深组合导航系统中的滤波技术研究

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近些年来,各领域对导航系统的应用性能要求越来越高。惯性导航系统和卫星导航系统是目前在人类社会中,使用最为广泛的两类导航定位系统。通过对惯性导航信息和卫星导航信息进行深层次的耦合,可以把两子系统的优点互容结合,这样就可以提升深组合系统的整体性能。这样说来,作为导航领域研究热点、难点的惯性/卫星深组合导航技术,对导航系统性能的提升具有重大意义。本文主要针对惯性/卫星深组合导航系统的基带环路、跟踪算法、组合滤波以及相关技术,开展了深入的研究,具体内容如下:首先,对深组合导航技术领域的研究背景,及其国内外研究现状进行了简要介绍。并且概述了本篇论文的研究意义和主要内容。根据北斗导航电文中D1电文的编码结构,分析了NH码的特点和作用。在对深组合系统的子系统之间的杆臂效应误差作出分析的基础上,对其子系统间的加速度杆臂效应误差补偿进行了研究,并通过载体速度仿真进行了补偿验证。对基带跟踪环路误差进行了分析和研究,了解了跟踪环路中的误差及其特点,为下文研究提供了基础。然后,在对常用码环鉴相算法作出数学分析的基础上,针对提高码相位估计精度,基于极大似然估计,通过设计代价函数、码相位估计函数等过程,提出了一种改进的基于极大似然估计的码环鉴相器,并进行了软件接收机仿真实验验证。通过仿真实验结果,比较码环鉴相误差,证明了所设计算法的有效性。接着,针对在深组合中,载体高动态运动时Sage-Husa滤波方法的缺陷,设计了一种基于指数修正因子的Sage-Husa自适应滤波方法作为组合导航滤波器。同时,针对在深组合动态环境中,渐消滤波的渐消因子受经验值限制难以确定的问题,设计了一种基于指数渐消因子的渐消自适应滤波方法。从研究惯性/卫星深组合导航系统的框架结构入手,在对深组合系统的数学联系作深层推导的基础上,设计了深组合导航滤波器的状态方程和观测方程。并基于此,通过输入仿真载体动态轨迹,对改进的组合导航滤波算法进行仿真实验。实验结果说明了两种改进方法具有良好的效果,尤以基于指数修正因子的Sage-Husa自适应滤波方法滤波精度更高。最后,在软件导航接收机的基础上,设计了基于Matlab的深组合导航系统仿真实验平台。并设计了基于FPGA和DSP的惯性/北斗深组合导航系统硬件平台的总体框架。并基于此FPGA/DSP硬件实验平台,针对北斗导航系统的GEO卫星和非GEO卫星子帧周期不一致所导致的伪距值提取跳变问题,为硬件平台设计了一种改进的伪距值测量提取方式。通过硬件实验平台的实际测试,证明问题得到解决,系统的稳定性得到了提高。
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