IMU辅助GPS接收机载波环路跟踪算法研究

摘要

在国防军工和航空航天等领域，目前的卫星接收机技术在面对高动态飞行器和低信噪比环境时，不能满足工程应用的需求并出现了瓶颈。为此，研究和开发超紧组合导航技术成为了突破这一瓶颈的有效途径之一。在超紧组合技术研究中，运用惯导信息对载波环路进行辅助的算法是其重要的组成部分，针对GPS接收机在低信噪比和高动态应用场合的需求，论文开展了运用IMU加速度、速度信息来辅助载波环路跟踪的研究。主要的研究工作包含以下几个方面：
　　1.分析了在高动态下IMU速度辅助GPS接收机跟踪过程中，由于IMU输出速度信息的离散化导致接入环路NCO的控制量变化较大，而使环路跟踪不稳定甚至失锁的问题，并通过Matlab模拟了环路跟踪特定信号时的失锁过程；提出了一种基于自适应调节的引入IMU加速度与速度信息相结合的辅助方法，仿真结果表明该方法较传统的速度辅助方案能有效减小GPS接收机环路跟踪的动态应力误差，降低高动态下环路失锁的机率；在此基础上，对载波跟踪环的环路参数进行了重新设计，将环路的带宽从原来的20Hz降为5Hz，并对设计环路的动态性能进行了仿真分析，结果表明其仍然具有良好的动态特性。
　　2.搭建了系统半实物仿真平台。设计了系统的整体结构，设计了基于DSP/FPGA构架下的GPS接收机和IMU的集成方案；构建了IMU单元并设计了相应的数据采集电路，分析了采用的GPS接收机单元的性能及其射频模块原理，为两个子系统的融合集成打下了基础；运用Quartus II软件完成了FPGA对IMU的数据获取模块、FPGA与DSP之间IMU通道段的总线通讯模块、串口收发模块，运用CCS软件设计了DSP程序，在实验室已有软件包基础上，完成了子系统的数据融合与IMU加速度、速度辅助FLL+PLL载波环的跟踪算法。
　　3.对系统进行了高动态半实物仿真实验和低信噪比实验。高动态半实物仿真实验模拟了接收机在58.3g线加速度、3.81 m/s3加加速度的高动态下IMU辅助载波跟踪环的跟踪性能，数据表明接收机能良好地跟踪卫星信号而不会发生失锁；对IMU辅助5Hz带宽的环路进行低信噪比测试，其对弱卫星信号实现跟踪和重捕的信噪比极限为28.3dB左右，比没有辅助的20Hz环路带宽（信噪比极限为36.5dB左右）的噪声性能提升了约8dB。

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目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 导航系统的发展和概述

1.3 课题目的和意义

1.4 论文的主要内容和基本框架

2 INS、GPS导航系统原理

2.1 惯性导航系统的原理

2.2 GPS导航系统

2.3 载波跟踪环

2.4 GPS/INS超紧组合结构

2.5 本章小节

3 IMU辅助GPS接收机环路跟踪原理

3.1 高动态下的INS辅助原理

3.2 本章小结

4 系统平台的搭建

4.1 系统平台的结构

4.2 GPS接收机

4.3 IMU模块

4.4 软件平台的搭建

4.5 本章小节

5 系统实验验证

5.1 高动态半实物仿真实验

5.2 低信噪比实验验证

5.3 本章小结

6 总结展望

6.1 总结

6.2 展望

致谢

参考文献

附录 A. 作者在攻读硕士在校期间发表的论文