北斗卫星导航系统已经组网成功并在亚太地区提供服务,是全球四大卫星导航系统之一。现阶段航空航天领域的导航需求日渐迫切,因此北斗卫星导航系统的高动态应用成为研究热点。本文以高动态飞行器为应用背景,以GNSS/INS紧组合系统惯性辅助的基带跟踪环路为研究对象,研究速度辅助、加速度辅助、加加速度辅助的PLL结构和辅助方法,并分析辅助的PLL稳态误差和瞬态误差,以实现高动态卫星信号的稳定跟踪。本文的主要工作和创新点包括以下几个方面:1.研究了GNSS/INS紧组合系统的基带跟踪环路表达式,设计了载波/码联合滤波器。将传统的离散形式跟踪环路表示成状态向量形式,结构简单明确,能够实时输出码相位、载波相位、载波多普勒频率及其变化率。在此基础上,设计了载波/码联合滤波环路,将载波跟踪和码跟踪在同一环路滤波器中完成。采用北斗B3频点数据进行验证,静态条件下,三阶PLL和一阶DLL组成的联合滤波环路相位精度提高27%;高动态条件下,同阶次的独立滤波环路不能准确估计40g高动态信号的多普勒频率及其变化率,而联合滤波环路可稳定跟踪,跟踪误差约为0.033周(12°,1?)。2.分析了PLL的瞬态响应过程,采用经典控制理论中的高阶系统瞬态指标分析方法、相平面法以及等效的微分方程法对PLL的拖入时间和瞬态相位误差极限值进行计算。PLL的稳态误差和瞬态误差均满足各自阈值的情况下可稳定跟踪。分析和仿真实验结果表明,载体-卫星视线加速度阶跃是引起三阶PLL拖出并失锁的主要原因。3.研究了惯性辅助的PLL结构及其稳定性。首先提出了速度和加速度直接辅助和间接辅助两种辅助方法。直接辅助方法和间接辅助方法各具优势:直接辅助方法瞬态响应过程迅速,瞬态性能更优;间接辅助方法不受辅助信息误差偏值的影响。分析了上述辅助方法的PLL稳态误差和瞬态误差,并给出稳定跟踪所需满足的误差阈值。其次研究了速度辅助的PLL误差传递机理,并推导了误差放大系数。分析结果表明,速度直接辅助的PLL误差放大系数小于间接辅助的PLL。GNSS/INS紧组合系统中辅助信息更新率低于环路更新率,导致辅助信息时间延迟,研究了辅助信息时间延迟对跟踪性能的影响。实验结果表明,若辅助信息存在时间延迟,直接辅助的PLL跟踪相位偏差增大,间接辅助的PLL跟踪相位噪声增大,上述作用对加速度辅助方式的影响远小于速度辅助方式。4.采用GNSS信号模拟器生成的高动态卫星射频信号和同步输出的惯导数据对GNSS/INS紧组合系统样机进行了定位测速实验验证,ECEF坐标系下,载体最大加速度为50g,最大加加速度为5g/s。无辅助情况下,样机无法跟踪上述高动态卫星信号。加速度辅助情况下,样机可稳定跟踪,载体作水平面圆周运动时,三维位置误差为0.24m(RMS),速度误差为0.06m/s(RMS);载体作往复直线运动时,三维位置误差为0.39m(RMS),速度误差为0.44m/s(RMS)。5.针对存在较高视线加加速度的高动态应用背景,提出了基于KFPLL的自适应跟踪方法与加加速度辅助跟踪方法。其中,自适应KFPLL能够根据相位误差调整KFPLL滤波器状态噪声矩阵相关参数,有效提高无辅助PLL对视线加加速度信号的跟踪性能。此外,加加速度辅助的KFPLL基于非线性跟踪微分器,由视线加速度估计视线加加速度,调整KFPLL滤波器状态噪声矩阵相关参数。若采用加速度辅助方法,辅助信息偏差可导致直接辅助的PLL产生相位偏差,视线动态性变化可导致间接辅助的PLL产生较长的瞬态过程,加加速度辅助的KFPLL解决了上述问题。采用GNSS模拟器输出的北斗B3频点数据进行验证,实验结果表明,上述方法可有效跟踪10g/s视线加加速度的卫星信号。