全球导航卫星系统(GNSS)与惯性导航系统(INS)具有很强的互补性,二者组合的理论方法研究一直是导航领域的研究热点。按照GNSS信息类型,GNSS/INS组合导航可分为基于GNSS导航结果的松组合、基于GNSS观测数据的紧组合和基于GNSS基带信号的深组合系统。GNSS普及以前,惯性导航一直是导航领域的主体,松组合主要是GNSS对INS的辅助,解决了惯性导航结果的发散问题和惯性器件偏差的在线估计和校正问题,其研究起步较早且技术相对成熟。紧组合则不仅实现了GNSS对INS的辅助,还进一步实现了INS对GNSS导航数据处理层面的辅助,提高了GNSS定位测速精度的稳定性和可靠性。始于2000年左右的深组合技术研究,更进一步发挥INS的动态测量优势,实现了对GNSS接收机底层卫星信号的捕获、跟踪性能的提升。目前,国际上根据GNSS接收机基带跟踪环的结构,将深组合系统分为标量深组合和矢量深组合。标量深组合的主要特征是INS辅助信息分别进入每颗卫星的信号跟踪通道,各通道独立工作,互不干扰,信号跟踪与导航求解相对独立。因而,标量深组合系统结构相对简单,便于工程实现。矢量深组合则将INS数据、GNSS信号跟踪数据在一个导航滤波器中有机融合,形成统一的参数估计策略,估计结果反馈控制GNSS信号跟踪。矢量深组合系统的信息利用更充分,性能更好,但结构复杂、运算量大,对工程实现的稳定性、可靠性挑战较大。深组合系统实现门槛高,要求对GNSS接收机基带数字信号处理、惯性导航原理、组合导航定位算法都有深入的理解和掌握,需要调整接收机底层基带结构,且硬件系统集成难度大,因此绝大多数深组合研究仅停留在数据仿真验证阶段。目前,深组合研究的不足主要表现在：1)深组合GNSS信号跟踪误差缺乏系统、完备的理论模型；2)缺少基于硬件实现的实时深组合系统研究平台；3)深组合系统对GNSS基带的各项性能提升没有充分挖掘、评估和优化。这些不足严重制约了GNSS/INS深组合关键技术的进一步突破、成熟和应用推广。本文以GPS L1单频接收机为例,基于GNSS/INS标量深组合方案,建立了一套INS辅助载波跟踪环的误差模型与定量分析方法,研制了软硬件一体化的实时深组合系统原型,并对INS辅助载波跟踪环的动态跟踪精度、连续性进行了定量分析和测试验证。主要研究工作包括以下几个方面：第一,建立了INS辅助跟踪环的误差传递模型,定量分析了环路跟踪误差的传播情况。构建了热噪声、晶振颤动、惯性测量单元(IMU)误差、多普勒辅助信息延迟等误差源与深组合载波跟踪环路误差之间的传递模型。基于该模型,定量分析了各辅助信息误差源对环路跟踪误差的影响。分析结果表明：在INS辅助情况下,跟踪环只需跟踪INS辅助信息的残余误差；影响环路静态误差的主要辅助信息误差源是GNSS/INS组合导航解算后的速度估计残差,而IMU器件零偏和噪声的影响可以忽略；影响环路动态误差的主要因素是IMU标度因子误差和辅助信息延迟。INS信息辅助前后载波跟踪环的稳态跟踪误差和瞬态响应误差的对比分析表明：INS辅助后,可以通过降低环路带宽、延长积分时间来改善环路的稳态跟踪误差；跟踪环的瞬态响应速度更快、误差更小；低精度惯导对跟踪环的辅助效果明显。第二,研制了一体化的GNSS/INS标量深组合硬件原型系统,实现了INS辅助GNSS载波跟踪环,并分析和设计了INS控制的开环跟踪。提出了实时深组合系统原型设计方案,设计实现了各核心功能模块(基带跟踪环、IMU数据采集、惯导解算、多普勒辅助信息生成),并针对运行实时性和辅助信息延迟对系统原型进行了优化。原型系统中,数据延迟(包括IMU采集延迟、辅助信息计算延迟和传输延迟)引起的环路辅助误差可以忽略。最后,建立了INS控制的开环跟踪误差模型,并通过开环控制策略设计提高了GNSS信号跟踪的连续性。第三,采用GPS/IMU硬件信号模拟器和车载实验全面评估了本文设计的实时硬件深组合系统原型的性能,并验证了本文建立的误差模型及其定量分析结果。1)定量测试了各误差源对INS辅助环路的跟踪误差的影响,测试结果与模型分析相符,验证了误差模型和定量分析方法的正确合理。即使是低精度惯导,IMU零偏类误差对环路误差的影响也可以忽略；辅助延迟影响随延迟时间、动态变大而增加。2)对比测试了INS辅助前后跟踪环的稳态、瞬态性能,测试结果表明：一般车载动态条件下,INS辅助跟踪环可通过延长积分时间到20ms压缩带宽至3Hz改善稳态跟踪性能,瞬态响应速度和误差明显优于普通跟踪环。低精度惯导对环路性能改善明显。3)定量测试了少数卫星遮挡、完全遮挡两种情况下的开环跟踪性能,测试结果与开环跟踪模型分析一致：少数卫星遮挡时,低精度惯导可持续开环控制载波频率,且保持多普勒跟踪质量,而中等精度惯导可开环控制载波相位,且保持载波相位跟踪精度；完全遮挡时,惯导只能维持较短时间(几秒)的开环控制。4)对比测试了动态条件下有无INS辅助的GPS/INS组合导航系统的导航性能。测试结果表明：INS辅助后,开阔天空环境下接收机速度误差和组合导航速度误差均明显减小,但定位精度没有明显改善；卫星信号遮挡严重时,采用INS辅助开环跟踪技术的接收机定位、测速的连续性明显提高。综上所述,本文针对标量深组合系统开展了深入研究,提出了一套完整而实用的INS辅助跟踪环路误差模型,基于此设计、实现了实时标量深组合硬件系统原型,并开展了充分的仿真和实验验证分析。本文提出的深组合误差分析模型、系统设计方法和实验开发平台可进一步用于深组合系统的动态灵敏度、动态抗干扰等关键性能的研究。