隨著導(dǎo)航與位置服務(wù)產(chǎn)業(yè)的興起以及國內(nèi)汽車市場的發(fā)展,城市復(fù)雜環(huán)境車載導(dǎo)航需求持續(xù)增長,目前炙手可熱的自動駕駛和無人機(jī)同樣對連續(xù)、可靠的分米級甚至厘米級定位導(dǎo)航需求旺盛,而全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)是其支柱手段之一。工業(yè)界正積極研發(fā)高精度、低成本的GNSS定位導(dǎo)航授時終端產(chǎn)品。傳統(tǒng)導(dǎo)航型GNSS接收機(jī)注重解決城市復(fù)雜環(huán)境下接收機(jī)靈敏度而忽視了 GNSS觀測精度問題;而測量型接收機(jī)只能用于開闊環(huán)境下的高精度觀測和定位�；趹T性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)與衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的組合導(dǎo)航被廣泛應(yīng)用于車載導(dǎo)航,但傳統(tǒng)的組合方法為松組合和緊組合,均是GNSS和INS在數(shù)據(jù)處理層面的信息融合,且主要是GNSS接收機(jī)對慣導(dǎo)系統(tǒng)的輔助,而對接收機(jī)系統(tǒng)底層的信號處理性能沒有作用。為了以低成本實(shí)現(xiàn)城市復(fù)雜環(huán)境下高精度導(dǎo)航定位,需要提高GNSS接收機(jī)的原始觀測值質(zhì)量,而深組合由于利用慣導(dǎo)動態(tài)信息輔助接收機(jī)的基帶信號處理,可有效改善接收機(jī)基帶的動態(tài)特性和跟蹤精度,提高輸出觀測值的品質(zhì)。GNSS/INS深組合系統(tǒng)由于具有優(yōu)良的動態(tài)性能,其研究和應(yīng)用主要是高動態(tài)和強(qiáng)干擾環(huán)境,國外已將其應(yīng)用于靈巧彈藥制導(dǎo)。而隨著深組合技術(shù)向民用領(lǐng)域的延伸以及車載導(dǎo)航的發(fā)展,國外部分廠商已經(jīng)推出了帶有部分深組合功能的車載導(dǎo)航產(chǎn)品。本文針對高精度、低成本的城市環(huán)境車載導(dǎo)航需求,以國家“863計(jì)劃”課題“低成本GNSS/INS深耦合大眾車載導(dǎo)航終端與應(yīng)用示范”為依托,針對城市復(fù)雜環(huán)境中GNSS信號斷續(xù)、衰落等問題,研究慣導(dǎo)輔助GPS+北斗的GNSS/INS深組合接收機(jī)理論與方法,實(shí)現(xiàn)城市復(fù)雜環(huán)境車載導(dǎo)航中連續(xù)高精度GNSS觀測值提取,并通過硬件仿真器信號與真實(shí)車載信號對該GNSS/INS深組合接收機(jī)觀測值質(zhì)量進(jìn)行測試驗(yàn)證。本文研究工作包括以下幾個方面:1.建立了深組合跟蹤誤差模型。將慣導(dǎo)誤差微分方程和慣性傳感器誤差模型相結(jié)合,得到慣導(dǎo)輔助多普勒誤差模型,在此基礎(chǔ)上結(jié)合接收機(jī)跟蹤環(huán)閉環(huán)和開環(huán)模型,給出了深組合跟蹤通道的誤差響應(yīng)模型。推導(dǎo)了慣性傳感器誤差模型中建模為隨機(jī)噪聲項(xiàng)的誤差響應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性表達(dá)式。為閉環(huán)跟蹤誤差分析以及開環(huán)跟蹤時間上限的定量分析提供了理論工具。2.研究了 FFT鑒頻器在有/無慣導(dǎo)輔助時弱信號跟蹤和動態(tài)跟蹤性能。有導(dǎo)航電文輔助時對剝離導(dǎo)航電文的IQ積分序列做FFT變換進(jìn)行鑒頻;在無導(dǎo)航電文輔助時,通過對IQ積分序列進(jìn)行復(fù)數(shù)平方去除導(dǎo)航電文影響,然后做FFT變換進(jìn)行鑒頻,并由此推導(dǎo)了廣義的非相干鎖相環(huán)鑒相器。通過使用FFT變換后部分頻點(diǎn)鑒頻來提高靈敏度,并給出適合硬件實(shí)現(xiàn)的部分頻點(diǎn)FFT鑒頻器的低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)方法。利用IQ積分值在有信號和無信號時的概率密度函數(shù)計(jì)算FFT鑒頻器靈敏度,通過蒙特卡洛仿真復(fù)數(shù)平方后FFT鑒頻器靈敏度。通過慣導(dǎo)加速度估計(jì)誤差和FFT鑒頻器動態(tài)鑒頻性能分析了深組合中FFT鑒頻器動態(tài)靈敏度性能,實(shí)現(xiàn)了仿真場景100g加減速動態(tài)下20dB-Hz的弱信號跟蹤。3.通過慣導(dǎo)控制的開環(huán)跟蹤方法有效提高了衛(wèi)星信號斷續(xù)時GNSS觀測的連續(xù)性。通過仿真器信號驗(yàn)證了短時間(5s)載波相位開環(huán)跟蹤的可行性,并通過通道間輔助提高了載波相位開環(huán)跟蹤精度;通過仿真器信號和城市復(fù)雜環(huán)境真實(shí)信號驗(yàn)證了較長時間(20s)載波頻率和碼相位開環(huán)跟蹤,加快了信號重捕速度,提高了信號的累積鎖定時間,并降低了收斂過程中碼相位跟蹤誤差,從而提高了導(dǎo)航定位的可用性和精度。4.面向城市復(fù)雜環(huán)境GNSS連續(xù)高精度觀測的需求,開發(fā)了 GNSS/INS深組合軟件接收機(jī)系統(tǒng),并對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。在集成了前述幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)之外,還包含以下措施和改進(jìn):1)在實(shí)現(xiàn)北斗信號處理時,使用補(bǔ)零的FFT快捕避免北斗信號中NH碼對捕獲的影響;2)利用碼環(huán)和載波環(huán)跟蹤頻率之比進(jìn)行載波頻率鎖定檢測,并結(jié)合碼環(huán)鎖定指示器和慣導(dǎo)輔助頻率進(jìn)行穩(wěn)健的信號鎖定檢測;3)利用不同比特相位的相干非相干積分能量進(jìn)行位同步,利用擴(kuò)展的幀同步頭通過FFT變換進(jìn)行相干積分實(shí)現(xiàn)弱信號條件下可靠的幀同步;4)利用可變環(huán)路帶寬的碼跟蹤環(huán)加快了偽碼相位跟蹤誤差收斂,并通過碼環(huán)階躍響應(yīng)給出了環(huán)路帶寬切換時間;5)利用慣導(dǎo)輔助窄相關(guān)器進(jìn)行偽距多徑誤差的抑制;6)通過慣導(dǎo)外推偽距與通道提取偽距的差值進(jìn)行低復(fù)雜度的偽距粗差檢測,并利用低通濾波器提取以上偽距差中包含的衛(wèi)星位置計(jì)算誤差以及未校正的電離層誤差、對流層誤差、接收機(jī)鐘差和衛(wèi)星鐘差等緩變誤差。5.開展了 GNSS/INS深組合軟件接收機(jī)測試,包括仿真器測試和城市環(huán)境實(shí)測。通過仿真器信號對比了基帶環(huán)路在不同參數(shù)設(shè)置時偽碼和載波相位跟蹤性能,與典型商用接收機(jī)(天寶R9測量型接收機(jī)和ublox M8N導(dǎo)航型接收機(jī))對比了偽距觀測值和載波相位觀測值。仿真測試表明,載波相位跟蹤靈敏度高于R9接收機(jī),載波相位跟蹤誤差小于R9接收機(jī)且GNSS信號恢復(fù)后重捕速度快于R9接收機(jī);偽距跟蹤誤差與ublox相當(dāng),GNSS信號恢復(fù)后重捕速度與ublox相同,收斂過程中偽碼誤差小于ublox。在真實(shí)的城市復(fù)雜環(huán)境信號測試中,首先對比了 GNSS/INS深組合軟件接收機(jī)工作在無慣導(dǎo)輔助模式和有慣導(dǎo)輔助模式時的定位效果,結(jié)果表明在有慣導(dǎo)輔助時其水平定位誤差、可定位歷元比例和粗差歷元比例均優(yōu)于無慣導(dǎo)輔助模式;其次對比了有慣導(dǎo)輔助模式和商用接收機(jī)偽距定位效果,結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的深組合接收機(jī)在水平定位誤差、可定位歷元比例和粗差歷元比例方面均優(yōu)于R9和ublox或與其相當(dāng);并針對特定復(fù)雜場景進(jìn)行專項(xiàng)對比,結(jié)果表明本文設(shè)計(jì)的深組合接收機(jī)同樣在重捕時間、可定位歷元比例和水平定位誤差方面均優(yōu)于R9和ublox或與其相當(dāng);在較為復(fù)雜的路段測試中進(jìn)行載波相位定位對比時,水平定位誤差和固定解次數(shù)均優(yōu)于R9接收機(jī)和ublox接收機(jī)。綜上所述,本文對標(biāo)量深組合接收機(jī)應(yīng)用于城市復(fù)雜環(huán)境車載導(dǎo)航開展了深入研究,完善了深組合基帶模型,并分析了 FFT鑒頻器動態(tài)弱信號跟蹤能力,針對城市環(huán)境中惡劣的GNSS信號條件優(yōu)化了深組合接收機(jī),并開展了充分的仿真與城市復(fù)雜環(huán)境車載實(shí)測驗(yàn)證。本文深組合軟件接收機(jī)運(yùn)算復(fù)雜度低,適于移植到嵌入式平臺中,并可作為實(shí)時硬件接收機(jī)產(chǎn)品開發(fā)的驗(yàn)證手段和測試平臺。本文研究工作顯著提升了地面載體運(yùn)動條件下GNSS接收機(jī)在惡劣環(huán)境下的信號處理能力,為目前快速發(fā)展的自動駕駛所要求的城市復(fù)雜環(huán)境下連續(xù)高精度定位提供了 GNSS觀測量層面的保障。
【學(xué)位單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN967.1
【部分圖文】：

圖２．２為ＧＰＳ邋Ｌ１信號的生成原理圖，圖２．３為北斗信號Ｄ１和Ｄ２信號生成原理圖。逡逑ＧＰＳ信號中數(shù)據(jù)碼與偽隨機(jī)碼進(jìn)行相乘（電路中為模二相加或者異或）得到逡逑４士（小該信號再與ｕ載波相乘實(shí)現(xiàn)對載波信號的調(diào)制，最終得到屯（〖）信號經(jīng)由衛(wèi)逡逑星天線指向地球進(jìn)行輻射。北斗Ｄ１信號的生成過程中數(shù)據(jù)碼Ｄ１與ＮＨ碼相乘生成逡逑其余與ＧＰＳ信號以及Ｄ２信號相同。逡逑ｄ（ｔ）邋？邐■逡逑ｃ（ｔ）－邐－逡逑ｄ（ｔ）ｃ（ｔ）邋■邐＇逡逑—ｍｍｒｎｍ逡逑Ｂｉｔ邋１邐Ｂｉｔ邋２邐Ｂｉｔ邋３邋Ｂｉｔ邋４逡逑圖２．１邋ＧＰＳ邋Ｌ１邋Ｃ／Ａ碼信號的組成逡逑ＮＨ（ｔ）邋Ｄｌ（ｔ）逡逑ｃｏｓ｛２４Ｂｌｔ邋＋邋ｃｐ）邐＾逡逑ｄ（ｔ）逡逑Ｄ２（ｔ）逡逑ｃ（ｔ）——｜邐ｃ（／）邋——逡逑ｃｏｓ｛２７ｉｆＬ｛ｔ邋＋邋（ｐ）邋—＾￣？，ＳＬ１（？）邋ｃｏｓ（２７ｉｆＢｌｔ邋＋邋（ｐ）邐￣￣＾ＳＢｌ（ｔ）逡逑？乘法運(yùn)算邐？乘法運(yùn)算逡逑圖２．邋２邋ＧＰＳ邋Ｌ１信號的生成原理圖邐圖２．邋３北斗Ｂ１信號的生成原理圖逡逑２．邋２．邋２邋ＧＮＳＳ接收機(jī)結(jié)構(gòu)逡逑ＧＮＳＳ接收機(jī)主要包含三個部分：射頻前端，基帶信號處理和導(dǎo)航解算（Ｂｒａａｓｃｈ逡逑ａｎｄ邋ｖａｎ邋Ｄｉｅｒｅｎｄｏｎｃｋ，１９９９），圖２．４為接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。逡逑衛(wèi)星播發(fā)的信號和＆被接收機(jī)天線接收，并以模擬信號的形式進(jìn)入射頻逡逑前端進(jìn)行處理。射頻前端的功能是將特高頻波段的Ｌ１和Ｂ１信號轉(zhuǎn)換成包含ＧＰＳ和北逡逑斗信號，且頻率低的基帶數(shù)字信號以便接收機(jī)基帶進(jìn)行信號處理。圖２．４中射頻方案逡逑為超外差接收機(jī)技術(shù)，超外差射頻前端首先通過天線接收射頻信號，天線之后的第一逡逑１４逡逑

通常使用自動增益控制對ＡＤＣ前級放大器放大倍數(shù)進(jìn)行控制。逡逑ＡＤＣ輸出中頻數(shù)字信號之后，接收機(jī)基帶負(fù)責(zé)進(jìn)行信號處理。接收機(jī)基帶包逡逑含多個信號處理通道，每個通道處理一顆衛(wèi)星播發(fā)的信號。圖２．４中基帶環(huán)路利用載逡逑波和碼數(shù)控振蕩器（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ邋Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ邋Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，邋ＮＣＯ）分別生成本地載波和偽碼對逡逑＊Ｓ／Ｆ進(jìn)行載波和偽碼剝離。隨后對剝離載波和偽碼之后的信號進(jìn)行積分清零，并將積分逡逑值用于載波和偽碼鑒別。最后濾波的鑒別結(jié)果用于控制載波和偽碼生成。通道實(shí)現(xiàn)對逡逑信號的捕獲、跟蹤、比特同步、幀同步以及觀測量提取。逡逑通過接收機(jī)通道得到衛(wèi)星導(dǎo)航電文以及觀測量之后即可計(jì)算衛(wèi)星位置和速度，并逡逑利用定位定速算法實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的位置速度和時間（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋ａｎｄ邋Ｔｉｍｅ，邋ＰＶＴ）解逡逑算。逡逑%煎危騽舜�！暖V/邐逡逑「Ｔ—ｒ＾ｉ邐－，！邋［Ｗ＼邐載波載波環(huán)邐逡逑波４碼ｉ分１鑒別器ｎ濾波器ｈ觀測量逡逑＇［ｍｉ邋＾邋Ｙ邋Ｈ邋剝剝清邐ｔｐ航電＊邋＿逡逑射頻前端邐Ｉ邋２邋Ｔ邐—邋ｆ…．！逡逑ｊ［ｓｉｎｊ邋｜ｃｏｓ｜邐｜逡逑！邋—逡逑邐！邋ＮＣＯ邋生器邋ＮＣＯ邋—￣＾邋Ｉ逡逑本地振邋ｉ逡逑蕩器邋１邋￣￣｜＿＿＿＿｜邐邐｜ｉ逡逑圖２．邋４邋ＧＮＳＳ接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖逡逑接收機(jī)通道的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖２．５所示，其中載波ＮＣＯ輸出載波相位值，并利用該逡逑相位值作為索引進(jìn)行正弦表和余弦表的查找從而生成相位差為９０度的本地中頻載波信逡逑號。本地中頻載波信號與輸入的ＧＮＳＳ中頻信號＜Ｓ／Ｆ進(jìn)行相乘從而剝離中的載波信逡逑號

通常使用自動增益控制對ＡＤＣ前級放大器放大倍數(shù)進(jìn)行控制。逡逑ＡＤＣ輸出中頻數(shù)字信號之后，接收機(jī)基帶負(fù)責(zé)進(jìn)行信號處理。接收機(jī)基帶包逡逑含多個信號處理通道，每個通道處理一顆衛(wèi)星播發(fā)的信號。圖２．４中基帶環(huán)路利用載逡逑波和碼數(shù)控振蕩器（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ邋Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ邋Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，邋ＮＣＯ）分別生成本地載波和偽碼對逡逑＊Ｓ／Ｆ進(jìn)行載波和偽碼剝離。隨后對剝離載波和偽碼之后的信號進(jìn)行積分清零，并將積分逡逑值用于載波和偽碼鑒別。最后濾波的鑒別結(jié)果用于控制載波和偽碼生成。通道實(shí)現(xiàn)對逡逑信號的捕獲、跟蹤、比特同步、幀同步以及觀測量提取。逡逑通過接收機(jī)通道得到衛(wèi)星導(dǎo)航電文以及觀測量之后即可計(jì)算衛(wèi)星位置和速度，并逡逑利用定位定速算法實(shí)現(xiàn)接收機(jī)的位置速度和時間（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ邋Ｖｅｌｏｃｉｔｙ邋ａｎｄ邋Ｔｉｍｅ，邋ＰＶＴ）解逡逑算。逡逑%煎危騽舜�！暖V/邐逡逑「Ｔ—ｒ＾ｉ邐－，！邋［Ｗ＼邐載波載波環(huán)邐逡逑波４碼ｉ分１鑒別器ｎ濾波器ｈ觀測量逡逑＇［ｍｉ邋＾邋Ｙ邋Ｈ邋剝剝清邐ｔｐ航電＊邋＿逡逑射頻前端邐Ｉ邋２邋Ｔ邐—邋ｆ…．！逡逑ｊ［ｓｉｎｊ邋｜ｃｏｓ｜邐｜逡逑！邋—逡逑邐！邋ＮＣＯ邋生器邋ＮＣＯ邋—￣＾邋Ｉ逡逑本地振邋ｉ逡逑蕩器邋１邋￣￣｜＿＿＿＿｜邐邐｜ｉ逡逑圖２．邋４邋ＧＮＳＳ接收機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖逡逑接收機(jī)通道的詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖２．５所示，其中載波ＮＣＯ輸出載波相位值，并利用該逡逑相位值作為索引進(jìn)行正弦表和余弦表的查找從而生成相位差為９０度的本地中頻載波信逡逑號。本地中頻載波信號與輸入的ＧＮＳＳ中頻信號＜Ｓ／Ｆ進(jìn)行相乘從而剝離中的載波信逡逑號

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2826614