面向城市复杂环境GNSS高精度定位的标量深组合基带技术研究

摘要

随着导航与位置服务产业的兴起以及国内汽车市场的发展，城市复杂环境车载导航需求持续增长，目前炙手可热的自动驾驶和无人机同样对连续、可靠的分米级甚至厘米级定位导航需求旺盛，而全球卫星导航系统(GNSS)是其支柱手段之一。工业界正积极研发高精度、低成本的GNSS定位导航授时终端产品。传统导航型GNSS接收机注重解决城市复杂环境下接收机灵敏度而忽视了GNSS观测精度问题;而测量型接收机只能用于开阔环境下的高精度观测和定位。基于惯性导航系统(INS)与卫星导航系统的组合导航被广泛应用于车载导航，但传统的组合方法为松组合和紧组合，均是GNSS和INS在数据处理层面的信息融合，且主要是GNSS接收机对惯导系统的辅助，而对接收机系统底层的信号处理性能没有作用。为了以低成本实现城市复杂环境下高精度导航定位，需要提高GNSS接收机的原始观测值质量，而深组合由于利用惯导动态信息辅助接收机的基带信号处理，可有效改善接收机基带的动态特性和跟踪精度，提高输出观测值的品质。 GNSS/INS深组合系统由于具有优良的动态性能，其研究和应用主要是高动态和强干扰环境，国外已将其应用于灵巧弹药制导。而随着深组合技术向民用领域的延伸以及车载导航的发展，国外部分厂商已经推出了带有部分深组合功能的车载导航产品。 本文针对高精度、低成本的城市环境车载导航需求，以国家“863计划”课题“低成本GNSS/INS深耦合大众车载导航终端与应用示范”为依托，针对城市复杂环境中GNSS信号断续、衰落等问题，研究惯导辅助GPS+北斗的GNSS/INS深组合接收机理论与方法，实现城市复杂环境车载导航中连续高精度GNSS观测值提取，并通过硬件仿真器信号与真实车载信号对该GNSS/INS深组合接收机观测值质量进行测试验证。本文研究工作包括以下几个方面: 1.建立了深组合跟踪误差模型。将惯导误差微分方程和惯性传感器误差模型相结合，得到惯导辅助多普勒误差模型，在此基础上结合接收机跟踪环闭环和开环模型，给出了深组合跟踪通道的误差响应模型。推导了惯性传感器误差模型中建模为随机噪声项的误差响应的统计特性表达式。为闭环跟踪误差分析以及开环跟踪时间上限的定量分析提供了理论工具。 2.研究了FFT鉴频器在有/无惯导辅助时弱信号跟踪和动态跟踪性能。有导航电文辅助时对剥离导航电文的IQ积分序列做FFT变换进行鉴频;在无导航电文辅助时，通过对IQ积分序列进行复数平方去除导航电文影响，然后做FFT变换进行鉴频，并由此推导了广义的非相干锁相环鉴相器。通过使用FFT变换后部分频点鉴频来提高灵敏度，并给出适合硬件实现的部分频点FFT鉴频器的低复杂度实现方法。利用IQ积分值在有信号和无信号时的概率密度函数计算FFT鉴频器灵敏度，通过蒙特卡洛仿真复数平方后FFT鉴频器灵敏度。通过惯导加速度估计误差和FFT鉴频器动态鉴频性能分析了深组合中FFT鉴频器动态灵敏度性能，实现了仿真场景100g加减速动态下20dB-Hz的弱信号跟踪。 3.通过惯导控制的开环跟踪方法有效提高了卫星信号断续时GNSS观测的连续性。通过仿真器信号验证了短时间(5s)载波相位开环跟踪的可行性，并通过通道间辅助提高了载波相位开环跟踪精度;通过仿真器信号和城市复杂环境真实信号验证了较长时间(20s)载波频率和码相位开环跟踪，加快了信号重捕速度，提高了信号的累积锁定时间，并降低了收敛过程中码相位跟踪误差，从而提高了导航定位的可用性和精度。 4.面向城市复杂环境GNSS连续高精度观测的需求，开发了GNSS/INS深组合软件接收机系统，并对系统进行了优化。在集成了前述几项关键技术之外，还包含以下措施和改进: 1)在实现北斗信号处理时，使用补零的FFT快捕避免北斗信号中NH码对捕获的影响; 2)利用码环和载波环跟踪频率之比进行载波频率锁定检测，并结合码环锁定指示器和惯导辅助频率进行稳健的信号锁定检测; 3)利用不同比特相位的相干非相干积分能量进行位同步，利用扩展的帧同步头通过FFT变换进行相干积分实现弱信号条件下可靠的帧同步; 4)利用可变环路带宽的码跟踪环加快了伪码相位跟踪误差收敛，并通过码环阶跃响应给出了环路带宽切换时间; 5)利用惯导辅助窄相关器进行伪距多径误差的抑制; 6)通过惯导外推伪距与通道提取伪距的差值进行低复杂度的伪距粗差检测，并利用低通滤波器提取以上伪距差中包含的卫星位置计算误差以及未校正的电离层误差、对流层误差、接收机钟差和卫星钟差等缓变误差。 5.开展了GNSS/INS深组合软件接收机测试，包括仿真器测试和城市环境实测。通过仿真器信号对比了基带环路在不同参数设置时伪码和载波相位跟踪性能，与典型商用接收机（天宝R9测量型接收机和ublox M8N导航型接收机）对比了伪距观测值和载波相位观测值。仿真测试表明，载波相位跟踪灵敏度高于R9接收机，载波相位跟踪误差小于R9接收机且GNSS信号恢复后重捕速度快于R9接收机;伪距跟踪误差与ublox相当，GNSS信号恢复后重捕速度与ublox相同，收敛过程中伪码误差小于ublox。在真实的城市复杂环境信号测试中，首先对比了GNSS/INS深组合软件接收机工作在无惯导辅助模式和有惯导辅助模式时的定位效果，结果表明在有惯导辅助时其水平定位误差、可定位历元比例和粗差历元比例均优于无惯导辅助模式;其次对比了有惯导辅助模式和商用接收机伪距定位效果，结果表明本文设计的深组合接收机在水平定位误差、可定位历元比例和粗差历元比例方面均优于R9和ublox或与其相当;并针对特定复杂场景进行专项对比，结果表明本文设计的深组合接收机同样在重捕时间、可定位历元比例和水平定位误差方面均优于R9和ublox或与其相当;在较为复杂的路段测试中进行载波相位定位对比时，水平定位误差和固定解次数均优于R9接收机和ublox接收机。 综上所述，本文对标量深组合接收机应用于城市复杂环境车载导航开展了深入研究，完善了深组合基带模型，并分析了FFT鉴频器动态弱信号跟踪能力，针对城市环境中恶劣的GNSS信号条件优化了深组合接收机，并开展了充分的仿真与城市复杂环境车载实测验证。本文深组合软件接收机运算复杂度低，适于移植到嵌入式平台中，并可作为实时硬件接收机产品开发的验证手段和测试平台。本文研究工作显著提升了地面载体运动条件下GNSS接收机在恶劣环境下的信号处理能力，为目前快速发展的自动驾驶所要求的城市复杂环境下连续高精度定位提供了GNSS观测量层面的保障。

目录

声明

摘要

缩略语

1绪论

1．1研究的背景与意义

1．2相关技术研究现状

1．2．1复杂环境接收机相关技术研究现状

1．2．2复杂环境深组合相关技术研究现状

1．3研究目标

1．4论文的章节安排

2 GNSS接收机与惯性导航原理

2．1引言

2．2．1 GNSS信号结构

2．2．2 GNSS接收机结构

2．2．3 GNSS接收机信号模型

2．2．4信号捕获与跟踪

2．2．5环路测量误差

2．2．6观测量提取

2．3接收机导航解算与差分定位

2．3．1单点定位

2．3．2伪距双差

2．3．3载波相位双差

2．4惯性导航和组合导航原理

2．4．1参考坐标系

2．4．2惯性导航方程

2．4．3惯导误差微分方程

2．4．4卡尔曼滤波

2．5本章小结

3复杂环境下GNSS信号跟踪理论与方法

3．1引言

3．2基于FFT鉴频器的跟踪模型

3．2．1 FFT鉴频器跟踪模型

3．2．2 FFT鉴频器工作原理

3．2．3频率跟踪误差

3．3 FFT鉴频器弱信号处理能力分析

3．3．1低动态时FFT鉴频器灵敏度分析

3．3．2恒加速动态时FFT鉴频器灵敏度分析

3．3．3 FFT鉴频器鉴频误差

3．4能量鉴频器

3．4．1超前减滞后鉴频器

3．4．2频率精化法鉴频器

3．4．3双级载波NCO鉴频器

3．4．4能量鉴频器性能分析

3．5载波相位开环跟踪

3．5．1载波相位开环跟踪原理

3．5．2载波相位开环跟踪误差分析

3．6本章小结

4复杂环境下深组合跟踪理论与方法

4．1引言

4．2标量深组合系统

4．2．1标量深组合系统结构

4．2．2载波频率辅助信息计算

4．3惯导误差传递模型

4．3．1惯导速度误差模型

4．3．2惯性传感器误差模型

4．4深组合闭环误差建模及分析

4．4．1深组合闭环传递函数

4．4．2 PLL环路跟踪误差

4．4．3深组合跟踪环误差模型

4．4．4深组合跟踪环误差分析

4．5深组合开环误差建模及分析

4．5．1深组合开环跟踪模型

4．5．2开环载波相位跟踪误差

4．5．3开环载波相位跟踪误差分析

4．5．4开环载波频率跟踪误差

4．5．5开环载波频率跟踪误差分析

4．6惯导辅助FFT鉴频器

4．6．1惯导辅助FFT鉴频器结构

4．6．2惯导辅助FFT鉴频器动态跟踪能力分析

4．7本章小结

5深组合接收机设计与优化

5．1引言

5．2深组合接收机系统设计

5．2．1软件深组合接收机系统结构

5．2．2软件深组合接收机工作流程

5．3北斗基带信号处理

5．3．1添加NH码的信号捕获

5．3．2添加NH码的信号跟踪

5．4弱信号处理算法优化

5．4．1部分频点FFT和SFFT鉴频器优化

5．4．2信号锁定检测器

5．4．3位同步

5．4．4帧同步

5．5．1开环跟踪

5．5．2闭环收敛

5．5．3惯导辅助窄相关

5．5．4惯导辅助观测值粗差检测

5．6本章小结

6系统性能测试与分析验证

6．1引言

6．2基带跟踪环路测试

6．2．1强信号伪码测试

6．2．2强信号载波相位测试

6．2．3弱信号伪码测试

6．2．4弱信号载波相位测试

6．2．5静态信号开环载波相位测试

6．2．6动态信号开环载波相位测试

6．3载波相位观测值对比测试

6．3．1静态强信号对比测试

6．3．2动态强信号对比测试

6．3．3静态弱信号对比测试

6．3．4动态弱信号对比测试

6．3．5遮挡后载波相位恢复

6．4．1动态弱信号伪距

6．4．2遮挡后伪距恢复

6．5车载测试分析

6．5．1伪距定位测试

6．5．2典型场景伪距定位对比

6．5．3精密定位对比测试

6．6本章小结

7总结与展望

7．1工作总结与创新点

7．2工作展望

参考文献

攻博期间的科研成果

致谢