1、21世紀(jì)是信息技術(shù)高速發(fā)展的時(shí)代，牽引并依賴于信息技術(shù)的精確制導(dǎo)技術(shù)也將進(jìn)一步加速發(fā)展。20世紀(jì)末發(fā)展成熟的精確制導(dǎo)技術(shù)在21世紀(jì)將發(fā)展成為實(shí)用化技術(shù)。目前，低成本導(dǎo)航與制導(dǎo)技術(shù)是發(fā)展實(shí)用化精確制導(dǎo)技術(shù)的首要內(nèi)容。MEMS IMU/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有成本低、體積小、重量輕、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此在汽車定位、精細(xì)農(nóng)用機(jī)械車輛導(dǎo)航、林區(qū)防火的無人機(jī)、精確制導(dǎo)武器、衛(wèi)星探測(cè)等方面具有非常重要的應(yīng)用價(jià)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(dòng)態(tài)GNSS/INS組合導(dǎo)航快速初始對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的研究，并對(duì)組合導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。結(jié)合新一代組合制導(dǎo)系統(tǒng)的研制現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，為進(jìn)一步提高GNSS動(dòng)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(jìn)行了更深入的MEMS IMU/GNSS組合導(dǎo)航技術(shù)研究。
　　 由于載體對(duì)象的高動(dòng)態(tài)特點(diǎn)，其上裝載的GNSS接收機(jī)在捕獲信號(hào)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(yán)重影響。本論文以MEMS IMU/GNSS超緊組合為研究目標(biāo)，并以MEMS IMU環(huán)路輔助的GNSS/INS緊組合技術(shù)為研究重點(diǎn)，深入研究了MEMS IMU輔助的GNSS信號(hào)捕獲、MEMS IMU輔助的GNSS信號(hào)跟蹤、MEMS IMU輔助的GNSS/INS緊組合導(dǎo)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(dǎo)航系統(tǒng)在衛(wèi)星信號(hào)衰減場(chǎng)合中的性能。主要的研究思路

4、和工作體現(xiàn)在以下五個(gè)方面：
　　 1.調(diào)研分析國內(nèi)外GNSS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)以及基于MEMS的GNSS/INS組合制導(dǎo)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(shí)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(duì)高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)所帶來的GNSS信號(hào)捕獲時(shí)間變長的問題，從機(jī)理上分析IMU速度輔助GNSS接收機(jī)的信號(hào)捕獲方法和流程，建立

5、衡量信號(hào)捕獲性能的指標(biāo)，著重研究MEMS IMU輔助時(shí)影響捕獲性能的載體多普勒誤差和由其導(dǎo)致的捕獲搜索區(qū)間，定量評(píng)估比較GNSS接收機(jī)在MEMS IMU輔助前后的捕獲性能，開展捕獲實(shí)驗(yàn)。
　　 3.在信號(hào)跟蹤誤差和抗干擾指標(biāo)計(jì)算的研究基礎(chǔ)之上，設(shè)計(jì)適用于高動(dòng)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(jì)問題，評(píng)估比較MEMS IMU輔助前后接收機(jī)的動(dòng)態(tài)跟蹤性能和抗干擾性能，開

6、展跟蹤實(shí)驗(yàn)。
　　 4.研究組合導(dǎo)航系統(tǒng)的定位性能和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。建立MEMS IMU環(huán)路輔助的GNSS/INS緊組合導(dǎo)航物理實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)，從系統(tǒng)可觀性分析的角度設(shè)計(jì)基于單通道的全維組合濾波器，進(jìn)而研究降維濾波算法；構(gòu)建仿真系統(tǒng)和仿真場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證算法的有效性，全面評(píng)估系統(tǒng)的導(dǎo)航精度；著重分析組合導(dǎo)航系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的兩個(gè)時(shí)間同步問題，即組合導(dǎo)航Kalman濾波器中MEMS IMU和GNSS量測(cè)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(hào)之間的數(shù)據(jù)同步，提出解決方案，研制基于FPGA的時(shí)間同步系統(tǒng)，并進(jìn)行地面驗(yàn)證。
　　 5.為進(jìn)一步提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和抗干擾能力，在GNSS接收機(jī)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(dǎo)航技術(shù)，分析超緊組合導(dǎo)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(jì)，提出機(jī)載一體化MEMS IMU/GNSS超緊組合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(gè)方面：
　　 1.構(gòu)建了MEMS IMU環(huán)路輔助GNSS接收機(jī)捕獲和跟蹤性能的評(píng)估方法，從而確定了GNSS接收機(jī)經(jīng)MEMS IMU輔助前后的捕獲時(shí)間、信號(hào)跟蹤門限、帶寬門限和前端抗干擾能力，為滿足高動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境需求的MEMS IMU輔助的接收機(jī)環(huán)路參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)，對(duì)工程樣機(jī)的研制具有重要的參考價(jià)值。
　　 2.設(shè)計(jì)了一種適用于高動(dòng)態(tài)的MEMS IMU輔助GNSS接收機(jī)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(jī)帶寬設(shè)計(jì)范圍，從而使接收機(jī)可以在要求的載噪比變換范圍內(nèi)穩(wěn)定跟蹤信號(hào)，為接收機(jī)環(huán)路參數(shù)的設(shè)計(jì)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(dǎo)航濾波器狀態(tài)變量中接收機(jī)鐘差和鐘漂的影響，不僅減小了微處理器計(jì)算負(fù)荷、提高了效率，而且在衛(wèi)星信號(hào)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(duì)于組合系統(tǒng)

10、工程化發(fā)展具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(hào)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(duì)于超緊組合導(dǎo)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(diǎn)：
　　 1.MEMS IMU輔助接收機(jī)環(huán)路時(shí)，接收機(jī)在冷啟動(dòng)下捕獲時(shí)間縮短30％，在溫啟動(dòng)下縮短96％，在熱啟動(dòng)下重捕能

11、力提高40％。溫啟動(dòng)模式下，慣性輔助對(duì)接收機(jī)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(jī)平臺(tái)捕獲實(shí)驗(yàn)，結(jié)果反映接收機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)捕獲效率提高了33.8％，驗(yàn)證了評(píng)估結(jié)論。
　　 2.為滿足10g/s加加速度的高動(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境，高動(dòng)態(tài)接收機(jī)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(dòng)態(tài)應(yīng)用環(huán)境中，經(jīng)MEMS IMU輔助后，GNSS接收機(jī)三階PLL的帶寬門限由18 Hz降低到1Hz，信號(hào)跟蹤門限由28dB-Hz降低到21dB-Hz，接收機(jī)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(dǎo)航性能，其中衛(wèi)星信號(hào)良好時(shí)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(diǎn)運(yùn)算能力上