GNSS/INS深组合系统中载波跟踪性能与IMU误差之间映射关系的理论与方法研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
41174028
项目类别：
面上项目
资助金额：
60.0万
负责人：
牛小骥
依托单位：
武汉大学
学科分类：
D0402.卫星大地测量学
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
章红平；胡锐；杨云春；张提升；张全；班亚龙；刘川川；李由；
关键词：
超紧耦合载波跟踪环路深组合 GPS接收机 GNSS/INS组合导航

项目摘要

GNSS/INS深组合是当前组合导航技术发展的趋势和热点之一，其设计和优化依赖于建立接收机载波跟踪性能与IMU误差之间的映射关系。但由于深组合系统的复杂性，使这一关键理论问题长期悬而未决，严重阻碍了深组合技术的发展。本项目将针对不同接收机架构和不同接收机性能要求，对这一问题做理论和方法研究。理论分析将从接收机跟踪环路的需求和惯导的测量能力两个方面出发，运用惯导误差传播理论、Kalman滤波器稳态误差、控制系统传递函数和随机估计理论等工具对两方面进行建模，并利用残余动态应力概念将两者联系起来，建立整体映射模型；并应用这一理论方法，研究深组合接收机中IMU误差与载波动态跟踪精度和灵敏度间的定量关系，通过软/硬件接收机做仿真和实验验证，最终确定出深组合中IMU误差与载波跟踪性能的映射关系。从而为深组合设计中惯导选取、方案选择和关键参数设定提供理论支撑，促进深组合技术的发展。

结项摘要

与GNSS/INS松组合、紧组合相比，深组合是GNSS和INS在更深的信号处理层面的信息融合，利用接收机信息修正INS的同时，将短期精度高的INS信息用于辅助GNSS接收机信号的跟踪和重捕，从而改善GNSS信号跟踪的动态灵敏度、动态精度和动态抗干扰等性能。根据GNSS接收机基带跟踪环的结构，深组合系统分为标量深组合和矢量深组合。已有研究成果主要是对深组合系统的概念、结构和性能的探讨和仿真，但缺乏成熟的理论模型和深入的定量分析。国内外还没有任何相关文献针对深组合中惯导精度与接收机信号跟踪性能之间的映射关系给出一个全面、系统的理论分析和实验验证，更没有提供相应的理论工具和方法。.本项目面向深组合研究需求，研究一套表征接收机载波跟踪性能与IMU器件误差之间对应关系的理论模型；并用该理论模型分别研究惯导器件性能与接收机动态跟踪精度和灵敏度的映射关系；最后对分析结果进行仿真与实验验证。.项目建立了一套完整的深组合跟踪环误差传递模型。首次提出了IMU零偏类误差、IMU标度因子类误差、多普勒辅助延迟三类惯性辅助信息误差与环路跟踪误差（载波相位）之间的细化模型，进一步构建了INS辅助跟踪环的稳态误差模型、瞬态误差模型，并提供了一种基于该模型的误差定量分析方法。分析表明：IMU误差对环路的影响远小于环路动态应力造成的误差，因此低精度惯导可用于深组合；多普勒辅助信息延迟应控制在毫秒量级。项目提出的误差传递模型为深组合研究提供了理论依据和实用分析手段，完善了深组合技术的研究方法。.项目设计并实现了软硬件一体化的实时深组合原型系统，在国内率先实现了硬件深组合闭环。该方案中GNSS接收机和惯导部分共用一套硬件平台，软件算法在同一嵌入式处理器内实现。INS辅助信息延迟控制在0.5ms左右，所引起的环路跟踪误差可以忽略，充分发挥了深组合技术最核心的INS辅助GNSS环路的优势。原型系统的扩展性好，可支持不同类型惯导、晶振，有力地支持了深组合研究的测试验证工作，对深组合系统的工程化设计具有重要的参考价值。.总之，该项目完成比较圆满，提出了一套完备的深组合跟踪环路误差模型来揭示载波跟踪误差与IMU精度等级之间的定量关系，明确了低成本MEMS惯导可用于深组合；积累了一套深组合软硬件研究平台，以及仿真、实验测试手段；培养了包括教师和研究生在内的十余人的学术梯队，在国内外形成了一定知名度和影响力。