[發明專利]一種慣性輔助GPS接收機實現方法

有效

• 申請號: 201410259221.0
• 申請日: 2014-06-11
• 公開（公告）號: CN103995272B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 陳熙源;王熙贏;方琳;崔冰波;宋銳;湯傳業
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01S19/47
• 分類號: G01S19/47
• 代理公司: 江蘇永衡昭輝律師事務所32250
• 代理人: 王斌

技術領域

本發明涉及一種新型INS輔助的GPS接收機系統，此GPS接收機系統方案具有優良的高動態性能，適用于高速戰斗機、導彈等高動態環境下的GPS定位應用。

背景技術

全球定位系統GPS(Global?Positioning?System)是目前使用最廣泛的衛星導航與定位系統,大量應用在民用和軍事領域,尤其是在精確制導導彈等高動態環境下的應用更顯重要。對于安裝在運動載體上的GPS接收機，根據載體運動的速度和加速特性，可以將GPS接收機的工作環境劃分為靜態環境、中低動態環境和高動態三種。通常情況下，將具有較高的速度、加速度和加加速度的載體運動環境定義為高動態環境。以典型的GPS高動態應用環境，高性能殲擊機的機動參數為例，其最高橫滾角速度最高可達±500°/s，最高角加速度為±1500°/s²，最高線加速度為15g/s，g為重力加速度。傳統的GPS接收機通常采用延遲鎖定換(Delay?Lock?Loop)和鎖頻換(Frequency?Lock?Loop)對載波信號進行跟蹤。而在高動態環境中，由載體的高速機動引起的GPS信號多普勒頻移很大，多普勒頻移變化率很高，因此在沒有諸如慣性器件等外部輔助的條件下，傳統的GPS接收機的跟蹤環路很容易失去對GPS信號的跟蹤鎖定。國內外針對高動態環境下的GPS接收機技術做了大量研究，其中比較有代表性的就是INS/GPS超緊組合方案，超緊組合是一種INS、GPS深層次的組合方式，在GPS為INS提供誤差矯正信息的同時，矯正后的INS可以輔助GPS跟蹤環路中的載波/碼NCO(數控振蕩器)，對高動態的GPS信號進行跟蹤。在這種組合系統中，GPS載波環帶寬可降至1-2Hz，使抗干擾能力較單純GPS接收機提高約15dB。

發明內容

本發明解決的技術問題是：克服傳統GPS接收機在高動態環境下性能的不足，提出一種INS輔助的GPS接收機，可實現GPS接收機在高動態環境下的可靠工作。

本發明的技術解決方案為：一種新型慣性輔助GPS接收機實現方法，其特征在于，由INS(慣性導航系統)、采樣頻率可調的GPS(全球衛星定位系統)衛星接收機射頻前端、GPS衛星接收機基帶處模塊、INS/GPS組合濾波器組成；INS慣性導航系統由三個光纖陀螺儀和三個石英加速度計組成；采樣頻率可調的GPS衛星接收機射頻前端由GPS天線、低噪聲放大器、帶通濾波器、混頻器及多個采樣ADC組成；GPS衛星接收機基帶處模塊可以是由FPGA(現場可編程門陣列)和DSP(數字信號處理器)開發的軟件無線電接收機，也可以是專用的ASIC(Application?Specific?Integrated?Circuit)集成電路；INS/GPS組合導航濾波器為卡爾曼濾波器。其特點在于：INS輔助GPS接收機進行GPS信號跟蹤通過下列步驟實現：

(1)首先啟動INS導航裝置、GPS導航裝置，得到地心地固坐標系下的INS導航數據(經度、緯度、高度)、GPS導航數據(經度、緯度、高度)及GPS導航電文；

(2)啟動INS/GPS組合導航濾波器，通過組合導航濾波器將INS導航數據(經度、緯度、高度)和GPS導航數據(經度、緯度、高度)進行數據融合，估計得到GPS導航數據和INS導航數據的定位誤差，并利用得到的定位誤差修正GPS定位信息和INS定位信息，提高GPS接收機定位精度，消除INS導航系統積累的定位誤差；

(3)利用GPS導航電文中的數據計算出當前時刻GPS衛星在地心地固坐標系中的位置，然后利用GPS衛星的位置和修正后的INS定位信息計算出GPS接收機相對于每顆GPS衛星的多普勒頻移；

(4)將每顆GPS衛星的多普勒頻移換算成GPS接收機接收到的中頻信號波長的變化率，根據波長變化率調節GPS接收機射頻前端中各通道ADC的采樣頻率，使ADC在中頻信號波長變化后仍然可以在不變的位置進行采樣。

本發明的原理是：在高動態環境下，當裝有GPS接收機的載體做高加加速度運動時，GPS接收機接收到的GPS信號具有非常大的多普勒頻率變化率，導致GPS接收機跟蹤環路中的鎖相環失鎖。利用INS系統對高動態運行測量的優勢，通過INS導航數據動態的控制GPS接收機射頻前端中的ADC采樣間隔，抵消由于多普勒頻移導致的ADC采樣點變化，降低GPS接收機跟蹤環路中載波頻率的變化，最終達到INS輔助GPS接收機進行載波跟蹤的目的。