一种惯性辅助gps的深组合半实物仿真系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统，包括GPS接收机、控制主机和射频信号模拟器组成的卫星导航信号模拟器、弹道轨迹发生器、IMU仿真器和惯性导航计算机组成的捷联惯性导航系统信息模拟器、仿真分析计算机、信号转发器；捷联惯性导航系统信息模拟器将弹道轨迹发生器输出的模拟信息进行处理得到惯性导航数据，并传输给GPS接收机；弹道轨迹发生器将导弹飞行轨迹数据传输给射频信号模拟器；控制主机控制射频信号模拟器生成卫星导航模拟信号并经信号转发器发出；GPS接收机综合处理惯性导航数据和卫星导航信息，输出最终导航信息至仿真分析计算机。本发明分析了惯性辅助对GPS接收机捕获跟踪性能的影响，对深组合导航技术的研究具有重大意义。
【专利说明】一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及组合导航【技术领域】，特别是一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系 统。
【背景技术】
[0002] 导航在人类历史的发展进程中一直起着重要的作用，定位导航技术在国防和军事 上的重要性不言而喻，随着卫星/惯性组合导航系统的应用得到不断推广的同时，运载体 对导航系统的综合性能提出的需求也在不断提高，卫星/惯性组合导航技术方面的研究不 断深入。考虑到各类精确制导武器高动态、远射程的特点，简单的组合方式已不足以满足其 对精度和稳定性的要求，深组合技术成为下一代导航系统的典型标志。
[0003] 2000年，Draper实验室的Donald Gustafson等人明确提出并验证了扩展码跟 踪环的GPS/INS深组合方法，以提高接收机的抗干扰能力；随后，斯坦福大学的Gautier JD进一步完善了这种概念，分析了深组合下卡尔曼滤波器的基本结构及状态观测方程； Santiago Alban和明尼苏达大学的Demoz Cebre等人，对紧组合下MEMS IMU辅助GPS的 跟踪回路进行了分析和研究，证明MU辅助，可以减少接收机搜索带宽，增强其抑制噪声的 能力。由于深组合技术在高动态平台、强射频干扰和多路径效应严重的恶劣环境中所表现 的优异性能，美国霍尼韦尔公司早在二十一世纪初就已经计划了将深组合技术引入增强型 GPS/INS空间组合导航系统。同时，罗克韦尔-柯林公司也将深组合技术列为GPS/INS组合 导航系统的下一代设计方案。
[0004] 深组合技术，其核心是利用卫星/惯性组合导航系统的输出辅助接收机的环路跟 踪。与松组合和紧组合相比，其优势在于，深组合导航系统能够将GPS接收机对卫星信号的 跟踪和GPS/惯性的组合功能集成于一体，实现GPS与INS的相互辅助，提高GPS信号跟踪 的性能，卫星接收机对高动态运动载体的适应性，组合导航系统定位精度等，理论上，在深 组合技术支持下，单颗卫星即可进行组合导航。目前，GPS导航系统是使用最为广泛的卫星 导航系统之一，我国自主研发的北斗二代卫星导航系统日趋成熟，研究GPS/INS深组合导 航系统，也是为今后做铺垫，GPS/INS组合导航的研究成果可以方便的移植到BD/INS组合 导航系统中，这势必对我国的导航技术产生巨大的推动作用。
[0005] 现有技术大多仍停留在软件仿真阶段，搭建的高动态环境也只是简单的匀速直线 运动或大圆轨迹，与实际的弹道轨迹相差甚远，并不能很好地模拟一个具有大加速度、大加 加速度的恶劣环境，其仿真分析有一定的局限性；而现有的组合导航实物系统，大多成本 高、体积大、结构复杂，不利于研究中的实时检测和分析，研发效率较低，阻碍了组合导航系 统的研发进展。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种成本低、体积小、实用性强的惯性辅助GPS的深组合 半实物仿真系统，实现高动态环境下GPS/INS深组合导航系统的仿真与调试。
[0007] 实现本发明目的的技术解决方案，一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统， 包括GPS接收机、卫星导航信号模拟器、弹道轨迹发生器、捷联惯性导航系统信息模拟器、 仿真分析计算机和信号转发器，其中卫星导航信号模拟器包括控制主机和射频信号模拟 器，捷联惯性导航系统信息模拟器包括頂U仿真器和惯性导航计算机；所述弹道轨迹发生 器的数据输出端接入MU仿真器，IMU仿真器的数据输出端接入惯性导航计算机，GPS接收 机通过RS232接口分别与惯性导航计算机、仿真分析计算机连接，控制主机和弹道轨迹发 生器均通过千兆以太网与射频信号模拟器连接，射频信号模拟器的射频输出端与信号转发 器连接；
[0008] 捷联惯性导航系统信息模拟器对弹道轨迹发生器输出的模拟陀螺仪、加速度计信 息进行处理得到惯性导航数据，然后通过RS232接口将惯性导航数据传输给GPS接收机； 与此同时，弹道轨迹发生器通过千兆以太网将导弹飞行轨迹数据传输给射频信号模拟器； 控制主机控制射频信号模拟器生成卫星导航模拟信号，并经信号转发器将其发出；GPS接 收机综合处理接收的惯性导航数据和卫星导航信息，输出最终的导航信息至仿真分析计算 机。
[0009] -种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1，弹道轨迹发生器初始化：根据所需动态场景设置弹道轨迹发生器，产生导 弹的飞行轨迹信息，并根据飞行轨迹信息模拟陀螺仪和加速度计，输出时间、加速度、角速 度息；
[0011] 步骤2,弹道轨迹发生器输出导弹飞行轨迹数据，通过千兆以太网将导弹飞行轨迹 数据传输给射频信号模拟器，同时，捷联惯性导航系统信息模拟器对弹道轨迹发生器输出 的模拟陀螺仪、加速度计信息进行处理得到惯性导航数据，通过RS232接口将惯性导航数 据传输给GPS接收机；
[0012] 步骤3,控制主机控制射频信号模拟器生成卫星导航模拟信号，并经信号转发器将 卫星导航模拟信号发出；
[0013] 步骤4, GPS接收机接收惯性导航数据，结合惯性导航数据和星历信息，预测出多 普勒频移；根据预测的多普勒频移和星历信息解算出的卫星位置、高度角，选择最优卫星进 行捕获；根据预测的多普勒频移和环路滤波的载波相位不断调整本地载波信号，对捕获的 卫星进行跟踪；
[0014] 步骤5, GPS接收机结合惯性导航数据和卫星导航模拟信号，对步骤4的卫星捕获、 跟踪结果进行导航解算，输出最终导航信息至仿真分析计算机，并返回步骤4。
[0015] 本发明与现有技术相比，其显著优点：
[0016] 1、本发明针对某型导弹在高动态环境下的导航制导过程，模拟了导弹飞行的高动 态环境，进行半实物仿真实验，提高了分析结果的可靠性和说服力，并且缩短了信号捕获的 时间，优化了高动态载体飞行中的失锁重捕过程，具有重要的现实意义；2、将惯性辅助信息 加入载波跟踪环路的算法，有效降低动态应力误差，减小环路跟踪带宽，解决了 GPS接收机 动态性能和噪声与带宽相矛盾的问题；3、采用轨迹发生器来生成实验所用载体轨迹，具有 较高的仿真度，系统中所运用的DSP+FPGA开发平台、卫星信号导航模拟器等均属于通用型 设备，GPS接收机的基带信号处理功能由FPGA完成，环路控制与定位解算功能由DSP实现， 运用范围广，移植性强；4、本发明具有良好的拓展性，除了用于深组合的仿真研究，松组合、 紧组合同样适用，涵盖了信号弱、噪声干扰、卫星数不足等多种恶劣环境的模拟条件，能够 提供更加全面的实验分析数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0017] 图1是本发明惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统示意图。
[0018] 图2是本发明的GPS接收机结构图。
[0019] 图3是本发明惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法流程图。
[0020] 图4是本发明惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法中多普勒频移预测示意图。
[0021] 图5是本发明惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法中捕获跟踪环路流程图。
[0022] 图6是本发明惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法中MU辅助PLL的数学模型。
[0023] 图7是本发明惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法中MU辅助失锁重捕流程 图。
[0024] 图8是实施例中模拟高动态环境下导弹的理论飞行轨迹。
[0025] 图9是实施例中导弹的理论飞行速度曲线。
[0026] 图10是实施例中导弹的理论飞行加速度曲线。
[0027] 图11是实施例中无辅助情况下GPS接收机导航结果速度曲线。
[0028] 图12是实施例中惯性辅助情况下GPS接收机导航结果速度曲线。
[0029] 图13是实施例中两种情况下GPS接收机导航结果的速度曲线对比。
【具体实施方式】
[0030] 以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步详细说明。
[0031] 结合图1，本发明惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统，包括GPS接收机1、卫星 导航信号模拟器2、弹道轨迹发生器3、捷联惯性导航系统信息模拟器4、仿真分析计算机5 和信号转发器6,其中卫星导航信号模拟器2包括控制主机2-1和射频信号模拟器2-2,捷 联惯性导航系统信息模拟器4包括IMU仿真器4-1和惯性导航计算机4-2 ;所述弹道轨迹 发生器3的数据输出端接入MU仿真器4-1，MU仿真器4-1的数据输出端接入惯性导航计 算机4-2, GPS接收机1通过RS232接口分别与惯性导航计算机4-2、仿真分析计算机5连 接，控制主机2-1和弹道轨迹发生器3均通过千兆以太网与射频信号模拟器2-2连接，射频 信号模拟器2-2的射频输出端与信号转发器6连接；
[0032] 捷联惯性导航系统信息模拟器4对弹道轨迹发生器3输出的模拟陀螺仪、加速度 计信息进行处理得到惯性导航数据，然后通过RS232接口将惯性导航数据传输给GPS接收 机1 ;与此同时，弹道轨迹发生器3通过千兆以太网将导弹飞行轨迹数据传输给射频信号模 拟器2-2 ;控制主机2-1控制射频信号模拟器2-2生成卫星导航模拟信号，并经信号转发器 6将其发出；GPS接收机1综合处理接收的惯性导航数据和卫星导航信息，输出最终的导航 信息至仿真分析计算机5。
[0033] 结合图2, GPS接收机1包括接收天线、GPS射频单元、FPGA芯片和DSP芯片：接收 天线接收卫星导航模拟信号并输入到GPS射频单元；在GPS射频单元，卫星导航模拟信号经 过带通滤波、低噪声放大后，与频综模块产生的本振信号进行混频，下变频处理输出零中频 的基带信号至FPGA芯片；FPGA芯片进行基带信号处理，并通过总线与DSP芯片进行通讯， DSP进行可见卫星的预测、载波环和码环的环路控制以及导航定位解算。
[0034] GPS射频单元完成GPS L1频段的带通滤波、低噪声放大、频综产生、模拟混频和AD 正交采样等功能；由DSP芯片和FPGA芯片组成基带开发平台，其中FPGA芯片主要完成卫星 导航模拟信号的基带处理：包括载波NC0产生、码NC0产生、复相位旋转数字下变频、本地 GPS扩频码产生、相关器、时基信号产生、观测数据TIC时刻测量、GPS帧同步信号产生和帧 数据解调等，另外FPGA完成两路串口收发、USB接口总线访问、射频频综SPI接口配置、FPGA 与DSP总线接口通讯等功能；而DSP主要完成星历和定位数据的读存，可见卫星的预测，多 普勒频移的预测，GPS各通道的初始化，各通道超前、即时和滞后相关值的读取和存储，载波 跟踪环和码跟踪环的环路控制，TIC时刻观测数据的读取，载波相位辅助伪距平滑处理，跟 踪多普勒kalman滤波处理，GPS帧数据的读取和导航电文解析、卫星星历和历书的实时存 储，GPS定位解算和速度求解、GPS授时环路控制和串口协议的组帧和解帧等功能。
[0035] 结合图3,本发明惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法，包括以下步骤：
[0036] 步骤1，弹道轨迹发生器3初始化：根据所需动态场景设置弹道轨迹发生器3,产生 导弹的飞行轨迹信息，并根据飞行轨迹信息模拟陀螺仪和加速度计，输出时间、加速度、角 速度信息；
[0037] 步骤2,弹道轨迹发生器3输出导弹飞行轨迹数据，通过千兆以太网将惯性导航数 据传输给射频信号模拟器2-2,同时，捷联惯性导航系统信息模拟器4对弹道轨迹发生器3 输出的模拟陀螺仪、加速度计信息进行处理得到惯性导航数据，通过RS232接口将惯性导 航数据传输给GPS接收机1 ;
[0038] 步骤3,控制主机2-1控制射频信号模拟器2-2生成卫星导航模拟信号，并经信号 转发器6将卫星导航模拟信号发出；
[0039] 步骤4，GPS接收机1接收惯性导航数据，结合惯性导航数据和星历信息，预测出多 普勒频移；根据预测的多普勒频移和星历信息解算出的卫星位置、高度角，选择最优卫星进 行捕获；根据预测的多普勒频移和环路滤波的载波相位不断调整本地载波信号，对捕获的 卫星进行跟踪；
[0040] 步骤5, GPS接收机1结合惯性导航数据和卫星导航模拟信号，对步骤4的卫星捕 获、跟踪结果进行导航解算，输出最终导航信息至仿真分析计算机5,并返回步骤4。
[0041] 将最终导航信息与理论轨迹进行对比分析，并循环执行步骤4?5。
[0042] 卫星信号的捕获是一个关于信号载波多普勒频率和码相位的二维搜索过程。虽然 GPS卫星所发射的频率是固定的，但是由于卫星和接收机之间存在相对运动，产生多普勒效 应，0. 177m/s2的相对加速度就能引起0. 93Hz/s的多普勒频移变化率，按照这一比例，一个 g的加速度就可以引起51. 5Hz/s的变化率，对于地面上的静态接收机来说，由卫星运动引 起的载波多普勒频移值大概在±5KHz的范围内，然而在高动态环境下，加速度往往达到几 十个g，大概可以估算出，其频率变化范围将扩大到±l〇KHz，甚至±15KHz，这将会大大降 低接收机的搜捕效率。本发明采用惯性测量单元IMU辅助GPS进行捕获的方法，将惯性测 量单元IMU检测到的实时速度信息给GPS接收机，结合卫星历书或星历信息，预先估计多普 勒频移，缩小载波多普勒频率搜索范围，减小捕获时间。图4是本发明惯性辅助GPS的深组 合半实物仿真方法步骤4中多普勒频移预测示意图，具体步骤如下：
[0043] (1)卫星信号传输过程中，产生多普勒频移的原因主要有卫星与载体的相对运动、 卫星和接收机的时钟频率漂移，所以载波信号的多普勒频移为：
[0044]
【权利要求】
1. 一种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统，其特征在于，包括GPS接收机（1)、卫 星导航信号模拟器（2)、弹道轨迹发生器（3)、捷联惯性导航系统信息模拟器（4)、仿真分析 计算机（5)和信号转发器￠)，其中卫星导航信号模拟器（2)包括控制主机（2-1)和射频 信号模拟器（2-2)，捷联惯性导航系统信息模拟器（4)包括IMU仿真器（4-1)和惯性导航 计算机（4-2);所述弹道轨迹发生器（3)的数据输出端接入MU仿真器（4-1)，MU仿真器 (4-1)的数据输出端接入惯性导航计算机（4-2)，GPS接收机（1)通过RS232接口分别与惯 性导航计算机（4-2)、仿真分析计算机（5)连接，控制主机（2-1)和弹道轨迹发生器（3)均 通过千兆以太网与射频信号模拟器（2-2)连接，射频信号模拟器（2-2)的射频输出端与信 号转发器（6)连接； 捷联惯性导航系统信息模拟器（4)对弹道轨迹发生器（3)输出的模拟陀螺仪、加速度 计信息进行处理得到惯性导航数据，然后通过RS232接口将惯性导航数据传输给GPS接收 机（1);与此同时，弹道轨迹发生器（3)通过千兆以太网将导弹飞行轨迹数据传输给射频信 号模拟器（2-2);控制主机（2-1)控制射频信号模拟器（2-2)生成卫星导航模拟信号，并经 信号转发器（6)将其发出；GPS接收机（1)综合处理接收的惯性导航数据和卫星导航信息， 输出最终的导航信息至仿真分析计算机（5)。
2. 根据权利要求1所述的惯性辅助GPS的深组合半实物仿真系统，其特征在于，所述 GPS接收机（1)包括接收天线、GPS射频单元、FPGA芯片和DSP芯片： 接收天线接收卫星导航模拟信号并输入到GPS射频单元；在GPS射频单元，卫星导航模 拟信号经过带通滤波、低噪声放大后，与频综模块产生的本振信号进行混频，下变频处理输 出零中频的基带信号至FPGA芯片；FPGA芯片进行基带信号处理，并通过总线与DSP芯片进 行通讯，DSP进行可见卫星的预测、载波环和码环的环路控制以及导航定位解算。
3. -种惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1，弹道轨迹发生器（3)初始化：根据所需动态场景设置弹道轨迹发生器（3)，产生 导弹的飞行轨迹信息，并根据飞行轨迹信息模拟陀螺仪和加速度计，输出时间、加速度、角 速度信息； 步骤2,弹道轨迹发生器（3)输出导弹飞行轨迹数据，通过千兆以太网将导弹飞行轨迹 数据传输给射频信号模拟器（2-2)，同时，捷联惯性导航系统信息模拟器（4)对弹道轨迹发 生器（3)输出的模拟陀螺仪、加速度计信息进行处理得到惯性导航数据，通过RS232接口将 惯性导航数据传输给GPS接收机（1); 步骤3,控制主机（2-1)控制射频信号模拟器（2-2)生成卫星导航模拟信号，并经信号 转发器（6)将卫星导航模拟信号发出； 步骤4，GPS接收机（1)接收惯性导航数据，结合惯性导航数据和星历信息，预测出多普 勒频移；根据预测的多普勒频移和星历信息解算出的卫星位置、高度角，选择最优卫星进行 捕获；根据预测的多普勒频移和环路滤波的载波相位不断调整本地载波信号，对捕获的卫 星进行跟踪； 步骤5，GPS接收机（1)结合惯性导航数据和卫星导航模拟信号，对步骤4的卫星捕获、 跟踪结果进行导航解算，输出最终导航信息至仿真分析计算机（5)，并返回步骤4。
4. 根据权利要求3所述的惯性辅助GPS的深组合半实物仿真方法，其特征在于，步骤4 所述的预测多普勒频移的具体方法如下： (1) 在ECEF坐标系下，L1波段的载波频率为fu，L1波段的波长为λ u，卫星运动速度 为Vs，载体运动速度为V_，e为卫星到载体的单位视线矢量，则多普勒频移f d为： L=^-(KeC-K)^ 人L1 (2) 通过星历解算，可以得到卫星运动速度Vs在X轴的分量xs、y轴的分量ys、z轴的 分量z s，惯导数据提供载体运动速度。在X轴的分量y轴的分量z轴的分量％，载 体与卫星之间的相对位置即单位视线矢量e，多普勒频移f d即为： xs、 r ir 1 r _ ^ VSX f = --- · V - ν J a rv 5v r c V V zr-zs VL r:」L l ^ J r表示载体与卫星之间的相对距离，c=3. OX 108m/s。
【文档编号】G01S19/25GK104280746SQ201310279918
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2013年7月4日 优先权日:2013年7月4日
【发明者】陈帅, 单童, 雷浩然, 金磊, 李玺安, 王磊杰, 马艳彬, 王于坤, 秦磊, 徐芹丽 申请人:南京理工大学