题目：SINS/GPS超紧耦合导航系统技术研究

全球定位系统(Global Positioning Systems，GPS)具有高精度、全天候、全球覆盖等优点，在军用及民用领域得到了广泛的重视和应用。但随着应用环境的复杂化，GPS接收机的动态性与抗干扰能力已成为制约GPS发展的技术瓶颈。为了提高GPS接收机在高动态、强干扰及信号严重衰减等恶劣环境中的导航性能，论文对捷联惯导(Strapdown Inertial Navigation System，SINS)辅助GPS接收机的信号捕获与跟踪、抗干扰性能和完好性监测，以及自适应UKF(Unscented Kalman Filter)载波跟踪等内容进行了深入的研究和分析。主要的研究工作包括以下几个方面：(1) 提出了一种基于SINS辅助和Viterbi算法的高动态、微弱信号捕获方法。利用SINS测量信息与GPS星历估算载波多普勒频移及多普勒速率，缩小频率搜索范围，去除载体动态对信号捕获速度和灵敏度的影响；采用Viterbi算法对导航数据位进行最优估计，克服数据位翻转引起的差分相干累积信噪比增益衰减，并利用差分频率误差修正方法改善多普勒频移的捕获精度。信号中断后的重捕获实验表明，该方法能够在缩短捕获时间的前提下，显著提高对低载噪比GPS信号的捕获精度与灵敏度。(2) 设计了一种自适应UKF载波跟踪方案。采用UKF代替传统载波环的鉴相器与滤波器，消除鉴相器线性测量范围和滤波器带宽的限制；利用所设计的模糊控制器对过程噪声方差阵进行自适应调节，降低载体动态突变对载波跟踪性能的影响；根据输入信号噪声功率谱密度的检测结果实时调整量测噪声方差阵，消除对时变量测噪声的模型误差，从而改善环路在不同强度干扰环境中的跟踪精度。自适应UKF跟踪方案能够有效提高载波环的动态性能与抗干扰能力，进而增强接收机应对复杂多变环境的鲁棒性。(3) 针对组合系统在强干扰及弱信号环境中的导航应用，设计了一种基于SINS辅助和动态分割FFT(Fast Fourier Transform)的GPS载波跟踪方案。利用SINS提供的多普勒频率辅助，降低载体动态对环路带宽及FFT信噪比增益的影响；建立频率动态分割步长与FFT运算点数之间的关系，得出信噪比增益最优条件下二者的具体取值。根据载噪比检测结果切换跟踪模式，频域跟踪模式中，利用动态分割FFT算法精确估计、补偿SINS频率辅助误差，同时将误差估计值转化为伪距率差异作为量测信息进行组合滤波，从而抑制低载噪比环境SINS的误差发散。(4) 对SINS辅助GPS接收机的抗干扰性能进行了优化设计。基于SINS辅助PLL (Phase Lock Loop)的等效模型，详细分析了影响PLL跟踪性能的误差源，建立了PLL跟踪误差与载噪比、环路带宽的关系；基于最小化跟踪误差的准则调节环路带宽，以获得最优的跟踪精度与抗干扰容限。同时，利用阵列天线引入空域滤波技术，采用功率倒置算法在捕获、跟踪等基带处理前滤除大功率干扰信号，从而有效避免电磁干扰引起射频前端信号阻塞。(5) 针对GPS接收机自主完好性监测(Receiver Autonomous Integrity Monitoring， RAIM)的可用性易受卫星几何分布影响的问题，在残差一致性检测原理的基础上，设计了一种基于SINS辅助的多解分离GPS完好性监测方案，给出了SINS/GPS组合导航的层次滤波器结构与故障检测、隔离方法，并对其可用性进行了推导。仿真结果表明：在4颗可见星的条件下，该方案可有效检测并隔离单星阶跃、慢速伪距和伪距率异常等故障模式，从而使组合系统能够保持连续、精确的导航定位功能。