專利名稱：一種高抗干擾性能gps/sins組合導航系統(tǒng)及實現(xiàn)方法
技術領域：
本發(fā)明屬于導航技術領域，涉及一種高抗干擾性能的GPS/SINS組合導航系統(tǒng)及實現(xiàn)方法。
背景技術：
全球定位系統(tǒng)(GPQ具有高精度、全天候、全球覆蓋等性能優(yōu)點，在軍用及民用導航領域得到了廣泛的重視和應用。然而，GPS屬于無線電導航系統(tǒng)，其動態(tài)性能及抗干擾能力較差，特別是對于軍事應用場合，由于載體往往處于高速機動和敵方電磁干擾環(huán)境中， 常規(guī)的GPS接收機將難以為用戶提供連續(xù)、高精度的導航定位信息。捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng) (SINS)則是一種完全自主的導航系統(tǒng)，能夠以較高頻率輸出載體位置、速度和姿態(tài)，且對外界干擾及載體動態(tài)不敏感、隱蔽性好。SINS的缺點是導航誤差隨時間積累，需要由外部觀測信息實時校正，因此常與GPS進行組合應用。GPS與SINS在性能上具有很強的互補性，將二者組合不僅可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢，而且能夠取長補短使GPS/SINS組合系統(tǒng)的總體性能遠遠優(yōu)于各獨立子系統(tǒng)。按照組合程度的不同，GPS/SINS組合系統(tǒng)通?？煞譃樗山M合、緊組合及超緊組合三種組合方式。松組合和緊組合主要是利用GPS輸出的位置、速度或偽距、偽距率等信息校正SINS，以提高組合系統(tǒng)整體的導航精度。但在這兩種組合方式中，GPS接收機仍處于獨立的工作狀態(tài)，組合系統(tǒng)的動態(tài)性能和抗干擾能力并未得到根本的改善。超緊組合是相對于松、緊組合更加復雜的組合模式，它將組合的概念應用到GPS接收機內部，利用SINS輔助信息優(yōu)化標準偽碼、載波跟蹤環(huán)路結構，有效拓展了環(huán)路的動態(tài)跟蹤能力，并能夠降低噪聲帶寬，從而增強系統(tǒng)對噪聲干擾的抑制能力。同時，SINS輔助信息能夠提供偽碼相位和多普勒頻率的先驗估計， 可用于縮短由天線遮蔽或短期干擾導致的GPS信號失鎖后的重捕獲時間。目前的GPS/SINS超緊組合系統(tǒng)主要通過縮減環(huán)路噪聲帶寬來增強GPS接收機信號跟蹤環(huán)節(jié)的抗干擾能力，然而，窄帶干擾信號具有時間上的相關性，單純依靠降低噪聲帶寬并不能獲得理想的抑制效果；并且，由于系統(tǒng)并未阻止干擾信號進入GPS接收機，致使強電磁干擾極易引起射頻前端長時間的飽和及阻塞，進而導致接收機無法獨立完成導航任務，這將對GPS/SINS組合系統(tǒng)產生致命的影響。因此，如何提高GPS/SINS組合系統(tǒng)在強電磁干擾環(huán)境中工作的可靠性能及處理復雜類型干擾信號的魯棒性能，已成為GPS/SINS組合導航領域研究的關鍵問題之一。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有GPS抗干擾技術的不足，提供了一種基于空域自適應調零天線的高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)及其實現(xiàn)方法，該方法增強了組合導航系統(tǒng)處理復雜類型干擾信號的魯棒性。一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)的實現(xiàn)方法，具體步驟如下步驟一 GPS信號接收及射頻前端處理；
步驟二 大功率電磁干擾檢測；步驟三自適應調節(jié)天線波束，濾除大功率干擾信號；步驟四GPS、SINS導航解算及信息融合；步驟五獲取輔助參數(shù)。一種基于空域自適應調零天線的GPS/SINS組合導航系統(tǒng)，主要包括SINS模塊、 GPS陣列天線、射頻前端、干擾抑制模塊、基帶處理單元和組合導航單元；SINS包括慣性測量元件(IMU)和導航解算環(huán)節(jié)；IMU測量載體的比力和角速率，將得到的比力和角速率信息傳遞給導航解算環(huán)節(jié)，導航解算環(huán)節(jié)根據(jù)IMU測得的比力和角速率信息計算出載體的位置、速度和姿態(tài)，導航解算環(huán)節(jié)將SINS導航參數(shù)傳輸給組合導航單元，所述的SINS導航參數(shù)為載體的位置、速度和姿態(tài)；GPS天線為四元圓陣陣列天線，用于區(qū)別接收信號的入射方向，并通過四個數(shù)據(jù)通道將接收信號傳輸給射頻前端；射頻前端包括帶通濾波器(BPF)、低噪放大器(LNA)、本地振蕩器、自動增益控制(AGC)、中頻(IF)濾波放大環(huán)節(jié)和模數(shù)轉換器(A/D) ；BPF具有頻率選擇作用，能夠濾除陣列天線接收信號中的帶外干擾，并將濾波后的信號送給LNA進行低噪放大，使極弱的GPS接收信號放大到可以進行模數(shù)轉換的程度，低噪放大后的接收信號與本地振蕩器提供的本地載波信號進行混頻處理，得到中頻接收信號后送給中頻濾波放大環(huán)節(jié)，AGC控制中頻濾波放大環(huán)節(jié)的放大幅度，使其滿足A/D轉換器動態(tài)范圍的要求，A/D轉換器將中頻濾波放大后的中頻接收信號由模擬類型轉換為數(shù)字類型，并將數(shù)字中頻接收信號傳輸給干擾抑制模塊；干擾抑制模塊包括干擾檢測單元和干擾處理器；干擾檢測單元根據(jù)四路數(shù)字中頻接收信號相關矩陣的特征值分布判斷數(shù)字中頻接收信號中是否存在大功率電磁干擾，并將檢測結果反饋給AGC，干擾檢測結果同時用于啟動干擾處理器如果存在大功率電磁干擾， 則啟動干擾處理器，干擾處理器通過調節(jié)各數(shù)據(jù)通道的權值(復權值，包括幅度和相位)使陣列天線波束零陷對準干擾方向，濾除大功率的電磁干擾，并將干擾抑制后的數(shù)字中頻接收信號傳輸給基帶處理單元，如果不存在大功率電磁干擾，A/D轉換器輸出的數(shù)字中頻接收信號將直接傳輸給基帶處理單元；基帶處理單元包括GPS信號的捕獲環(huán)節(jié)和跟蹤環(huán)節(jié)；捕獲環(huán)節(jié)的主要功能是識別載體所有的可見衛(wèi)星，并通過調節(jié)捕獲環(huán)節(jié)中的偽碼發(fā)生器、本地振蕩器使本地偽碼相位及載波頻率與輸入GPS信號的偽碼相位和載波頻率粗略對齊，捕獲環(huán)節(jié)將捕獲到的偽碼相位及載波頻率輸送給跟蹤環(huán)節(jié)進行細化處理；跟蹤環(huán)節(jié)包括載波環(huán)和碼環(huán)，載波環(huán)主要包括載波數(shù)控振蕩器(載波NC0)、載波相位鑒別器和環(huán)路濾波器A ；數(shù)字中頻接收信號與載波NCO生成的本地載波余弦、正弦信號進行混頻運算，得到同相(I)、正交(Q)兩路GPS基帶信號，同相(I)、正交(Q)兩路GPS基帶信號與本地C/A碼進行相關運算，相關結果輸入到載波相位鑒別器中，載波相位鑒別器得到載波相位誤差，將得到的載波相位誤差輸入環(huán)路濾波器A，載波相位誤差經(jīng)過環(huán)路濾波器 A濾波處理后，對載波NCO輸出控制信號，載波NCO根據(jù)控制信號和輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)提供的載波多普勒頻移信息調節(jié)本地載波的頻率、相位，使之與輸入GPS數(shù)字中頻信號的載波頻率、相位對齊；同時，載波NCO將調整后的本地載波頻率通過比例因子轉換對C/A碼NCO 進行頻率輔助。
碼環(huán)主要包括C/A碼數(shù)控振蕩器(C/A碼NC0)、碼相位鑒別器和環(huán)路濾波器B，C/ A碼NCO產生本地C/A碼，同相(I)、正交(Q)兩路GPS基帶信號與本地C/A碼進行相關運 算，相關結果輸入到碼相位鑒別器中，碼相位鑒別器得到碼相位誤差，將得到的碼相位誤差 輸入環(huán)路濾波器B，碼相位誤差經(jīng)過環(huán)路濾波器B濾波處理后，對C/A碼NCO輸出控制信號， C/A碼NCO根據(jù)控制信號和輔助參數(shù)調整本地C/A碼相位，使得本地C/A碼相位與輸入的 GPS中頻中的碼相位對齊；碼環(huán)、載波環(huán)分別輸出C/A碼相位和載波頻率信息，將其轉換為偽距Ptj、偽距率 Pc作為量測信息輸入到組合處理單元；組合導航單元包括卡爾曼濾波器、輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)和距離、距離率轉換環(huán)節(jié)；距 離、距離率轉換環(huán)節(jié)根據(jù)SINS提供的載體位置、速度和姿態(tài)信息結合衛(wèi)星星歷計算出載體 與衛(wèi)星之間的距離P1和距離率A，并作為量測信息輸入到卡爾曼濾波器中；卡爾曼濾波器 利用碼環(huán)、載波環(huán)提供的偽距P e、偽距率Pc和計算得出的距離P1、距離率巧，對SINS、GPS 誤差狀態(tài)進行實時估計，并將濾波器估計的SINS誤差狀態(tài)反饋回SINS模塊中，對導航參數(shù) 誤差及慣性元件誤差進行補償；同時將GPS接收機鐘頻誤差估計信息傳輸給輔助參數(shù)計算 環(huán)節(jié)，所述的GPS接收機鐘頻誤差為本地數(shù)控振蕩器(NCO)的頻率誤差；輔助參數(shù)計算環(huán) 節(jié)根據(jù)校正后的SINS導航參數(shù)、衛(wèi)星星歷和GPS接收機鐘頻誤差估計信息計算得到輔助參 數(shù)，所述的輔助參數(shù)為C/A碼相位估計值、多普勒頻率估計值和GPS信號入射方向估計值， 將C/A碼相位估計值、多普勒頻率估計值和GPS信號入射方向估計值分別提供給碼環(huán)中的 C/A碼數(shù)控振蕩器、載波環(huán)中的載波數(shù)控振蕩器和干擾抑制模塊中的干擾處理器。本發(fā)明的優(yōu)點在干(1)本發(fā)明在GPS/SINS超緊組合的基礎上引入空域干擾抑制技術濾除GPS信號中 大功率的窄帶干擾，有效避免了 GPS射頻前端的飽和及阻塞，增強組合導航系統(tǒng)處理復雜 類型干擾信號的魯棒性能；(2)利用校正后的SINS導航參數(shù)和衛(wèi)星星歷計算出GPS信號的入射方向，進而得 到GPS信號的導向矢量，避免了干擾抑制算法對GPS信號導向矢量的估計環(huán)節(jié)，從而增強干 擾處理的實時性，能夠很好的滿足動態(tài)用戶導航定位的性能要求；(3)采用特征分析方法消除較小功率干擾信號對波束零陷深度的影響，直接將噪 聲特征矢量(與干擾特征矢量正交)的加權作為陣列天線的最優(yōu)權值，提高了干擾抑制算 法對不同干燥比(JNR)干擾環(huán)境的適應能力。


圖1為本發(fā)明ー種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)的結構示意圖；圖2為本發(fā)明SINS輔助的GPS信號跟蹤環(huán)節(jié)；圖3為本發(fā)明ー種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航實現(xiàn)方法的流程圖；圖中I-SINS模塊2-GPS陣列天線 3_射頻前端4_干拋職膜塊5-基帶處理単元 6-組合導航單元 101-慣性測量元件 H導節(jié)301-帶通濾波器 302-低噪放大器 303-本地振蕩器 1自動增
305-中頗濾濁放ナ 30fi-A/D鮮拖惡 401-干擾拾涮環(huán)節(jié) 402-干擾々卜理惡
501-捕獲環(huán)節(jié)502-載波環(huán)503-碼環(huán)504-載波NCO505-載波相位鑒別器506-環(huán)路濾波器A 507-C/A碼NCO爭職509-環(huán)路濾波器β 601-卡爾曼濾波器602-輔助參數(shù)計算環(huán)603-距離、距離率轉節(jié)換環(huán)節(jié)
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明的一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)，如圖1所示，包括SINS模塊 1、GPS陣列天線2、射頻前端3、干擾抑制模塊4、基帶處理單元5和組合導航單元6 ；SINS模塊1包括慣性測量元件(IMU) 101和導航解算環(huán)節(jié)102。慣性測量元件101 中有陀螺儀和加速度計，分別用來測量載體的角速率和比力，將得到的比力和角速率信息傳遞給導航解算環(huán)節(jié)102，導航解算環(huán)節(jié)102根據(jù)IMUlOl測得的比力和角速率信息計算出載體的位置(P)、速度(V)和姿態(tài)(A)，導航解算環(huán)節(jié)102將SINS導航參數(shù)傳輸給組合導航單元6，所述的SINS導航參數(shù)為載體的位置、速度和姿態(tài)；GPS陣列天線2采用四元圓陣陣型，用于區(qū)別接收信號的入射方向，并通過四個數(shù)據(jù)通道將接收信號傳輸給射頻前端3 ；射頻前端3包括帶通濾波器(BPF) 301、低噪放大器 (LNA) 302、本地振蕩器303、自動增益控制(AGC) 304、中頻(IF)濾波放大環(huán)節(jié)305和模數(shù)轉換器(A/D)306 ；BPF301具有頻率選擇作用，能夠濾除陣列天線2接收信號中的帶外干擾， 并將濾波后的信號送給LNA302進行低噪放大，使極弱的GPS接收信號放大到可以進行模數(shù)轉換的程度，低噪放大后的接收信號將與本地振蕩器303提供的本地載波信號進行混頻處理，得到中頻接收信號后送給中頻濾波放大環(huán)節(jié)305，AGC304控制中頻濾波放大環(huán)節(jié)305 的放大幅度，使其滿足A/D轉換器306動態(tài)范圍的要求，A/D轉換器306將中頻濾波放大后的中頻接收信號由模擬類型轉換為數(shù)字類型，并將數(shù)字中頻接收信號傳輸給干擾抑制模塊 4 ；干擾抑制模塊4包括干擾檢測單元401和干擾處理器402 ；干擾檢測單元401根據(jù)四路數(shù)字中頻接收信號相關矩陣的特征值分布判斷數(shù)字中頻接收信號中是否存在大功率電磁干擾，并將檢測結果反饋給AGC304，干擾檢測結果同時用于啟動干擾處理器402 ；如果存在大功率電磁干擾，則啟動干擾處理器402，干擾處理器402通過調節(jié)各數(shù)據(jù)通道的權值 (復權值，包括幅度和相位)使陣列天線波束零陷對準干擾方向，濾除大功率的電磁干擾， 并將干擾抑制后的數(shù)字中頻接收信號傳輸給基帶處理單元5，如果不存在大功率電磁干擾， A/D轉換器306輸出的數(shù)字中頻接收信號將直接傳輸給基帶處理單元5 ；基帶處理單元5包括GPS信號的捕獲環(huán)節(jié)501和跟蹤環(huán)節(jié)；捕獲環(huán)節(jié)501的主要功能是識別載體所有的可見衛(wèi)星，捕獲環(huán)節(jié)501根據(jù)輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)602提供的輔助參數(shù)快速調節(jié)捕獲環(huán)節(jié)501中的偽碼發(fā)生器、本地振蕩器使本地偽碼相位及載波頻率與數(shù)字中頻接收信號的偽碼相位和載波頻率粗略對齊，所述的輔助參數(shù)包括GPS載波信號多普勒頻移和C/A碼相位；捕獲環(huán)節(jié)501將捕獲到的C/A碼相位和載波頻率作為初始化信息分別輸送給跟蹤環(huán)節(jié)的C/A碼數(shù)控振蕩器507、載波數(shù)控振蕩器504，跟蹤環(huán)節(jié)將對捕獲到的C/ A碼相位和載波頻率進行細化處理；如圖2所示，跟蹤環(huán)節(jié)包括載波環(huán)502和碼環(huán)503，載波環(huán)502主要包括載波數(shù)控振蕩器(載波NC0)504、載波相位鑒別器505和環(huán)路濾波器A506 ；數(shù)字中頻接收信號與載波 NC0504生成的本地載波余弦、正弦信號進行混頻運算，得到同相I、正交Q兩路GPS基帶信號，同相I、正交Q兩路GPS基帶信號與C/A碼數(shù)控振蕩器(C/A碼NC0) 507生成的本地C/A 碼進行相關運算，相關結果輸入到載波相位鑒別器505中，載波相位鑒別器505得到載波相位誤差，將得到的載波相位誤差輸入環(huán)路濾波器A506，載波相位誤差經(jīng)過環(huán)路濾波器A506 濾波處理后，對載波NC0504輸出控制信號，載波NC0504根據(jù)控制信號和輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié) 602提供的多普勒頻率信息調節(jié)本地載波的頻率、相位，使之與數(shù)字中頻接收信號的載波頻率、相位精確對齊；同時，載波NC0504將調整后的本地載波頻率通過比例因子轉換對C/A碼 NC0507進行頻率輔助。碼環(huán)503主要包括C/A碼數(shù)控振蕩器(C/A碼NC0) 507、碼相位鑒別器508和環(huán)路濾波器B509，C/A碼NC0507產生本地C/A碼，同相I、正交Q兩路GPS基帶信號與本地C/ A碼進行相關運算，相關結果輸入到碼相位鑒別器508中，碼相位鑒別器508得到碼相位誤差，將得到的碼相位誤差輸入環(huán)路濾波器B509，碼相位誤差經(jīng)過環(huán)路濾波器B509濾波處理后，對C/A碼NC0507輸出控制信號，C/A碼NC0507根據(jù)控制信號和輔助參數(shù)調整本地C/ A碼相位，使得本地C/A碼相位與輸入數(shù)字中頻接收信號中的碼相位精確對齊；所述的輔助參數(shù)由跟蹤環(huán)節(jié)具體的工作模式?jīng)Q定；為防止載波環(huán)502工作性能下降對碼環(huán)503造成污染，并保證碼環(huán)503的穩(wěn)定性以及組合導航系統(tǒng)的可靠性，將碼環(huán)503設置為載波輔助模式和SINS輔助模式，通過控制開關實現(xiàn)兩種工作模式的切換；當載波環(huán)502工作正常時，連接觸點a、b，利用本地載波頻率信息對碼環(huán)503進行輔助，所述的輔助參數(shù)為通過比例因子轉換的本地載波頻率；若載波環(huán)502發(fā)生異常，則斷開觸點a、b，連接觸點a，c,由輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)602輔助碼環(huán)203， 此時，所述的輔助參數(shù)為多普勒頻率；載波環(huán)502中的環(huán)路濾波器A506、碼環(huán)503中的環(huán)路濾波器B509分別輸出載波頻率和碼相位信息，將其轉換為偽距率/ 、偽距Pe作為量測信息輸入到組合導航單元6 ；組合導航單元6包括卡爾曼濾波器601、輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)602和距離、距離率轉換環(huán)節(jié)603 ；組合導航單元6中的距離、距離率轉換環(huán)節(jié)603根據(jù)SINS模塊1提供的載體位置、速度和姿態(tài)信息結合衛(wèi)星星歷計算出載體與衛(wèi)星之間的距離P χ和距離率約，并作為量測信息傳輸給卡爾曼濾波器601，卡爾曼濾波器601利用碼環(huán)503、載波環(huán)502提供的偽距P e、偽距率Pc和計算得出的距離P1、距離率A，對SINS、GPS誤差狀態(tài)進行實時估計，并將濾波器估計的SINS誤差狀態(tài)反饋回SINS導模塊1，對導航參數(shù)誤差及慣性元件誤差進行補償；同時將GPS接收機鐘頻誤差估計信息傳輸給輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)602 ；所述的SINS導航參數(shù)誤差包括載體位置、速度和姿態(tài)誤差，所述的慣性元件誤差包括加速度計零偏和陀螺儀漂移誤差，所述的GPS接收機鐘頻誤差為本地數(shù)控振蕩器(NCO)的頻率誤差；輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)602根據(jù)校正后的SINS導航參數(shù)、衛(wèi)星星歷和GPS接收機鐘頻誤差估計信息計算得到輔助參數(shù)，所述的輔助參數(shù)為多普勒頻率估計值、C/A碼相位估計值和GPS信號入射方向估計值，將多普勒頻率估計值、C/A碼相位估計值和GPS信號入射方向估計值分別提供給載波環(huán)502中的載波NC0504、碼環(huán)503中的C/A碼NC0507及干擾抑制模塊中的干擾處理器402。本發(fā)明的一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航實現(xiàn)方法，流程如圖3所示，具體包括以下步驟步驟一 GPS信號接收及射頻前端處理；GPS陣列天線2采用四元圓陣陣型，將接收到的GPS射頻信號通過四個數(shù)據(jù)通道傳輸給射頻前端3 ；射頻前端3對GPS射頻信號進行帶通濾波、低噪放大、混頻及A/D轉換處理，得到GPS數(shù)字中頻信號，將GPS數(shù)字中頻信號輸入到干擾檢測環(huán)節(jié)401。步驟二 大功率電磁干擾檢測；干擾檢測環(huán)節(jié)401首先計算GPS數(shù)字中頻接收信號的相關矩陣R，并根據(jù)相關矩陣R的特征值分布情況判斷數(shù)字中頻接收信號中是否存在大功率干擾。實際計算中，對相關矩陣R的估計為
權利要求
1.一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)，其特征在于，包括SINS模塊、GPS陣列天線、射頻前端、干擾抑制模塊、基帶處理單元和組合導航單元；SINS模塊通過測量載體的角速率和比力，計算出載體的位置、速度和姿態(tài)，將載體的位置、速度和姿態(tài)傳輸給組合導航單元；GPS陣列天線接收信號，并將接收信號傳輸給射頻前端；射頻前端濾除陣列天線接收信號中的帶外干擾，然后進行低噪放大，放大后的信號與射頻前端提供的本地載波信號進行混頻處理，得到中頻接收信號，然后將中頻接收信號由模擬類型轉換為數(shù)字類型，傳輸給干擾抑制模塊；干擾抑制模塊首先判斷數(shù)字中頻接收信號中是否存在大功率電磁干擾，如果存在大功率電磁干擾，濾除大功率的電磁干擾，并將干擾抑制后的數(shù)字中頻接收信號傳輸給基帶處理單元，如果不存在大功率電磁干擾，射頻前端輸出的數(shù)字中頻接收信號直接傳輸給基帶處理單元；基帶處理單元首先粗略捕獲數(shù)字中頻接收信號的C/A碼相位和載波頻率，然后對中頻接收信號的C/A碼相位和載波頻率進行精確跟蹤，然后將得到的C/A碼相位和載波頻率轉換為偽距Pe、偽距率/ 輸入到組合導航單元；組合導航單元根據(jù)SINS模塊提供的載體位置、速度和姿態(tài)信息結合衛(wèi)星星歷計算出載體與衛(wèi)星之間的距離P1和距離率外，并利用偽距P e、偽距率Pc和距離P1、距離率約，對 SINS、GPS誤差狀態(tài)進行實時估計，SINS誤差狀態(tài)反饋回SINS導模塊，進行誤差補償，然后根據(jù)校正后的SINS導航參數(shù)、衛(wèi)星星歷和GPS接收機鐘頻誤差估計信息計算得到多普勒頻率估計值、C/A碼相位估計值和GPS信號入射方向估計值，將多普勒頻率估計值、C/A碼相位估計值和GPS信號入射方向估計值分別提供給基帶處理單元及干擾抑制模塊。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)，其特征在于，所述的SINS模塊包括慣性測量元件和導航解算環(huán)節(jié)，慣性測量元件中包括陀螺儀和加速度計，分別用來測量載體的角速率和比力，將得到的比力和角速率信息傳遞給導航解算環(huán)節(jié)， 導航解算環(huán)節(jié)根據(jù)慣性測量元件測得的比力和角速率信息計算出載體的位置、速度和姿態(tài)，導航解算環(huán)節(jié)將SINS導航參數(shù)傳輸給組合導航單元，所述的SINS導航參數(shù)為載體的位置、速度和姿態(tài)。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)，其特征在于，所述的GPS陣列天線采用四元圓陣陣型，用于區(qū)別接收信號的入射方向，并通過四個數(shù)據(jù)通道將接收信號傳輸給射頻前端。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)，其特征在于， 所述的射頻前端包括帶通濾波器、低噪放大器、本地振蕩器、自動增益控制、中頻濾波放大環(huán)節(jié)和模數(shù)轉換器；帶通濾波器濾除陣列天線接收信號中的帶外干擾，并將濾波后的信號送給低噪放大器進行低噪放大，使GPS接收信號放大到能夠進行模數(shù)轉換，低噪放大后的接收信號將與本地振蕩器提供的本地載波信號進行混頻處理，得到中頻接收信號后送給中頻濾波放大環(huán)節(jié)，自動增益控制控制中頻濾波放大環(huán)節(jié)的放大幅度，使其滿足模數(shù)轉換器動態(tài)范圍的要求，模數(shù)轉換器將中頻濾波放大后的中頻接收信號由模擬類型轉換為數(shù)字類型，并將數(shù)字中頻接收信號傳輸給干擾抑制模塊。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)，其特征在于，所述的干擾抑制模塊包括干擾檢測單元和干擾處理器；干擾檢測單元根據(jù)四路數(shù)字中頻接收信號相關矩陣的特征值分布判斷數(shù)字中頻接收信號中是否存在大功率電磁干擾，并將檢測結果反饋給射頻前端的自動增益控制，干擾檢測結果同時用于啟動干擾處理器；如果存在大功率電磁干擾，則啟動干擾處理器，干擾處理器通過調節(jié)各數(shù)據(jù)通道的權值使陣列天線波束零陷對準干擾方向，濾除大功率的電磁干擾，并將干擾抑制后的數(shù)字中頻接收信號傳輸給基帶處理單元，如果不存在大功率電磁干擾，射頻前端的模數(shù)轉換器輸出的數(shù)字中頻接收信號將直接傳輸給基帶處理單元。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)，其特征在于，所述的基帶處理單元包括GPS信號的捕獲環(huán)節(jié)和跟蹤環(huán)節(jié)，捕獲環(huán)節(jié)根據(jù)組合導航單元的輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)提供的輔助參數(shù)快速調節(jié)捕獲環(huán)節(jié)中的偽碼發(fā)生器、本地振蕩器使本地偽碼相位及載波頻率與數(shù)字中頻接收信號的偽碼相位和載波頻率粗略對齊，所述的輔助參數(shù)包括GPS載波信號多普勒頻移和C/A碼相位；捕獲環(huán)節(jié)將捕獲到的C/A碼相位和載波頻率作為初始化信息分別輸送給跟蹤環(huán)節(jié)的C/A碼數(shù)控振蕩器、載波數(shù)控振蕩器，跟蹤環(huán)節(jié)將對捕獲到的C/A碼相位和載波頻率進行細化處理；跟蹤環(huán)節(jié)包括載波環(huán)和碼環(huán)，載波環(huán)主要包括載波數(shù)控振蕩器、載波相位鑒別器和環(huán)路濾波器A ；數(shù)字中頻接收信號與載波相位鑒別器生成的本地載波余弦、正弦信號進行混頻運算，得到同相I、正交Q兩路GPS基帶信號，同相I、正交Q兩路GPS基帶信號與C/A碼數(shù)控振蕩器生成的本地C/A碼進行相關運算，相關結果輸入到載波相位鑒別器中，載波相位鑒別器得到載波相位誤差，將得到的載波相位誤差輸入環(huán)路濾波器A，載波相位誤差經(jīng)過環(huán)路濾波器A濾波處理后，對載波數(shù)控振蕩器輸出控制信號，載波數(shù)控振蕩器根據(jù)控制信號和組合導航單元的輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)提供的多普勒頻率信息調節(jié)本地載波的頻率、相位， 使之與數(shù)字中頻接收信號的載波頻率、相位精確對齊；同時，載波數(shù)控振蕩器將調整后的本地載波頻率通過比例因子轉換對C/A碼數(shù)控振蕩器進行頻率輔助；碼環(huán)主要包括C/A碼數(shù)控振蕩器、碼相位鑒別器和環(huán)路濾波器B，C/A碼數(shù)控振蕩器產生本地C/A碼，同相I、正交Q兩路GPS基帶信號與本地C/A碼進行相關運算，相關結果輸入到碼相位鑒別器中，碼相位鑒別器得到碼相位誤差，將得到的碼相位誤差輸入環(huán)路濾波器 B，碼相位誤差經(jīng)過環(huán)路濾波器B濾波處理后，對C/A碼數(shù)控振蕩器輸出控制信號，C/A碼數(shù)控振蕩器根據(jù)控制信號和輔助參數(shù)調整本地C/A碼相位，使得本地C/A碼相位與輸入數(shù)字中頻接收信號中的碼相位精確對齊；載波環(huán)中的環(huán)路濾波器A、碼環(huán)中的環(huán)路濾波器B分別輸出載波頻率和碼相位信息，將其轉換為偽距率/ 、偽距P G作為量測信息輸入到組合導航單元。
7.根據(jù)權利要求6所述的一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)，其特征在于，所述的輔助參數(shù)由跟蹤環(huán)節(jié)具體的工作模式?jīng)Q定，具體為碼環(huán)設置為載波輔助模式和SINS 輔助模式，通過控制開關實現(xiàn)兩種工作模式的切換；當載波環(huán)工作正常時，連接觸點a、b， 利用本地載波頻率信息對碼環(huán)進行輔助，所述的輔助參數(shù)為通過比例因子轉換的本地載波頻率；若載波環(huán)發(fā)生異常，則斷開觸點a、b，連接觸點a，c,由組合導航單元的輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)輔助碼環(huán)，所述的輔助參數(shù)為多普勒頻率。
8.根據(jù)權利要求1所述的一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)，其特征在于，所述的組合導航單元包括卡爾曼濾波器、輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)和距離、距離率轉換環(huán)節(jié)；組合導航單元中的距離、距離率轉換環(huán)節(jié)根據(jù)SINS模塊提供的載體位置、速度和姿態(tài)信息結合衛(wèi)星星歷計算出載體與衛(wèi)星之間的距離ρ x和距離率A，并作為量測信息傳輸給卡爾曼濾波器，卡爾曼濾波器利用基帶處理單元的碼環(huán)、載波環(huán)提供的偽距P e、偽距率Pc和計算得出的距離P工、距離率A，對SINS、GPS誤差狀態(tài)進行實時估計，并將濾波器估計的SINS誤差狀態(tài)反饋回SINS導模塊，對導航參數(shù)誤差及慣性元件誤差進行補償；同時將GPS接收機鐘頻誤差估計信息傳輸給輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)；所述的SINS導航參數(shù)誤差包括載體位置、速度和姿態(tài)誤差，所述的慣性元件誤差包括加速度計零偏和陀螺儀漂移誤差，所述的GPS接收機鐘頻誤差為本地數(shù)控振蕩器(NCO)的頻率誤差；輔助參數(shù)計算環(huán)節(jié)根據(jù)校正后的SINS導航參數(shù)、衛(wèi)星星歷和GPS接收機鐘頻誤差估計信息計算得到輔助參數(shù)，所述的輔助參數(shù)為多普勒頻率估計值、C/A碼相位估計值和GPS信號入射方向估計值，將多普勒頻率估計值、C/A碼相位估計值和GPS信號入射方向估計值分別提供給基帶處理單元載波環(huán)中的載波數(shù)控振蕩器、碼環(huán)中的C/A碼數(shù)控振蕩器及干擾抑制模塊中的干擾處理器。
9. 一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航實現(xiàn)方法，其特征在于，具體包括以下步驟 步驟一 GPS信號接收及射頻前端處理；GPS陣列天線采用四元圓陣陣型，將接收到的GPS射頻信號通過四個數(shù)據(jù)通道傳輸給射頻前端；射頻前端對GPS射頻信號進行帶通濾波、低噪放大、混頻及A/D轉換處理，得到 GPS數(shù)字中頻信號，將GPS數(shù)字中頻信號輸入到干擾檢測環(huán)節(jié)； 步驟二 大功率電磁干擾檢測；干擾檢測環(huán)節(jié)首先計算GPS數(shù)字中頻接收信號的相關矩陣R，并根據(jù)相關矩陣R的特征值分布情況判斷數(shù)字中頻接收信號中是否存在大功率干擾； 相關矩陣R的估計為
10.根據(jù)權利要求9所述的一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航實現(xiàn)方法，其特征在于，所述的步驟五，對于單顆GPS衛(wèi)星，其信號入射方向的俯仰角θ與方位角￠)表示為
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高抗干擾性能GPS/SINS組合導航系統(tǒng)及實現(xiàn)方法，屬于導航技術領域，系統(tǒng)包括GPS陣列天線及射頻前端、干擾抑制模塊、GPS基帶處理環(huán)節(jié)、SINS模塊和組合導航單元。方法包括步驟一GPS信號接收及射頻前端處理；步驟二大功率電磁干擾檢測；步驟三自適應調節(jié)天線波束，濾除大功率干擾信號；步驟四GPS、SINS導航解算及信息融合；步驟五獲取輔助參數(shù)。本發(fā)明具有優(yōu)良的動態(tài)跟蹤能力和抗干擾性能，能夠有效避免大功率干擾信號造成GPS射頻前端飽和及阻塞，提高導航系統(tǒng)應對復雜類型干擾環(huán)境的魯棒性能。
文檔編號G01S19/49GK102353970SQ20111015506
公開日2012年2月15日 申請日期2011年6月10日 優(yōu)先權日2011年6月10日
發(fā)明者王新龍, 紀新春 申請人:北京航空航天大學