MEMS IMU-GNSS超緊組合導航技術(shù)研究.pdf

1、21世紀是信息技術(shù)高速發(fā)展的時代，牽引并依賴于信息技術(shù)的精確制導技術(shù)也將進一步加速發(fā)展。20世紀末發(fā)展成熟的精確制導技術(shù)在21世紀將發(fā)展成為實用化技術(shù)。目前，低成本導航與制導技術(shù)是發(fā)展實用化精確制導技術(shù)的首要內(nèi)容。MEMS IMU/GNSS組合導航系統(tǒng)具有成本低、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點，因此在汽車定位、精細農(nóng)用機械車輛導航、林區(qū)防火的無人機、精確制導武器、衛(wèi)星探測等方面具有非常重要的應(yīng)用價值。
　　 受2008年上海航天技

2、術(shù)研究院科研基金的資助，本文作者開展了高動態(tài)GNSS/INS組合導航快速初始對準技術(shù)的研究，并對組合導航系統(tǒng)進行了設(shè)計。結(jié)合新一代組合制導系統(tǒng)的研制現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，為進一步提高GNSS動態(tài)性能、抗干擾能力以及其和MEMS IMU集成的組合系統(tǒng)定位能力，本文進行了更深入的MEMS IMU/GNSS組合導航技術(shù)研究。
　　 由于載體對象的高動態(tài)特點，其上裝載的GNSS接收機在捕獲信號和跟蹤定位上面臨很大的挑戰(zhàn)，因此致使GNSS/IN

3、S組合系統(tǒng)的定位效果受到嚴重影響。本論文以MEMS IMU/GNSS超緊組合為研究目標，并以MEMS IMU環(huán)路輔助的GNSS/INS緊組合技術(shù)為研究重點，深入研究了MEMS IMU輔助的GNSS信號捕獲、MEMS IMU輔助的GNSS信號跟蹤、MEMS IMU輔助的GNSS/INS緊組合導航定位算法和基于矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的GNSS/INS超緊組合算法，旨在改善MEMS IMU/GNSS組合導航系統(tǒng)在衛(wèi)星信號衰減場合中的性能。主要的研究思路

4、和工作體現(xiàn)在以下五個方面：
　　 1.調(diào)研分析國內(nèi)外GNSS/INS組合導航技術(shù)以及基于MEMS的GNSS/INS組合制導系統(tǒng)的服役現(xiàn)狀，結(jié)合課題的技術(shù)需求和工程可實現(xiàn)性，確定MEMS慣性器件環(huán)路輔助的GNSS/INS緊組合研究內(nèi)容和基于矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的GNSS/MEMS INS組合研究方案。
　　 2.針對高動態(tài)運動所帶來的GNSS信號捕獲時間變長的問題，從機理上分析IMU速度輔助GNSS接收機的信號捕獲方法和流程，建立

5、衡量信號捕獲性能的指標，著重研究MEMS IMU輔助時影響捕獲性能的載體多普勒誤差和由其導致的捕獲搜索區(qū)間，定量評估比較GNSS接收機在MEMS IMU輔助前后的捕獲性能，開展捕獲實驗。
　　 3.在信號跟蹤誤差和抗干擾指標計算的研究基礎(chǔ)之上，設(shè)計適用于高動態(tài)的純GNSS和IMU輔助的GNSS環(huán)路結(jié)構(gòu)、鑒相器類型和環(huán)路參數(shù)，研究環(huán)路帶寬門限和最優(yōu)帶寬的設(shè)計問題，評估比較MEMS IMU輔助前后接收機的動態(tài)跟蹤性能和抗干擾性能，開

6、展跟蹤實驗。
　　 4.研究組合導航系統(tǒng)的定位性能和系統(tǒng)實現(xiàn)。建立MEMS IMU環(huán)路輔助的GNSS/INS緊組合導航物理實現(xiàn)結(jié)構(gòu)，從系統(tǒng)可觀性分析的角度設(shè)計基于單通道的全維組合濾波器，進而研究降維濾波算法；構(gòu)建仿真系統(tǒng)和仿真場景實驗，驗證算法的有效性，全面評估系統(tǒng)的導航精度；著重分析組合導航系統(tǒng)實現(xiàn)的兩個時間同步問題，即組合導航Kalman濾波器中MEMS IMU和GNSS量測數(shù)據(jù)之間的同步，以及由MEMS IMU獲取的GNS

7、S環(huán)路控制信息和GNSS基帶信號之間的數(shù)據(jù)同步，提出解決方案，研制基于FPGA的時間同步系統(tǒng)，并進行地面驗證。
　　 5.為進一步提高系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾能力，在GNSS接收機矢量跟蹤技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究基于矢量跟蹤結(jié)構(gòu)的MEMS IMU/GNSS超緊組合導航技術(shù)，分析超緊組合導航結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置，研究基于定常加速度模型的超緊組合算法和濾波器設(shè)計，提出機載一體化MEMS IMU/GNSS超緊組合系統(tǒng)的設(shè)計方案。
　　 本文

8、的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新性主要體現(xiàn)在以下四個方面：
　　 1.構(gòu)建了MEMS IMU環(huán)路輔助GNSS接收機捕獲和跟蹤性能的評估方法，從而確定了GNSS接收機經(jīng)MEMS IMU輔助前后的捕獲時間、信號跟蹤門限、帶寬門限和前端抗干擾能力，為滿足高動態(tài)應(yīng)用環(huán)境需求的MEMS IMU輔助的接收機環(huán)路參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供依據(jù)，對工程樣機的研制具有重要的參考價值。
　　 2.設(shè)計了一種適用于高動態(tài)的MEMS IMU輔助GNSS接收機的環(huán)路結(jié)構(gòu)

9、(IMU輔助的三階PLL和PLL輔助的二階DLL)，提出了帶寬門限的迭代求解方法，確定了接收機帶寬設(shè)計范圍，從而使接收機可以在要求的載噪比變換范圍內(nèi)穩(wěn)定跟蹤信號，為接收機環(huán)路參數(shù)的設(shè)計提供了便捷、有效的方法。
　　 3.提出了一種基于雙通道星間差分的降維濾波算法，抵消了組合導航濾波器狀態(tài)變量中接收機鐘差和鐘漂的影響，不僅減小了微處理器計算負荷、提高了效率，而且在衛(wèi)星信號狀況良好和較差的環(huán)境中都可以確保良好的定位精度，對于組合系統(tǒng)

10、工程化發(fā)展具有實際應(yīng)用價值。
　　 4.提出了一種基于遞推Kalman濾波方法的軟件同步方案，解決了MEMSIMU獲取的GNSS環(huán)路控制信息和GNSS基帶信號之間的數(shù)據(jù)同步問題，從而解決了超緊組合技術(shù)中的關(guān)鍵問題，對于超緊組合導航系統(tǒng)的開發(fā)具有建設(shè)性的意義。
　　 本文的研究結(jié)論主要有以下五點：
　　 1.MEMS IMU輔助接收機環(huán)路時，接收機在冷啟動下捕獲時間縮短30％，在溫啟動下縮短96％，在熱啟動下重捕能

11、力提高40％。溫啟動模式下，慣性輔助對接收機捕獲性能的提高最顯著。因此，MEMS IMU輔助的捕獲技術(shù)在民用方面也具有廣闊的應(yīng)用前景?；贛AX2769 GNSS軟件接收機平臺捕獲實驗，結(jié)果反映接收機冷啟動時捕獲效率提高了33.8％，驗證了評估結(jié)論。
　　 2.為滿足10g/s加加速度的高動態(tài)應(yīng)用環(huán)境，高動態(tài)接收機在環(huán)路結(jié)構(gòu)方面需采用三階PLL環(huán)路和PLL輔助的二階DLL，在鑒相器選型方面需采用二象限反正切型PLL鑒相器和開方后

12、歸一化型DLL鑒相器。
　　 3.在10g/s加加速度的高動態(tài)應(yīng)用環(huán)境中，經(jīng)MEMS IMU輔助后，GNSS接收機三階PLL的帶寬門限由18 Hz降低到1Hz，信號跟蹤門限由28dB-Hz降低到21dB-Hz，接收機整體抗干擾性能提高7.4dB。
　　 4.基于星間差分的降維濾波算法和全維濾波算法具有同等的導航性能，其中衛(wèi)星信號良好時3D位置誤差(MRS)約為7m，3D速度誤差為0.2 m/s。在微處理器的浮點運算能力上