載波相位時間差分/捷聯慣導組合導航方法研究

書籍信息

書名載波相位時間差分/捷聯慣導組合導航方法研究

書號978-7-118-10270-3

作者湯勇剛、吳美平

出版時間2016年6月

譯者

版次1版1次

開本16

裝幀平裝

出版基金

頁數158

字數188

中圖分類TN967.2

叢書名國防科學技術大學慣性技術實驗室優秀博士學位論文叢書

定價50.00

內容簡介

本書以地面車輛和水面艦艇等中低動態載體的導航為背景，以衛星導航系統和雷射陀螺捷聯慣導系統構成的組合導航系統為主要研究對象，提出在衛星導航/捷聯慣導組合導航系統中充分利用載波相位時間差分信號以改善系統的性能，並對涉及的主要理論問題和方法進行了研究。主要包括以下內容：（1）根據載波相位測量模型，在對主要誤差源時空相關特性分析的基礎上，建立了載波相位時間差分的數學模型，討論了載波相位時間差分/慣導組合導航的基本原理。根據整周模糊度在不發生周跳的情況下是常數的性質，以及主要誤差具有較強的時空相關性的特點，在相鄰曆元間的載波相位數據求差，避免了解算、檢驗整周模糊度和修復周跳等一系列繁瑣的運算，降低共模誤差的影響，能夠精確地反映用戶的位置變化信息。因此，可利用載波相位時間差分與慣導組合，估計並修正慣導系統的誤差，有效地抑制導航誤差的積累。（2）根據衛星導航/慣導組合導航系統的非線性模型，按照從基本定義出發的全局可觀性分析方法，對考慮桿臂不確定性條件下的衛星導航/捷聯慣導組合導航系統全局可觀性進行了研究，給出了全局可觀性充分條件，並通過仿真和實驗進行了驗證。全局可觀性分析方法避免了傳統方法中繁瑣的矩陣求秩運算，分析過程簡潔、直觀，避免了使用近似的線性系統模型（線性時變模型或分段線性定常模型）來代替準確的非線性系統模型，更全面、更深刻地揭示了狀態估計與載體運動之間的關係，為桿臂標定和組合導航算法設計提供理論基礎和數學工具。

（3）根據全局可觀性分析方法和全局可觀充分條件，對載波相位時間差分/捷聯慣導組合導航系統的可觀性進行分析，證明對於一般的衛星導航系統，以載波相位時間差分為觀測量，如果能夠觀察到4顆以上的衛星，在一般的機動條件下，除位置以外系統各狀態均可觀；對於只有3顆衛星可供觀測的情況，如載體為受頂向（或天向）速度約束的地面車輛和水面艦艇，在一般的機動條件下，除位置以外系統各狀態可觀。在可觀性分析的基礎上，建立了濾波器模型，完成了組合導航算法設計，並研究和解決了若干關鍵問題，包括濾波器的降階、周跳的影響及檢測、非完整約束的套用等。通過靜態實驗、跑車實驗和水面艦艇實驗，對理論分析的結果、數學模型和算法進行了實驗研究和驗證。實驗結果表明：利用載波相位時間差分與捷聯慣導組合，能夠準確地估計慣導系統的誤差，從而有效地抑制導航誤差的積累。因此，載波相位時間差分/捷聯慣導組合導航技術可套用於地面車輛和水面艦艇的導航，能夠在不對外發射信號、不受用戶數目限制的前提下，在較長的時間保持較高的導航精度。（4）研究了利用載波相位時間差分測量速度的方法。主要工作包括：對載波相位時間差分速度估計算法的研究、速度估計精度及其誤差分析、對利用非線性跟蹤－微分器提取載波相位率和時滯補償算法的研究、實驗和仿真驗證。實驗結果表明，利用載波相位時間差分可以獲得精確的速度信息；非線性跟蹤－微分器及時滯補償算法的使用在基本消除時滯的基礎上有效地減弱了對噪聲的放大作用；在一般觀測條件下（6顆星，速度幾何誤差因子3～4），用單GPS接收機，靜態條件下測速精度可達到10－3m/s的水平，動態條件下與差分GPS的精度水平相當；北斗一代系統衛星數目少，並受幾何構形的限制，在天向運動約束的輔助下，北向精度達到10－1m/s的水平，東向速度估計的精度達到10－2m/s的水平。對幾何精度因子的分析及北斗一代系統與GPS實驗結果的比較說明：如果衛星分布的幾何構形得到改善，載波相位時間差分速度估計的精度還可以進一步提高。

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