[发明专利]一种惯性辅助GPS接收机实现方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型INS辅助的GPS接收机系统，此GPS接收机系统方案具有优良的高动态性能，适用于高速战斗机、导弹等高动态环境下的GPS定位应用。

背景技术

全球定位系统GPS(Global Positioning System)是目前使用最广泛的卫星导航与定位系统,大量应用在民用和军事领域,尤其是在精确制导导弹等高动态环境下的应用更显重要。对于安装在运动载体上的GPS接收机，根据载体运动的速度和加速特性，可以将GPS接收机的工作环境划分为静态环境、中低动态环境和高动态三种。通常情况下，将具有较高的速度、加速度和加加速度的载体运动环境定义为高动态环境。以典型的GPS高动态应用环境，高性能歼击机的机动参数为例，其最高横滚角速度最高可达±500°/s，最高角加速度为±1500°/s²，最高线加速度为15g/s，g为重力加速度。传统的GPS接收机通常采用延迟锁定换(Delay Lock Loop)和锁频换(Frequency Lock Loop)对载波信号进行跟踪。而在高动态环境中，由载体的高速机动引起的GPS信号多普勒频移很大，多普勒频移变化率很高，因此在没有诸如惯性器件等外部辅助的条件下，传统的GPS接收机的跟踪环路很容易失去对GPS信号的跟踪锁定。国内外针对高动态环境下的GPS接收机技术做了大量研究，其中比较有代表性的就是INS/GPS超紧组合方案，超紧组合是一种INS、GPS深层次的组合方式，在GPS为INS提供误差矫正信息的同时，矫正后的INS可以辅助GPS跟踪环路中的载波/码NCO(数控振荡器)，对高动态的GPS信号进行跟踪。在这种组合系统中，GPS载波环带宽可降至1-2Hz，使抗干扰能力较单纯GPS接收机提高约15dB。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服传统GPS接收机在高动态环境下性能的不足，提出一种INS辅助的GPS接收机，可实现GPS接收机在高动态环境下的可靠工作。

本发明的技术解决方案为：一种新型惯性辅助GPS接收机实现方法，其特征在于，由INS(惯性导航系统)、采样频率可调的GPS(全球卫星定位系统)卫星接收机射频前端、GPS卫星接收机基带处模块、INS/GPS组合滤波器组成；INS惯性导航系统由三个光纤陀螺仪和三个石英加速度计组成；采样频率可调的GPS卫星接收机射频前端由GPS天线、低噪声放大器、带通滤波器、混频器及多个采样ADC组成；GPS卫星接收机基带处模块可以是由FPGA(现场可编程门阵列)和DSP(数字信号处理器)开发的软件无线电接收机，也可以是专用的ASIC(Application Specific Integrated Circuit)集成电路；INS/GPS组合导航滤波器为卡尔曼滤波器。其特点在于：INS辅助GPS接收机进行GPS信号跟踪通过下列步骤实现：

(1)首先启动INS导航装置、GPS导航装置，得到地心地固坐标系下的INS导航数据(经度、纬度、高度)、GPS导航数据(经度、纬度、高度)及GPS导航电文；

(2)启动INS/GPS组合导航滤波器，通过组合导航滤波器将INS导航数据(经度、纬度、高度)和GPS导航数据(经度、纬度、高度)进行数据融合，估计得到GPS导航数据和INS导航数据的定位误差，并利用得到的定位误差修正GPS定位信息和INS定位信息，提高GPS接收机定位精度，消除INS导航系统积累的定位误差；

(3)利用GPS导航电文中的数据计算出当前时刻GPS卫星在地心地固坐标系中的位置，然后利用GPS卫星的位置和修正后的INS定位信息计算出GPS接收机相对于每颗GPS卫星的多普勒频移；

(4)将每颗GPS卫星的多普勒频移换算成GPS接收机接收到的中频信号波长的变化率，根据波长变化率调节GPS接收机射频前端中各通道ADC的采样频率，使ADC在中频信号波长变化后仍然可以在不变的位置进行采样。

本发明的原理是：在高动态环境下，当装有GPS接收机的载体做高加加速度运动时，GPS接收机接收到的GPS信号具有非常大的多普勒频率变化率，导致GPS接收机跟踪环路中的锁相环失锁。利用INS系统对高动态运行测量的优势，通过INS导航数据动态的控制GPS接收机射频前端中的ADC采样间隔，抵消由于多普勒频移导致的ADC采样点变化，降低GPS接收机跟踪环路中载波频率的变化，最终达到INS辅助GPS接收机进行载波跟踪的目的。