MEMS和平台定向和GNSS /惯性系统的深度集成

问:GPS接收机或MEMS(微机电系统)惯性传感器组件如何感知主机平台的方向?这些传感器技术如何结合在一起?

问:GPS接收机或MEMS(微机电系统)惯性传感器组件如何感知主机平台的方向?这些传感器技术如何结合在一起?

A:许多应用需beplay平台是黑网要主平台的方向或姿态信息,如自动飞行控制、机载测绘或成像、天线指向控制等。姿态可以用以下任何一组参数在数学上表示:四元数、方向余弦矩阵、吉布斯向量或欧拉角。所有这些表示在数学上是等价的,并且可以相互转换。

来自GPS的态度决定

两个或多个具有L1载波相位输出能力的独立GPS接收机构成姿态确定(AD)系统的基础。然而,大多数商业AD产品使用一个通用的参考时钟将接收到的GPS射频信号转换成中频(IF)。然后,中频信号被送入跟踪环路,以解调GPS数据,并产生伪距、多普勒和载波相位等观测值。

使用共同时钟基准的一个好处是所有天线载波相位测量的时钟误差是共同的,因此可以通过在天线之间形成单差来消除时钟误差。这对于从天线间的单差分载波相位导出姿态解是至关重要的。

GPS广告算法使用天线间单差异通常分为三个功能类别:线偏置解决方案,整数模糊分辨率和姿态解决方案,将稍后讨论。但是,如果使用双差别测量,则不再需要线路偏置解决方案。

线偏置主要是由天线和接收器之间的电缆长度的差异引起的。它们通常被视为恒定的数量并通过操作GPS姿态确定接收器之前的程序校准。它们也可以被视为系统的状态向量的组件,因此随着其他州估计。

因为GPS接收器只能测量载波相的分数部分,所以天线和卫星之间的整数波长数未知。已经开发了许多方法来解决整数模糊问题,包括基于运动的方法,基于运动的方法,或两者​​的组合。

(关于李勇对这个问题的其余回答,请使用上面的PDF链接下载全文。)

问:组合惯性导航和GNSS系统(INS / GNSS)的深度集成的相干和非相干版本之间的差异是什么?

A:深度(或超紧密耦合)INS/GNSS集成与传统的集成架构(如紧密耦合)不同,将GNSS信号跟踪和INS/GNSS集成功能组合成一个单一的估计算法。在信号衰减、偶然干扰或故意干扰造成的信号噪声差的环境中,这提供了改进的GNSS信号跟踪性能。

图1(要查看所有数字和表格,请使用本文顶部的链接下载此故事的PDF版本)显示闭环深,或超紧密耦合(UTC),INS / GNSS集成架构。GNSS接收器执行输入的GNSS信号的前端调节和采样,然后将它们与内部生成的参考信号相关联。累计的相关器输出,称为和Qs,从GNSS接收器输出到INS / GNSS集成算法卡尔曼滤波器。

GNSS接收机输入数字控制振荡器(NCO)命令,控制参考信号,保持每个编码相位和载波频率与相应的传入GNSS信号对齐。NCO命令是使用(校正的)惯性导航解决方案、卫星星座星表参数、卫星和接收机时钟误差估计、电离层和对流层传播延迟估计生成的。最后,利用卡尔曼滤波对惯性导航解进行校正,形成组合导航解。

深度INS / GNSS集成算法可以分为两类,连贯和不连贯。相干算法将GNSS累计相关器输出,IS和QS直接输入到卡尔曼滤波器作为测量exet。非相干算法首先通过代码和载波鉴别器函数的IS和Qs,类似于传统GNSS信号跟踪中使用的函数。相干的深度集成可以进一步分为集中和联合方法。

图2显示GNSS接收器与集成算法与集中式卡尔曼滤波器相干深度集成的数据流。对于传统GPS信号,可以产生的最小速率和QS是由于导航消息数据比特导致50Hz的导航数据消息速率。因此,将IS和QS直接输入到卡尔曼滤波器需要它以50 Hz或更多次迭代。

对于新的无数据信号(例如,GPS L2C和Galileo L1的飞行员组件等),或者执行了导航数据清除的地方,还存在其他约束条件。测量向量也很大,分量的数量相当于跟踪信号数量的6倍(假设每个信号有三个复杂的相关器——early、prompt和late)。

(对于保罗Groves的其余部分对此问题的答案,请使用上面的PDF链接下载完整的文章。)

承认

Qinetiq的深度整合研发由英国国防部资助。

额外资源

Groves,P. D.和C. J. Mather And A. A. Macaulay,“展示非相干的深度INS / GPS集成,以优化的信号对噪音性能,”国际卫星导航系统学报2007,2007年9月。

Groves,P.D.,GNSS,惯性和多传感器集成导航系统的原理,Artech House,2008年1月。