本发明专利技术公开了一种ＳＩＮＳ／ＧＰＳ超紧致组合导航系统及实现方法，利用捷联惯导系统的速度信息为ＧＰＳ载波环提供多普勒频率辅助，增大了环路等效带宽，降低了载体动态对载波环的影响，并通过降低滤波器带宽，提高了噪声抑制能力；同时，为了消除伪距率误差与惯导误差之间的相关性，通过建立载波跟踪误差与惯导速度误差之间的关系，得到了载波环跟踪误差模型，并在量测方程中扣除载波跟踪误差的影响；另外，根据组合滤波器输出的误差估计信息调整载波频率，提高了载波环的跟踪精度。本发明专利技术能够有效地提高跟踪环路的噪声抑制能力和动态跟踪性能，可用于提高强干扰、高动态环境下ＧＰＳ接收机的跟踪精度和组合系统的导航精度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于组合导航
，具体涉及一种SINS/GPS超紧致组合导航系统及实现方法。
技术介绍
捷联惯性导航系统(SINS)是一种完全自主的导航系统，可以连续、实时地提供位置、速度和姿态信息，其短时精度很高，且具有隐蔽性好，不受气候条件限制等优点，因而广泛应用于航空、航天、航海等领域。但是，SINS误差随时间增长，因此常与GPS全球卫星定位系统组合构成SINS/GPS组合导航系统。GPS和SINS在性能上具有很强的互补性，将两者组合不仅可以充分发挥各自的优势，而且随着组合程度的加深，SINS/GPS组合系统的总体性能要远远优于各独立系统。按照组合程度的不同，SINS和GPS的组合模式可分为松散组合、紧密组合和超紧致组合。松散组合和紧密组合主要是依靠GPS输出的位置、速度或伪距、伪距率等信息来辅助惯导系统，以提高组合系统的位置、速度和姿态精度，目前这两种组合模式应用较为广泛。然而，随着高机动性飞行器的发展和GPS应用领域的扩展，为满足高动态用户(歼击机、导弹等)及强噪声干扰条件下的应用需求，并进一步提高组合系统的可靠性，以紧密组合为基础发展起来的超紧致组合，成为SINS/GPS组合系统的新一代设计模式。 超紧致组合改变了传统意义上的GPS接收机跟踪环路，将组合的概念应用到了接收机内部结构中。超紧致组合的主要优点在于一方面，利用组合滤波器提供的位置、速度估计信息，进一步计算得到伪码相位和多普勒频移的先验估计，可用于缩短由干扰或衰减导致的GPS信号失锁后的重捕获时间；另一方面，组合滤波器可以为GPS跟踪环路提供辅助信息，从而扩展了环路的跟踪能力，有效地消除了环路跟踪载体动态的功能需求，并能够降低环路带宽以增强噪声抑制能力。 早期超紧致组合方案的主要目标是利用惯导信息为伪码跟踪环路提供辅助，以在载波失锁的情况下维持伪码跟踪锁定。而载波跟踪环路是GPS接收机中比较脆弱的环节，它对载体动态和噪声干扰十分敏感。如果载体动态引起的载波多普勒频移过大或接收信号的载噪比过低，将导致载波跟踪失锁、导航电文无法提取，致使接收机不能独立完成导航任务，这对于高动态情况下的组合系统是致命的。因此提高载波跟踪环的动态性能和噪声抑制能力，是高动态、强干扰环境下SINS/GPS组合系统亟待解决的问题，也是SINS/GPS超紧致组合领域的研究重点。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种基于SINS辅助GPS载波和伪码跟踪的SINS/GPS超紧致组合导航系统结构及其实现方法，该方法提高了GPS接收机的动态跟踪性能和组合系统的导航精度。 一种SINS/GPS超紧致组合导航系统实现方法，具体包括以下步骤 步骤一建立GPS接收机中载波环的跟踪误差模型和码环的跟踪误差模型； 步骤二建立SINS/GPS超紧致组合系统状态方程和量测方程； a.SINS系统的误差状态方程； b.GPS误差状态方程； c.码环跟踪误差方程； d.载波环跟踪误差方程； e.SINS/GPS超紧致组合系统状态方程； f.SINS/GPS超紧致组合系统量测方程； 步骤三组合导航信息融合； 步骤四辅助参数计算。 一种SINS/GPS超紧致组合导航系统，包括捷联惯性导航系统、GPS接收机、组合导航滤波器和辅助参数计算单元； 捷联惯性导航系统包括惯性测量元件和导航解算单元；惯性测量元件测量载体的比力和角速率，将得到的比力和角速率信息传送给导航解算环节，导航解算单元根据惯性测量元件传输的信息得到载体的位置、速度和姿态，并转换为卫星与载体之间的距离ρI和距离率 输入到组合导航滤波器中，导航解算单元将SINS导航参数输入到辅助参数计算单元中，所述的SINS导航参数为载体的位置和速度； GPS接收机包括天线、射频前端、码环和载波环；射频前端对天线接收到的GPS射频信号进行处理，得到GPS中频信号，GPS中频信号经过混频，得到混频后的基带信号； 码环包括码相位鉴别器、环路滤波器A和C/A码数控振荡器，C/A码数控振荡器产生本地C/A码，混频后的GPS基带信号与本地C/A码进行相关运算，并将相关结果输入到码相位鉴别器中，码相位鉴别器得到码相位差，将得到码相位差输入到环路滤波器A，相位差经过环路滤波器A滤波后，对C/A码数控振荡器输出控制信号，C/A码数控振荡器根据控制信号和辅助信息调整本地C/A码相位，使得本地C/A码相位与输入的GPS中频信号中的码相位对准； 所述的辅助信息为载波环提供的辅助信息和辅助参数计算单元提供的C/A码相位估计值； 载波环包括载波相位鉴别器、环路滤波器B、环路滤波器C、载波数控振荡器和比例转换单元，射频前端输出的GPS中频信号与载波数控振荡器生成的本地载波余弦、正弦信号进行混频，得到同相、正交两路混频后的GPS基带信号，混频后的GPS基带信号与本地C/A码进行相关运算，相关结果输入到载波相位鉴别器中，载波相位鉴别器得到输入GPS中频信号与本地载波之间的相位差，输出载波相位差信号，根据GPS接收机的工作模式选择环路滤波器B或环路滤波器C对载波相位差信号进行滤波处理； 载波数控振荡器根据不同模式下的控制信号调整本地载波频率和相位，使之与输入GPS中频信号中的载波频率、相位对准；同时，载波数控振荡器将调整后的本地载波频率传递到比例转换单元中，比例转换单元将本地载波频率转换为C/A码频率输入C/A码数控振荡器中，对码环进行辅助，C/A码频率即为载波环为C/A码数控振荡器提供的辅助信息；码环和载波环分别输出码相位和载波频率信息，将其转换为伪距ρG、伪距率 作为量测信息输入到组合导航滤波器中； 组合导航滤波器根据码环、载波环和导航解算单元提供的伪距ρG、伪距率 和距离ρI、距离率 对捷联惯性导航系统的导航参数和惯性器件的误差进行估计，并将其反馈回SINS导航解算单元中，对相应的误差进行校正和补偿，同时将接收机钟频误差估计信息传递给辅助参数计算单元； 辅助参数计算单元根据校正后的SINS导航参数、卫星参数和接收机钟频误差估计信息计算得到辅助参数，所述的辅助参数为C/A码相位估计值和辅助频率估计值，将C/A码相位估计值和辅助频率估计值分别提供给GPS接收机的码环中的C/A码数控振荡器和载波环中的载波数控振荡器。 本专利技术的优点在于 (1)本专利技术利用SINS的位置、速度参数为载波跟踪环路提供频率辅助信息，增大了环路等效带宽，从而减小了载波环的动态跟踪范围； (2)对载波、伪码跟踪环误差进行建模，并在伪距、伪距率量测方程中扣除跟踪误差的影响，从而消除了伪距、伪距率误差与惯导速度误差之间的相关性，并提高了GPS跟踪环路的测量精度； (3)为保证高动态环境中码环的动态性能和跟踪精度，在GPS接收机内部采用载波辅助码环，以消除载体动态对码环的影响，而码环则通过降低相关间隔来提高伪码相位的跟踪精度； (4)为防止恶劣环境中载波环性能下降对码环造成污染，将载波环对码环的辅助设置为可选的，即载波环正常工作时对码环进行辅助，而如果载波环发生异常，则利用SINS速度信息辅助码环，以保证码环的稳定性以及组合系统的可靠性。本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种ＳＩＮＳ／ＧＰＳ超紧致组合导航系统实现方法，其特征在于，具体包括以下步骤： 步骤一：建立ＧＰＳ接收机中载波环的跟踪误差模型和码环的跟踪误差模型； 当ＧＰＳ接收机处于独立工作模式时在载波环中，本地载波相位＊与参考载波相位θ的相位误差δθ由载波相位鉴别器确定，经过环路滤波器Ｂ处理后，得到频率跟踪误差δｆ，用于调整本地载波数控振荡器中的载波频率，从而使本地信号与输入信号的载波频率、相位保持一致；根据二阶载波环的基本结构，独立工作模式下载波环的跟踪误差方程： ＊则多普勒频率估计值为： ＊↓［ｄｏｐ］＝－ｆ↓［Ｌ１］／ｃ.Ｖ↓［ａｉｄ］＝－ｆ↓［Ｌ１］／ｃ.（Ｖ↓［ｓ］↑［ｅ］－Ｖ↓［ｒ］↑［ｅ］）.＊↓［ｉ］ （７） 其中，ｆ↓［Ｌ１］为Ｌ１载波频率，ｃ为光速； 由ＳＩＮＳ导航参数误差所导致的多普勒频率估计误差为： δｆ↓［ｄｏｐ］＝－ｆ↓［Ｌ１］／ｃ.＊↓［ｉ］↑［Ｔ］.（Ｃ↓［ｉ］↑［ｅ］.δＶ↑［ｉ］－Ｃ↓［ｃ］↑［ｅ］.Ｗ↓［ｅ］.Ｃ↓［ｉ］↑［ｃ］.δＸ↑［ｉ］） （８） 其中，δＸ↑［ｉ］、δＶ↑［ｉ］分别为发射点惯性系中载体的位置、速度误差，Ｃ↓［ｉ］↑［ｅ］、Ｃ↓［ｃ］↑［ｅ］、Ｃ↓［ｉ］↑［ｃ］分别为发射点惯性系到协议地球系、地心惯性坐标系到协议地球系、发射点惯性系到协议地球系的转换矩阵，Ｗ↓［ｅ］为地球自转角速度矢量在协议地球系中的叉乘矩阵； 建立辅助频率误差模型时，忽略接收机钟频误差估计误差的影响，得： δｆ↓［ａｉｄ］≈δｆ↓［ｄｏｐ］ （３） 以跟踪通道内载波环的相位、频率误差作为状态变量，则第ｉ个通道内载波环的跟踪误差模型为： ＊＊＊ （９） 其中，１≤ｉ≤Ｎ，Ｎ为自然数且Ｎ≥４； 以跟踪通道内码环输出的伪距测量误差作为状态变量，则第ｉ个通道内码环的跟踪误差模型为： δ＊↓［ＤＬＬｉ］＝－Ｋ↓［ＤＬＬ］δρ↓［ＤＬＬｉ］＋δＶ↓［ａｉｄ］＋Ｋ↓［ＤＬＬ］Ｑ （１０） 其中，δρ↓［ＤＬＬｉ］为伪距测量误差； 步骤二：建立ＳＩＮＳ／ＧＰＳ超紧致组合系统状态方程和量测方程； 在ＳＩＮＳ／ＧＰＳ超紧致组合导航系统中，组合导航滤波器的误差模型包括ＳＩＮＳ、ＧＰＳ误差模型、码环、载波环跟踪误差模型； ａ．ＳＩＮＳ系统的误差状态方程； ＊↓［Ｉ］＝Ｆ↓［Ｉ］Ｘ↓［Ｉ］＋Ｇ↓［Ｉ］Ｗ...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王新龙，于洁，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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