大动态资料总结.doc

一、大动态定义 大动态通常解释为定位目标具有较高速度、加速度和加加速度，载体的运动速度一般大于1 km/ s。对于大动态环境中的GPS信号接收机，接收机载体相对于卫星处于高速运动中，将产生较大的多普勒频移附加在GPS载波信号上，载波多普勒频移可以高达±46kHz，可能会超出接收机的有哪些信誉好的足球投注网站范围，致使难以捕获导航信号。 较高的动态产生的问题包括以下几点： 大的动态导致GPS接收信号载波频率的多普勒频移产生剧烈变化，接收信号多普勒频率的大小是接收机和卫星相对运动速度(径向速度v)和发射频率的函数。 码的多普勒效应导致调制在载波上的伪随机码的传输速率产生大小为的偏差(此值可正可负)，或大小为的伪码延时(或超前)，其中为采样间隔，k为一个码周期的采样次数。当存在较大的相对加速度时，这个偏差是随时间而动态地变化的，这将给同步跟踪，距离测量带来较大困难。 二、大动态 GPS/INS 组合导航系统介绍 GPS和INS是目前两种主要的导航系统。在高动态情况下，载体的动态应力对GPS接收机跟踪环的影响很大，很容易造成跟踪环失锁使接收机失去导航能力。INS具有抗电子干扰、大机动飞行、隐蔽性好的特点。在高动态环境下采用INS速度辅助 GPS 接收机环路可以有效地提高GPS接收机的性能，满足在高动态环境下的导航要求。目前，在大动态环境中的定位都采用GPS/INS 组合导航。 1、INS 速度辅助的接收机环路分析 在 GPS 接收机所接收的卫星信号中，掺杂着干扰噪声，为了减小外界干扰噪声对系统测量的影响，要求环路滤波器的带宽小越好。但滤波器的带宽又直接影响整个跟踪回路的等效环路带宽，若滤波器的带宽很小，则可能无法满足飞行器高动态飞行的要求。为此，将 INS 测得的载体速度信息作为一个辅助信号加到跟踪环路上，即 INS 速度辅助 GPS 接收机环路。惯导速度的辅助，使跟踪环路带宽大大增大，使系统能很好的跟踪飞行器的大机动飞行。 图1 INS速度辅助GPS接收机环路方框图 图1为 INS 速度辅助 GPS 接收机跟踪环的原理图。a /( s + a)是用来限制惯性传感器带宽的低通滤波器， w(s )为外部相位噪声，e ( s )为INS估计的多普勒频移误差。载体相对于卫星的速度引起多普勒频移，在接收机跟踪环内，INS速度辅助实际上是将速度转化为多普勒频移，通过这种前馈模型惯导系统对载波锁相环提供外部频率辅助，使这种组合模式比单纯的锁相环获得更加优异的性能，使等效环路带宽大大增大，对载体的动态跟踪能力更强。 假设e(s)的输入为零，则有 当惯导系统的带宽越来越大时（a→∞），系统传递函数(s)，这说明只要惯导系统的带宽足够大，INS 速度辅助的跟踪环就可以跟踪载体的任何机动运动。环路滤波器的设计可以不考虑载体的高动态应力。由于实际的INS估计多普勒频移存在误差，跟踪环还需要跟踪其他因素造成的多普勒影响。由e(s)造成的频率误差为 在 INS 速度辅助接收机环路设计中，环路带宽和噪声抑制能力还要综合考虑，但是与未辅助环路相比，不需要考虑载体的高动态影响，环路带宽可以做的更低些，因此对噪声的抑制能力更强。 图2 INS辅助GPS接收机跟踪环结构图 在载波跟踪环中，有两路环路滤波器，环路滤波器 1 用于 INS 辅助跟踪环，环路滤波器 2 用于常规接收机跟踪环。接收机可以在两者之间切换。组合导航系统启动时，接收机跟踪环使用环路滤波器 2，当接收机将卫星星历提取完毕并送入 INS 模块中，此时 INS 就可以计算用户相对于每颗卫星的多普勒频移，将估计的多普勒频移送入载波跟踪环，接收机切换到环路滤波器 1，此时接收机工作于 GPS/INS 组合导航模式下。 GPS/INS 组合导航系统组合模式 由于 INS 辅助 GPS 接收机环路要涉及到 GPS 接收机内部，目前 GPS 接收机基本上都采用ASIC 芯片，没有提供外部接口控制跟踪环路参数。考虑到目前的硬件限制，采用软件来实现，使用 GPS 软件接收机来代替硬件接收机。 图3 INS辅助GPS接收机组合导航原理图 GPS 接收机和惯性导航系统的组合，根据不同的应用要求可以有不同水平的组合，按照组合深度，可以把组合系统大体分为三种，即松组合、紧组合和超紧组合。 图4 GPS/INS松组合、紧组合和超紧组合结构图 三、对频率跟踪的几种算法 为检测大动态GPS信号，需要设计码环及载波环的捕获与跟踪数字系统。在高动态下，在GPS信号的码跟踪和载波捕获与跟踪问题中最关键的是要解决在高加速度下的载波跟踪问题。 扩展卡尔曼滤波( EKF) 扩展卡尔曼滤波的方法是针对已解扩的中频信号进行的, 该算法的基本思路是将载波相位线性化,并取线性化后的三阶或四阶导数项为状态向量, 再依通常的EKF 方法进行状态估计。 因为载波相位可由频率轨迹的积