独立组网的地基伪卫星与惯性导航组合系统的研究

摘要

独立组网的地基伪卫星系统可以提供高精度、高频率的导航定位信息，但是受环境的影响，当伪卫星信号被遮挡使得可见伪卫星数目不足4颗时，用户接收机无法正常解算。惯性导航系统(INS)是一种无源的自主式导航系统，不受外界环境的影响，但是由于自身工作原理导致导航定位误差会随时间累积，所以纯惯导系统通常不能长时间单独工作。独立组网的地基伪卫星与惯性导航组合系统可以很好地解决上述问题，它不仅可以弥补惯性导航系统误差随时间发散的问题，同时也可以在伪卫星接收机因为某种问题无法定位解算时的短暂阶段由惯性导航单独工作并不间断的提供导航定位结果。故论文对独立组网的地基伪卫星与惯性导航组合系统进行了研究，论文的主要研究成果如下：　　(1)在对惯性导航系统原理进行深入研究的基础上，利用Matlab/Simulink构建了该系统的速度解算、姿态解算、位置解算模型。通过该模型对系统误差进行了仿真分析，通过仿真结果验证了捷联惯导理论及算法的正确性，分析得到纯惯导系统误差会随时间积累的特性。　　(2)简要介绍了独立组网的地基伪卫星系统的定位原理及系统构成，针对地基伪卫星系统误差源中四个主要的问题远近效应、多径效应、基站布设位置和时间同步问题进行了分析与研究，并在厦门海润码头进行了实际的基站布设与定位测试。通过测试得到了独立组网的地基伪卫星系统具有高精度、高数据更新频率但定位结果受环境影响较严重的结论。　　(3)针对惯性导航和独立组网的地基伪卫星系统的优劣性，对卡尔曼滤波在组合导航中的应用进行了研究。建立了以位置、速度为观测量的松组合卡尔曼滤波仿真模型。仿真结果表明组合导航系统能够有效抑制捷联惯性导航系统导航参数误差的发散，取得了较好的效果。为了增加系统的可靠性，设计了一种组合导航工作模式判别的方法，该方法会在组合系统进入卡尔曼滤波器前对惯性导航和伪卫星系统的测量信息进行分析和研究，判断导航信息是否可靠，并以此为依据选择进入哪一种导航模式。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 导航系统简介

1.2.1 地基伪卫星系统简介

1.2.2 惯性导航系统简介

1.2.3 地基伪卫星与惯性导航组合系统简介

1.3 国内外研究现状

1.3.1 惯性导航系统研究现状

1.3.2 地基伪卫星系统研究现状

1.3.3 地基伪卫星与惯性导航组合系统研究现状

1.4 本文研究的主要内容及论文架构

第2章 惯导基础理论与导航算法仿真

2.1 常用坐标系及转换关系

2.1.1 常用坐标系简介

2.1.2 常用坐标系之间的相互转换

2.2 惯性导航基础理论

2.3 捷联惯性导航算法

2.4 惯性导航系统仿真

2.4.1 惯性器件仿真模型

2.4.2 捷联惯性导航仿真

2.4.3 仿真结果及分析

2.5 小结

第3章 独立组网的地基伪卫星系统研究与测试

3.1 独立组网的地基伪卫星系统定位原理

3.1.1 伪距观测量

3.1.2 载波相位观测量

3.2 独立组网地基伪卫星系统硬件构成

3.2.1 射频模块

3.2.2 中频模块

3.2.3 基带处理模块

3.3 独立组网的地基伪卫星系统误差源分析

3.3.1 远近效应

3.3.2 多路径效应

3.3.3 基站布设位置

3.3.4 时钟同步

3.4 独立组网的地基伪卫星系统码头测试

3.4.1 独立组网的地基伪卫星系统码头布站

3.4.2 地基伪卫星系统码头测试结果

3.5 小结

第4章 组合导航系统卡尔曼滤波器的设计

4.1 卡尔曼滤波技术

4.2 组合导航中的组合方式

4.2.1 松组合系统

4.2.2 紧组合系统

4.2.3 深组合系统

4.3 松组合导航系统误差模型

4.4 松组合导航系统卡尔曼滤波器设计

4.5 松组合系统仿真结果及结论

4.6 小结

第5章 组合导航工作模式设计

5.1 组合导航工作模式简介

5.2 组合导航工作模式判决

5.2.1 零速校正模式

5.2.2 纯惯导系统模式

5.2.3 纯伪卫星定位系统模式

5.3 小结

总 结 与 展 望

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间发表的学术论文和软件著作权）