲算法。采用Lyapunov指數(shù)(LE)判定相軌跡所處的臨界狀態(tài)，輔助測(cè)量GPS信號(hào)的存在，將數(shù)值迭代方法應(yīng)用于算法的實(shí)現(xiàn)。首先，利用LE算法判斷被輸入的信號(hào)中是否有微弱GPS信號(hào)，如果GPS信號(hào)存在，被檢測(cè)GPS信號(hào)的載波多普勒頻率被確定。最后，利用差分相關(guān)檢測(cè)方法完成GPS信號(hào)C/A碼相位的檢測(cè)，從而完成對(duì)弱GPS信號(hào)

7、的捕獲。該方法突破了以往GPS信號(hào)捕獲所采用的二維搜索過(guò)程，將C PS信號(hào)載波多普勒頻率和C/A碼相位的二維搜索過(guò)程變成了兩個(gè)一維搜索過(guò)程，該方法能夠檢測(cè)極低信噪比環(huán)境下的GPS信號(hào)，大大提高了GPS接收機(jī)的檢測(cè)靈敏度。
　　 (5)研究了基于差分相關(guān)的微弱GPS信號(hào)C/A碼捕獲技術(shù)，提出了一種在GPS信號(hào)載波多普勒頻率確定的情況下，基于差分相關(guān)的GPS信號(hào)C/A碼捕獲算法。對(duì)檢測(cè)概率、虛警概率以及檢測(cè)門(mén)限等變量進(jìn)行了研究，重點(diǎn)

8、分析了所提出捕獲算法所引入的信噪比損失，定量分析了所提出捕獲算法在檢測(cè)靈敏度方面的改善情況。對(duì)所提出的捕獲算法與傳統(tǒng)的GPS信號(hào)捕獲算法進(jìn)行了對(duì)比分析，通過(guò)理論和仿真證明了所提出的捕獲算法在檢測(cè)弱GPS信號(hào)方面的優(yōu)越性。
　　 (6)研究了GPS/氣壓表的組合導(dǎo)航系統(tǒng)，分析論證了一種能夠改善載體垂直方向定位精度的氣壓表/GPS組合導(dǎo)航系統(tǒng)方案，重點(diǎn)提出了兩種數(shù)據(jù)融合算法：基于自適應(yīng)聯(lián)合Kalman濾波的氣壓表/GPS數(shù)據(jù)融合算法