惯性／双星定位组合导航可行性及其性能分析.pdf

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1、惯性/双星定位组合导航的可行性及其性能分析罗建军袁建平（西北工业大学航天工程学院，西安710072）摘要：介绍了双星定位导航的原理和特点；分析了惯性/双星定位组合的必要性和可行性；针对惯性/双星定位组合导航在飞行器上应用存在的有关问题进行了讨论，提出了可能的对策。通过不同方案的比较分析，给出了较为实用的惯性/双星定位组合导航系统设计方案，并对该组合导航系统方案进行了仿真计算和结果分析。研究结果表明，采用按精度要求进行惯性/双星定位位置组合，可以在某种程度上弥补双星定位导航系统为有源系统的缺点，并具有较高的精度。关键词：双星定位导航系统；惯性导航系统；组合导航系统0.引言2000年10月30日

2、、12月21日和2003年5月25日，我国的“北斗一号”双星定位导航通信系统的三颗卫星成功发射，标志着我国拥有了自己的第一代卫星导航定位系统。这对于满足我国国民经济、国防建设的需要，推动卫星导航定位技术的应用和卫星导航定位事业的发展，具有重大的经济和社会意义。目前，各个部门正在加紧“北斗一号”系统的增强系统研究和“北斗二代”系统的论证工作、双星定位导航用户设备的研制及其相关应用技术的研究和实验工作。本文简要介绍了北斗导航系统的组成、工作原理、功能和特点；对惯性导航和双星定位导航组合的可行性进行了分析；对惯性/双星定位导航组合导航的方案和性能进行了仿真计算和分析。1.双星系统的工作原理及特点1

3、.1.双星系统的原理及功能北斗卫星导航系统是利用地球同步卫星对目标实施快速定位，同时兼有报文通信和授时定时功能的一种新型、全天候、高精度、区域性的卫星导航定位系统。北斗卫星导航系统的工作过程是，首先由地面控制中心向两颗卫星发送询问信号，经卫星上转发器向服务区内的用户广播，用户响应其中一颗卫星的询问信号，并同时向两颗卫星发送响应信号（用户的申请服务内容包含在内），经卫星上转发器向地面中心转发，地面中心接收解调用户发送的信号，可分别计算出用户至两颗卫星的距离，然后根据用户的申请服务内容进行相应的数据处理。对定位申请，根据测出的用户至卫星的距离，加上从储存在计算机内的数字地图查询到的用户高程值（或

4、由用户携带的测高仪提供），采用三球交会测量原理计算出用户所在点的坐标位置，然后置入出站信号中发送给用户，用户收此信号后便知自己的坐标位置。对通信申请，地面中心将通信内容置入出站信号中，按收信地址转发给收信人。对定时申109请，地面中心将计算出该用户精确的定时时延修正值，然后将此时时延修正值置入出站信号中发送给用户，用户按此数据调整本地时钟，使之与地面中心时钟同步。北斗卫星导航系统的主要功能有：1)快速定位（导航）：可为服务区内用户提供全天候、高精度、快速实时定位服务。定位精度为20~100米（1σ），定位可在1秒种内完成。2)简短通信：用户与用户、用户与中心控制站均可实行双向简短数字报文通信

5、；一次可传送120个汉字信息。3)精密定时：系统具有单向和双向两种授时功能。单向授时终端的时间同步精度为100ns，双向授时终端的时间同步精度为20ns。4)差分定位服务：北斗导航定位卫星可作为GPS增强系统的转发卫星，增强系统2~5m精度的GPS差分定位信息通过北斗卫星向覆盖区域内用户转发，用户使用单机即可得到连续、可靠、完好的GPS高精度定位信息。1.2.双星系统的特点与GPS等无源卫星系统相比，双星的最大优点在于报文通讯。用户与地面站组可以双向通讯，用户向中心报告自己的状况并提出帮助或救援请求，中心对所有用户进行识别、监视、指挥和控制，形成一个集导航、通讯、识别、监视、指挥调度于一体的

6、全功能系统。另外，还有连续覆盖范围大、定位精度较高、用户设备简单、系统成本低等一系列优点。但是由于系统自身的缺陷，使之存在一定的缺点和使用的局限性，尤其在用于高动态军事用户时存在以下问题：1)系统生存能力弱。双星定位导航系统是一个有节点系统。所有信息解算都集中于地面中心，不但对中心的处理能力要求极高，而且一旦中心站节点被干扰或破坏，将导致整个系统瘫痪。2)有源工作方式，用户数量有限且隐蔽性差。用户量大时，会出现系统饱和或信号重迭；军事用户有被敌方发现目标甚至截获信息的危险。3)定位计算延迟时间较长，定位数据输出频率有限，定位精度和实时性较差。4)双星系统实质上是二维定位系统，必须借助于第三个

7、定位参考量。2.惯性/双星定位组合的可行性分析2.1.惯性/双星定位组合的必要性惯性/双星定位组合导航系统由惯性导航系统（INS或IMU）、双星定位系统（用户收发机）和完成信息融合的导航计算机组成。惯性导航和双星定位进行组合具有极大的必要性。因为，组合导航是提高惯性导航系统精度和性能的有效手段；惯性/卫星定位组合导航系统具有较高的性能，是一种比较理想的惯性组合导航系统，在武器系统中获得了广泛应用；“北斗一号”