一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统技术方案

本发明专利技术公开了一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统，包括GPS接收机、控制主机和射频信号模拟器组成的卫星导航信号模拟器、弹道轨迹发生器、IMU仿真器和惯性导航计算机组成的捷联惯性导航系统信息模拟器、仿真分析计算机、信号转发器；捷联惯性导航系统信息模拟器将弹道轨迹发生器输出的模拟信息进行处理得到惯性导航数据，并传输给GPS接收机；弹道轨迹发生器将导弹飞行轨迹数据传输给射频信号模拟器；控制主机控制射频信号模拟器生成卫星导航模拟信号并经信号转发器发出；GPS接收机综合处理惯性导航数据和卫星导航信息，输出最终导航信息至仿真分析计算机。本发明专利技术分析了惯性辅助对GPS接收机捕获跟踪性能的影响，对深组合导航技术的研究具有重大意义。

【技术实现步骤摘要】
一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法
本专利技术涉及组合导航
，特别是一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统。
技术介绍
导航在人类历史的发展进程中一直起着重要的作用，定位导航技术在国防和军事上的重要性不言而喻，随着卫星/惯性组合导航系统的应用得到不断推广的同时，运载体对导航系统的综合性能提出的需求也在不断提高，卫星/惯性组合导航技术方面的研究不断深入。考虑到各类精确制导武器高动态、远射程的特点，简单的组合方式已不足以满足其对精度和稳定性的要求，深组合技术成为下一代导航系统的典型标志。2000年，Draper实验室的DonaldGustafson等人明确提出并验证了扩展码跟踪环的GPS/INS深组合方法，以提高接收机的抗干扰能力；随后，斯坦福大学的GautierJD进一步完善了这种概念，分析了深组合下卡尔曼滤波器的基本结构及状态观测方程；SantiagoAlban和明尼苏达大学的DemozCebre等人，对紧组合下MEMSIMU辅助GPS的跟踪回路进行了分析和研究，证明IMU辅助，可以减少接收机搜索带宽，增强其抑制噪声的能力。由于深组合技术在高动态平台、强射频干扰和多路径效应严重的恶劣环境中所表现的优异性能，美国霍尼韦尔公司早在二十一世纪初就已经计划了将深组合技术引入增强型GPS/INS空间组合导航系统。同时，罗克韦尔-柯林公司也将深组合技术列为GPS/INS组合导航系统的下一代设计方案。深组合技术，其核心是利用卫星/惯性组合导航系统的输出辅助接收机的环路跟踪。与松组合和紧组合相比，其优势在于，深组合导航系统能够将GPS接收机对卫星信号的跟踪和GPS/惯性的组合功能集成于一体，实现GPS与INS的相互辅助，提高GPS信号跟踪的性能，卫星接收机对高动态运动载体的适应性，组合导航系统定位精度等，理论上，在深组合技术支持下，单颗卫星即可进行组合导航。目前，GPS导航系统是使用最为广泛的卫星导航系统之一，我国自主研发的北斗二代卫星导航系统日趋成熟，研究GPS/INS深组合导航系统，也是为今后做铺垫，GPS/INS组合导航的研究成果可以方便的移植到BD/INS组合导航系统中，这势必对我国的导航技术产生巨大的推动作用。现有技术大多仍停留在软件仿真阶段，搭建的高动态环境也只是简单的匀速直线运动或大圆轨迹，与实际的弹道轨迹相差甚远，并不能很好地模拟一个具有大加速度、大加加速度的恶劣环境，其仿真分析有一定的局限性；而现有的组合导航实物系统，大多成本高、体积大、结构复杂，不利于研究中的实时检测和分析，研发效率较低，阻碍了组合导航系统的研发进展。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种成本低、体积小、实用性强的惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统，实现高动态环境下GPS/INS深组合导航系统的仿真与调试。实现本专利技术目的的技术解决方案，一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统，包括GPS接收机、卫星导航信号模拟器、弹道轨迹发生器、捷联惯性导航系统信息模拟器、仿真分析计算机和信号转发器，其中卫星导航信号模拟器包括控制主机和射频信号模拟器，捷联惯性导航系统信息模拟器包括IMU仿真器和惯性导航计算机；所述弹道轨迹发生器的数据输出端接入IMU仿真器，IMU仿真器的数据输出端接入惯性导航计算机，GPS接收机通过RS232接口分别与惯性导航计算机、仿真分析计算机连接，控制主机和弹道轨迹发生器均通过千兆以太网与射频信号模拟器连接，射频信号模拟器的射频输出端与信号转发器连接；捷联惯性导航系统信息模拟器对弹道轨迹发生器输出的模拟陀螺仪、加速度计信息进行处理得到惯性导航数据，然后通过RS232接口将惯性导航数据传输给GPS接收机；与此同时，弹道轨迹发生器通过千兆以太网将导弹飞行轨迹数据传输给射频信号模拟器；控制主机控制射频信号模拟器生成卫星导航模拟信号，并经信号转发器将其发出；GPS接收机综合处理接收的惯性导航数据和卫星导航信息，输出最终的导航信息至仿真分析计算机。一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法，包括以下步骤：步骤1，弹道轨迹发生器初始化：根据所需动态场景设置弹道轨迹发生器，产生导弹的飞行轨迹信息，并根据飞行轨迹信息模拟陀螺仪和加速度计，输出时间、加速度、角速度信息；步骤2，弹道轨迹发生器输出导弹飞行轨迹数据，通过千兆以太网将导弹飞行轨迹数据传输给射频信号模拟器，同时，捷联惯性导航系统信息模拟器对弹道轨迹发生器输出的模拟陀螺仪、加速度计信息进行处理得到惯性导航数据，通过RS232接口将惯性导航数据传输给GPS接收机；步骤3，控制主机控制射频信号模拟器生成卫星导航模拟信号，并经信号转发器将卫星导航模拟信号发出；步骤4，GPS接收机接收惯性导航数据，结合惯性导航数据和星历信息，预测出多普勒频移；根据预测的多普勒频移和星历信息解算出的卫星位置、高度角，选择最优卫星进行捕获；根据预测的多普勒频移和环路滤波的载波相位不断调整本地载波信号，对捕获的卫星进行跟踪；步骤5，GPS接收机结合惯性导航数据和卫星导航模拟信号，对步骤4的卫星捕获、跟踪结果进行导航解算，输出最终导航信息至仿真分析计算机，并返回步骤4。本专利技术与现有技术相比，其显著优点：1、本专利技术针对某型导弹在高动态环境下的导航制导过程，模拟了导弹飞行的高动态环境，进行半实物仿真实验，提高了分析结果的可靠性和说服力，并且缩短了信号捕获的时间，优化了高动态载体飞行中的失锁重捕过程，具有重要的现实意义；2、将惯性辅助信息加入载波跟踪环路的算法，有效降低动态应力误差，减小环路跟踪带宽，解决了GPS接收机动态性能和噪声与带宽相矛盾的问题；3、采用轨迹发生器来生成实验所用载体轨迹，具有较高的仿真度，系统中所运用的DSP+FPGA开发平台、卫星信号导航模拟器等均属于通用型设备，GPS接收机的基带信号处理功能由FPGA完成，环路控制与定位解算功能由DSP实现，运用范围广，移植性强；4、本专利技术具有良好的拓展性，除了用于深组合的仿真研究，松组合、紧组合同样适用，涵盖了信号弱、噪声干扰、卫星数不足等多种恶劣环境的模拟条件，能够提供更加全面的实验分析数据。附图说明图1是本专利技术惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统示意图。图2是本专利技术的GPS接收机结构图。图3是本专利技术惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法流程图。图4是本专利技术惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法中多普勒频移预测示意图。图5是本专利技术惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法中捕获跟踪环路流程图。图6是本专利技术惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法中IMU辅助PLL的数学模型。图7是本专利技术惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法中IMU辅助失锁重捕流程图。图8是实施例中模拟高动态环境下导弹的理论飞行轨迹。图9是实施例中导弹的理论飞行速度曲线。图10是实施例中导弹的理论飞行加速度曲线。图11是实施例中无辅助情况下GPS接收机导航结果速度曲线。图12是实施例中惯性辅助情况下GPS接收机导航结果速度曲线。图13是实施例中两种情况下GPS接收机导航结果的速度曲线对比。具体实施方式以下结合附图和具体实施例，对本专利技术做进一步详细说明。结合图1，本专利技术惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统，包括GPS接收机1、卫星导航信号模拟器2、弹道轨迹发生器3、捷联惯性导航系统信息模拟本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统，其特征在于，包括GPS接收机(1)、卫星导航信号模拟器(2)、弹道轨迹发生器(3)、捷联惯性导航系统信息模拟器(4)、仿真分析计算机(5)和信号转发器(6)，其中卫星导航信号模拟器(2)包括控制主机(2‑1)和射频信号模拟器(2‑2)，捷联惯性导航系统信息模拟器(4)包括IMU仿真器(4‑1)和惯性导航计算机(4‑2)；所述弹道轨迹发生器(3)的数据输出端接入IMU仿真器(4‑1)，IMU仿真器(4‑1)的数据输出端接入惯性导航计算机(4‑2)，GPS接收机(1)通过RS232接口分别与惯性导航计算机(4‑2)、仿真分析计算机(5)连接，控制主机(2‑1)和弹道轨迹发生器(3)均通过千兆以太网与射频信号模拟器(2‑2)连接，射频信号模拟器(2‑2)的射频输出端与信号转发器(6)连接；捷联惯性导航系统信息模拟器(4)对弹道轨迹发生器(3)输出的模拟陀螺仪、加速度计信息进行处理得到惯性导航数据，然后通过RS232接口将惯性导航数据传输给GPS接收机(1)；与此同时，弹道轨迹发生器(3)通过千兆以太网将导弹飞行轨迹数据传输给射频信号模拟器(2‑2)；控制主机(2‑1)控制射频信号模拟器(2‑2)生成卫星导航模拟信号，并经信号转发器(6)将其发出；GPS接收机(1)综合处理接收的惯性导航数据和卫星导航信息，输出最终的导航信息至仿真分析计算机(5)。...

【技术特征摘要】
1.一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，弹道轨迹发生器(3)初始化：根据所需动态场景设置弹道轨迹发生器(3)，产生导弹的飞行轨迹信息，并根据飞行轨迹信息模拟陀螺仪和加速度计，输出时间、加速度、角速度信息；步骤2，弹道轨迹发生器(3)输出导弹飞行轨迹数据，通过千兆以太网将导弹飞行轨迹数据传输给射频信号模拟器(2-2)，同时，捷联惯性导航系统信息模拟器(4)对弹道轨迹发生器(3)输出的模拟陀螺仪、加速度计信息进行处理得到惯性导航数据，通过RS232接口将惯性导航数据传输给GPS接收机(1)；步骤3，控制主机(2-1)控制射频信号模拟器(2-2)生成卫星导航模拟信号，并经信号转发器(6)将卫星导航模拟信号发出；步骤4，GPS接收机(1)接收惯性导航数据，结合惯性导航数据和星历信息，预测出多普勒频移；根据预测的多普勒频移和星历信息解算出的卫星位置、高度角，选择最优卫星进行捕获；根据预测的多普勒频移和环路滤波的载波相位不断调整本地载波信号，对捕获的卫星进行跟踪；步骤5，GPS接收机(1)结合惯性导航数据和卫星导航模拟信号，对步骤4的卫星捕获、跟踪结果进行导航解算，输出最...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈帅，单童，雷浩然，金磊，李玺安，王磊杰，马艳彬，王于坤，秦磊，徐芹丽，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32