分布式超紧GPS/SINS组合架构下的信号处理方法和完好性评估机制研究

This research project focus on the distributed ultra-tight GPS/INS integrated navigation system in terms of system formulation, tracking-loop formulation, and reliability assessment technology. The linear model-based wavelet-autoregression method and non-linear model-based variance-mixed dual-autoregression method are utilized to model the random Doppler frequency shift error in the information fusion process, and transfer the aiding information with high-precision. The differential correlation technology and the aiding information are used to improve the signal-acquisition performance. The carrier phase-locking-loop is approximated as proportion and integration control model to verify the robustness of the INS-aided loop. The self anti-disturbance control theory is applied to implement the tracking-loop design to improve the signal-processing ability in the complex navigation environment. The sequential receiver autonomous integrity monitoring is explored to achieve the reliability assessment result. The GPS signal-processing ability can therefore be enhanced with the feedback of assessment result. Through the research project, the integrated navigation system performance can be improved ultimately in terms of high dynamic and anti-disturbance so as to satisfy required navigation performance in the complex navigation environment.

本课题以分布式超紧GPS/SINS组合导航系统为研究对象，深入剖析其组合系统框架、跟踪环路结构、以及可靠性评估技术。利用线性模型下的基于小波-自回归方法和非线性模型下的基于方差混合双自回归方法对信息融合过程中存在的随机多普勒频移误差建模，实现辅助信息的精确传递；综合利用差分相干和信息辅助实现信号捕获，将载波PLL近似为PI（Proportion and Integration）控制模型，引入自抗扰控制机理实现辅助跟踪环路设计，提高复杂环境下的信号处理能力；探索采用"串行（Sequential）"接收机自主完好性监测算法，将可靠性评估的结果反馈到GPS信号处理通道，以进一步提升组合导航系统的性能。通过该课题的研究，提高组合系统抗动态和抗干扰的性能，满足复杂应用环境下导航定位的要求。

本课题以分布式超紧GPS/SINS 组合导航系统为研究对象，深入剖析其组合系统框架、跟踪环路结构、以及可靠性评估技术。对惯性预测的多普勒频率中确定误差和随机误差进行建模和补偿，采用ARMA模型的方法对载波多普勒估计过程中包括SINS量测和时钟误差等因素在内造成的随机误差进行建模，以减小估计误差实现辅助信息的精确传递，提高辅助环路的性能；在高动态和弱信号条件信号捕获与跟踪技术中，综合利用差分相干和信息辅助实现信号捕获，将载波PLL近似为PI（Proportion and Integration）控制模型，引入类微分控制项的辅助GPS载波跟踪环路设计，引入自抗扰控制机理实现辅助跟踪环路设计，提高复杂环境下的信号处理能力；探索采用“串行（Sequential）”接收机自主完好性监测算法，将可靠性评估的结果反馈到GPS 信号处理通道，进一步提升组合导航系统的性能。抗干扰方面开展了连续波干扰、调频干扰、调幅干扰和宽带噪声干扰对信号捕获的影响及跟踪解调的误码率分析；干扰信号个数未知的情况下，深入研究了基于FAPI子空间跟踪技术的干扰识别和信号个数估计技术。课题还初步探索了北斗和SINS 的超紧组合导航系统的理论研究和仿真测试。基于卫星信号模拟器、干扰器、SINS仿真软件，构建超紧组合导航测试系统，对超紧组合系统进行测试，结果表明：分布式GPS/SINS组合系统能够在高动态场景(峰值速度为2500 m/s,峰值加速度为500m/s^2，加加速度绝对值恒定为50m/^3)下正常工作，其定位精度优于5m，定速精度优于0.6m/s。. 卫星导航系统与惯性导航系统具有互补的特点，而惯性与卫星导航的超紧组合是所有组合方式中理论上最优的组合方式，并且显著的提高导航系统的抗干扰能力，满足复杂环境下导航定位的要求。通过该课题的研究，深入剖析其组合系统框架、跟踪环路结构、以及组合数据融合等技术瓶颈来提高接收机抗动态、抗干扰的性能，满足复杂应用环境下导航定位的要求，同时，推动北斗和SINS 的超紧组合导航系统的理论研究，为促进我国国防现代化建设和提高军队战斗力方面提供坚实的导航理论与技术基础。