GNSS/INS深组合跟踪环建模及其在GNSS地震仪中的应用研究

GNSS/INS deep integration is the fusion of GNSS and INS information in the signal processing level. The satellite signal tracking performance can be improved with tracking loops aided by dynamic information provided by INS. It is a trend and hotspot of integrated navigation. Currently, most of the researches on deep integration stay at the system design and simulation verification stage. There are urgent requirements for systematic theories, effective methods, and hardware verification. Based on GNSS/INS scalar deep integration, this proposal will use mathematical methods, including INS error propagation theory and tracking loop transfer function, to establish the inertial-aided GNSS tracking loop model and the analysis method of the relation between error sources and the carrier tracking error. Then steady-state error and transient error models will be established as the method for the tracking loop design. The dynamic tracking accuracy of the carrier phase will be optimized and quantitatively verified on a hardware platform. Finally, the proposed GNSS/INS deep integration tracking loop modeling and design methods are applied to the GNSS seismograph to solve the accuracy issue of the satellite signals dynamic tracking. The outcomes of the proposed project will not only provide references for the theories, methods and practices of the deep integration, but also can be extended to other applications of dynamic precise positioning.

GNSS/INS深组合是GNSS和INS在信号处理层面的信息融合，它可以通过INS估计的先验动态信息辅助GNSS跟踪环来提高卫星信号的跟踪性能，是当前组合导航技术发展的趋势和热点之一。目前，多数深组合研究仅停留在系统设计与仿真验证阶段，缺乏完整的理论和方法及在硬件平台上的验证。本课题将基于GNSS/INS标量深组合结构，采用INS误差传播理论、跟踪环传递函数等工具研究深组合跟踪环中误差源与载波跟踪误差之间的关系模型与分析方法；并在误差分析基础上确立跟踪环的稳态、瞬态误差模型，为环路设计提供方法；以误差模型为理论工具，基于硬件原型系统对载波动态跟踪精度进行设计优化和定量验证；最后采用深组合跟踪方法解决GNSS地震仪存在的动态定位精度问题。GNSS/INS深组合跟踪模型将为深组合跟踪的深入研究提供理论、方法和实践方面的参考，对以地震测量为代表的GNSS动态精密定位应用也具有普遍意义。

GNSS/INS深组合是GNSS和INS在信号处理层面的信息融合，它可以通过INS估计的先验动态信息辅助GNSS跟踪环来提高卫星信号的跟踪性能，是当前组合导航技术发展的趋势和热点之一。本项目面向深组合研究需求，建立了一套表征接收机载波跟踪性能与IMU器件误差之间对应关系的理论模型；在此基础上分析确立跟踪环的稳态、瞬态误差模型，为环路设计提供方法；并基于搭建的硬件原型系统进行了测试验证；另外，采用深组合理论方法解决了GNSS地震仪存在的动态定位精度问题。.项目建立了一套完整的深组合跟踪环误差传递模型。首次提出了IMU零偏类误差、IMU标度因子类误差、多普勒辅助延迟三类惯性辅助信息误差与环路跟踪误差（载波相位）之间的细化模型，进一步构建了INS辅助跟踪环的稳态误差模型、瞬态误差模型，并提供了一种基于该模型的误差定量分析方法。分析表明：IMU误差对环路的影响远小于环路动态应力造成的误差，低精度惯导可用于深组合；多普勒辅助信息延迟应控制在毫秒量级。提出的误差传递模型为深组合研究提供了理论依据和实用分析手段，完善了深组合技术的研究方法。.项目利用深组合技术提高GNSS的强震测量精度。利用GNSS/强震仪在信号处理层面的融合，从本质上解决强震动态下传统GNSS地震仪测量精度下降的问题，并通过完善的理论分析与丰富的测试验证，充分证明了深组合技术在强震测量中的重要应用价值。.项目顺利完成研究计划，提出了一套完备的深组合跟踪环路误差模型，并利用深组合解决了GNSS地震仪存在的动态定位精度问题，积累了一套面向强震测量的深组合硬件原型系统，以及仿真、实验测试手段。项目标注发表论文18篇（项目负责人第一或通信作者SCI论文7篇），项目负责人第一发明人授权发明专利2项，项目负责人作为指导老师获得全国研究生电子设计竞赛一等奖，培养博士后1名、博士4名、硕士5，成果在单位网站上展示和宣传，在国内外形成了一定的影响力。