随着制导武器向着远程、高动态、高精度方向不断发展,全球导航卫星系统(GNSS)在高动态环境下的应用研究受到越来越多的关注。然而,高动态会给GNSS信号稳定跟踪带来严重影响,导致接收机无法实现连续稳定的高精度定位,为了能够支持武器发射的远程精确导航,必须提高GNSS接收机的高动态性能。目前精确制导武器己普遍采用GNSS/惯性导航系统(INS)的复合制导方式,两者的组合可以实现优势互补。传统的GNSS/INS松组合、紧组合结构可以一定程度上提高系统的导航性能,但对于高动态下GNSS卫星信号跟踪没有辅助作用。GNSS/INS深组合则可以利用INS消除接收机环路承受的动态应力,从而提升高动态下接收机对卫星信号的跟踪性能,是解决高动态GNSS信号跟踪与高精度定位导航问题的有效途径。国外己将高动态深组合技术广泛应用于精确制导武器当中,且成功研制了具有高动态GNSS载波相位测量能力的深组合制导系统,但对相关技术长期进行封锁和限制。国内高动态深组合技术研究多数仍停留在数据仿真验证阶段,并且以定性研究为主,缺乏指导系统设计的理论方法和测试方案,严重制约了国内高动态深组合技术的发展与应用。针对远程精确制导武器的高动态、高精度应用需求,本文基于GNSS/INS标量深组合方案建立了高动态深组合INS误差传递模型,对INS各误差源对环路载波相位跟踪性能的影响开展了定量分析与实验验证,在理论模型的指导下优化了高动态标量深组合系统设计,并基于信号模拟器高动态仿真场景和高速旋转平台实测场景,对载波相位跟踪性能及系统导航性能进行了全面测试与分析。主要研究工作包括以下几个方面：1.建立了深组合INS辅助GNSS艮踪环路模型,开展高动态标量深组合INS误差传递模型研究与分析。首先,在高动态匀加速(100g)直线运动条件下,从INS误差微分方程出发,结合INS辅助二阶PLL环路模型,建立了INS误差源与载波相位跟踪误差之间的传递模型。其次,基于建立的误差传递模型,针对载体沿北向、东向与垂向高动态匀加速直线运动的场景,定量分析了INS各误差源对载波相位跟踪性能的影响。分析结果表明：对于高动态匀加速直线运动,影响载波跟踪性能的主要INS误差源包括初始姿态角误差、加速度计比例因子、陀螺白噪声以及g敏感性误差；其中,初始姿态角误差通常与载体加速度耦合在一起,对环路性能影响最大；并且载体运动方向不同,载体与卫星的相对位置不同,影响环路性能的主要误差因素也不相同。2.基于典型高动态运动场景的仿真,定量验证了高动态深组合系统的INS误差传递模型。利用GNSS/IMU信号模拟器分别仿真了载体沿北向、东向和垂向匀加速(100g)直线运动场景,并基于自主研发的高动态标量深组合系统软件开展测试验证分析。之后,将仿真测试得到的不同等级INS辅助条件下的载波相位跟踪误差,与相同条件下误差模型定量分析结果进行比较。对比结果表明：仿真测试结果与误差模型分析结果吻合,验证了所建立的误差传递模型的正确性与合理性。3.基于误差模型分析与验证结果,优化了高动态标量深组合系统设计。(a)针对组合导航修正作用对环路性能的影响,提出了INS辅助信息频率阶跃补偿方法。优化测试结果表明：频率阶跃补偿环节可以有效消除组合导航修正引入的频率阶跃扰动,使深组合系环路跟踪更加稳健。(b)针对高动态下IMU数据采样和解算频率不足的问题,设计了INS辅助信息的等加速度外推算法。测试结果表明：当载体具有恒定的加速度或加加速度时,等加速度外推方法可以有效消除或减小IMU数据采样和解算频率不足对环路性能的影响。(c)基于误差模型分析结果,重点考虑主要误差因素影响,分析了高动态深组合载波环路跟踪误差与带宽的关系,结果表明：在100g加速度高动态应用场境中,MEMS INS辅助的二阶PLL环路带宽应不小于17Hz,采用战术级INS辅助时,带宽可以减小至5Hz。(d)采用误差模型分析结果,指导了高动态深组合系统惯性器件选型,分析结果表明：在载噪比45dB-Hz、环路带宽20Hz及相干积分时间1ms条件下,当INS航向角误差为不大于1deg时,深组合系统可以保持100g、100g/s动态的载波相位稳定跟踪。4.分别采用模拟器仿真和转台实测方法,对高动态深组合系统的性能进行测试评估。(a)利用GNSS/IMU信号模拟器仿真典型高动态直线运动场景与圆周运动场景,其中最大线加速度100g,向心加速度50g,最大加加速度100g/s。利用优化设计后的标量深组合系统软件处理仿真数据,分析了INS辅助前后的载波相位跟踪性能与系统导航定位性能。结果表明：高动态条件下,普通二阶、三阶PLL环路无法保持载波相位的稳定跟踪,INS辅助的二阶PLL环路则始终保持载波相位的连续稳定跟踪并保持连续高精度的定位性能；仿真测试结果还表明,MEMS INS可以用于辅助高动态载波相位跟踪。(b)自主设计了高速旋转平台,并对深组合系统开展了较高动态(5g,30g/s)圆周运动实测实验。利用高动态标量深组合软件处理实测数据并分析了MEMS INS辅助前后的载波相位跟踪性能与导航性能。实测结果表明：基于MEMS INS的标量深组合环路不仅可以保持载波相位的稳定跟踪,还可以通过减小环路带宽、延长相干积分时间提高载波相位测量精度；同时,普通接收机在高动态下由于信号失锁无法输出连续有效的量测信息,造成组合导航结果发散,深组合系统则始终保持高精度的组合导航结果输出。实测实验表明本文设计的高动态深组合系统可以用于实际的高动态运动环境。综上所述,本文对高动态标量深组合跟踪技术开展了深入研究,建立了完整的高动态深组合INS误差传递模型,定量分析了INS误差源对环路性能的影响规律,优化了高动态标量深组合系统设计,并开展了充分的仿真与现场实测验证分析。本文的研究成果可以进一步支持高动态深组合系统的工程化实现。