專利名稱：基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的sins/gps深組合導航方法
技術領域：
本發(fā)明屬于慣性與衛(wèi)星組合導航的技術領域，特別是一種基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法。
背景技術：
慣性/衛(wèi)星深組合技術是一種使用衛(wèi)星導航系統(tǒng)內部跟蹤環(huán)路信息作為觀測量，并利用組合導航系統(tǒng)的輸出反饋輔助GPS跟蹤環(huán)路，提高高動態(tài)環(huán)境下接收機環(huán)路跟蹤適應性能及導航精度的組合導航技術。捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)和衛(wèi)星導航系統(tǒng)的特性具有良好互補性，基于慣性和衛(wèi)星系統(tǒng)互補特性而構建的慣性/衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)可實現(xiàn)全球范圍內全天時、全天候的高精度連續(xù)導航，是導航技術近年來以及未來相當長一段時期內發(fā)展的主要方向。近年來，在高動態(tài)環(huán)境適應性和抗干擾、高精度等導航需求的牽引下，慣性導航與衛(wèi)星導航的組合導航技術組合的層次和信息利用與處理的水平不斷深化，深組合模式與當前的松組合和緊組合有著顯著的不同，是慣性/衛(wèi)星組合導航系統(tǒng)三種組合模式中的技術復雜度最高的組合模式。目前，深組合技術已成為國外組合導航領域的一個研究熱點，其核心是將慣性系統(tǒng)與衛(wèi)星接收機的導航信息實現(xiàn)深度耦合，通過斷開衛(wèi)星接收機中跟蹤環(huán)路的反饋通道，利用衛(wèi)星/慣性組合的導航結果直接控制衛(wèi)星導航接收機中本地信號，實現(xiàn)慣性和衛(wèi)星接收機信息的雙向輔助。因此，慣性/衛(wèi)星深度組合技術在導航系統(tǒng)要求更高導航性能的需求下，具有重要的應用研究價值與現(xiàn)實意義。

發(fā)明內容
本發(fā)明所解決的技術問題在于提供一種高動態(tài)環(huán)境下具有穩(wěn)定導航性能的基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法。實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術解決方案為一種基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法，包括以下步驟步驟I、對捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)進行初始對準和GPS軟件接收機參數(shù)初始化設置；步驟2、GPS軟件接收機對接收到的數(shù)字中頻信號進行捕獲、碼和載波跟蹤、導航電文解碼、偽距估算、位置和速度解算處理；步驟3、在GPS軟件接收機各通道跟蹤環(huán)路中建立環(huán)路預處理擴展卡爾曼濾波器模型，該模型利用碼和載波跟蹤環(huán)路中相關運算后生成的六路相關積分值作為觀測量，利用跟蹤環(huán)路本地信號特征參量作為狀態(tài)量；環(huán)路預處理擴展卡爾曼濾波器對狀態(tài)變量進行更新，得到狀態(tài)估計值后通過參數(shù)轉換后得到GPS衛(wèi)星和載體視線方向上的偽距偏差和偽距率偏差輸入到組合濾波器中；步驟4、建立捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)和GPS導航系統(tǒng)深組合卡爾曼濾波器模型，該模型的狀態(tài)量為捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)在東、北、天地理坐標系下三維姿態(tài)誤差、三維速度誤差、三維位置誤差、三維陀螺常值漂移誤差、三維陀螺一階馬爾可夫漂移誤差和三維加速度計零偏，以及GPS接收機在地心地固坐標系(ECEF)下的等效時鐘誤差對應的距離，等效時鐘頻率誤差對應的距離率；該模型的觀測量為步驟(3)中所述的GPS衛(wèi)星和載體視線方向上的偽距偏差和偽距率偏差，根據獲得的觀測量信息，對狀態(tài)量進行更新得到導航誤差參數(shù)；
步驟5、利用步驟(4)中所述的導航誤差參數(shù)對捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)進行狀態(tài)校正；步驟6、利用校正后的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)輸出的位置和速度結果結合同時刻衛(wèi)星位置、速度狀態(tài)信息進行跟蹤環(huán)路中碼環(huán)及載波環(huán)的頻率控制量估算，以控制下一周期跟蹤環(huán)路中本地信號的生成，并利用環(huán)路預處理擴展卡爾曼濾波器估計得到的載波相位差最優(yōu)估計值△ ΘΜ 對本地載波相位進行補償，完成對跟蹤環(huán)路中本地信號的反饋控制。進一步地，本發(fā)明基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法中，所述步驟3具體包括(a)建立環(huán)路預處理擴展卡爾曼濾波器模型觀測量為跟蹤環(huán)路的六路相關積分值IE，Ip, IL, Qe, Qp, Ql,其觀測模型為
權利要求
1.一種基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟I、對捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)進行初始對準和GPS軟件接收機參數(shù)初始化設置； 步驟2、GPS軟件接收機對接收到的數(shù)字中頻信號進行捕獲、碼和載波跟蹤、導航電文解碼、偽距估算、位置和速度解算處理； 步驟3、在GPS軟件接收機各通道跟蹤環(huán)路中建立環(huán)路預處理擴展卡爾曼濾波器模型，該模型利用碼和載波跟蹤環(huán)路中相關運算后生成的六路相關積分值作為觀測量，利用跟蹤 環(huán)路本地信號特征參量作為狀態(tài)量；環(huán)路預處理擴展卡爾曼濾波器對狀態(tài)變量進行更新，得到狀態(tài)估計值后通過參數(shù)轉換后得到GPS衛(wèi)星和載體視線方向上的偽距偏差和偽距率偏差輸入到組合濾波器中； 步驟4、建立捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)和GPS導航系統(tǒng)深組合卡爾曼濾波器模型，該模型的狀態(tài)量為捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)在東、北、天地理坐標系下三維姿態(tài)誤差、三維速度誤差、三維位置誤差、三維陀螺常值漂移誤差、三維陀螺一階馬爾可夫漂移誤差和三維加速度計零偏，以及GPS接收機在地心地固坐標系(ECEF)下的等效時鐘誤差對應的距離，等效時鐘頻率誤差對應的距離率；該模型的觀測量為步驟(3)中所述的GPS衛(wèi)星和載體視線方向上的偽距偏差和偽距率偏差，根據獲得的觀測量信息，對狀態(tài)量進行更新得到導航誤差參數(shù)； 步驟5、利用步驟4中所述的導航誤差參數(shù)對捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)進行狀態(tài)校正； 步驟6、利用校正后的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)輸出的位置和速度結果結合同時刻衛(wèi)星位置、速度狀態(tài)信息進行跟蹤環(huán)路中碼環(huán)及載波環(huán)的頻率控制量估算，以控制下一周期跟蹤環(huán)路中本地信號的生成，并利用環(huán)路預處理擴展卡爾曼濾波器估計得到的載波相位差最優(yōu)估計值Δ ΘΜ 對本地載波相位進行補償，完成對跟蹤環(huán)路中本地信號的反饋控制。
2.根據權利要求I所述的基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法，其特征在于，步驟3具體包括 (a)建立環(huán)路預處理擴展卡爾曼濾波器模型 觀測量為跟蹤環(huán)路的六路相關積分值IE，Ip, IL, Qe, Qp, Qy其觀測模型為
3.根據權利要求I所述的基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法，其特征在于，在步驟2與步驟3之間還包括利用碼和載波跟蹤環(huán)路中的六路相關積分值對碼和載波跟蹤環(huán)路進行狀態(tài)自檢測和載噪比信息計算的步驟，判斷如果該通道未發(fā)生失鎖則跟蹤環(huán)路的跟蹤狀態(tài)正常并執(zhí)行步驟3，否則返回步驟2。
4.根據權利要求3所述的基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法，其特征在于，利用碼和載波跟蹤環(huán)路中的六路相關積分值對碼和載波跟蹤環(huán)路進行鎖定自檢測及載噪比信息計算具體為 按設定周期計算接收信號載噪比信息，并判斷跟蹤時刻前面相鄰η個積分周期的相關積分結果Ip值符號，I < η < 10且η為正整數(shù)，所述積分周期為1ms，如果在相鄰η個積分周期內出現(xiàn)兩次Ip值符號變化且載噪比下降大于閾值(閾值為10 20)，則判定該通道本時刻的信號發(fā)生失鎖現(xiàn)象，如僅有載噪比下降而符號變化小于兩次情況，則判定該通道信號還未失鎖； 載噪比信息計算具體為 (I)計算每個時刻積分結果Ip、Qp的平方和，構造序列Z，Zk表示如下 Zk = (I2p,+Q2p,)其中k為標示時刻的下標，Ip為同相支路的即時累加輸出，Qp為正交支路的即時累加輸出； (2)計算載波功率均值 Pcarr = 其中Z為序列Zk的均值，戶·為載波功率均值，Ζ = (ια)ΣΛ; 4為序列Zk的方差，4=^1Yd 私 (3)計算Ip、Qp噪聲方差 (4)計算載噪比C/N。 其中τ為載噪比設定積分時間，載噪比單位為dB-Hz。
5.根據權利要求I所述的基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法，其特征在于，步驟4中狀態(tài)量由兩部分組成，可表示為X(t) = [X1 Xe]，其中X1和Xe分別為 xi=[<i 4 4 Kδλ 5h Sbx Sby Sbz εα εψ ε。Vx \ VzJ Xg = [ δ tu δ tru]T 其中，X1 Ssins系統(tǒng)中對應的狀態(tài)量，分別為三維姿態(tài)誤差(φε φν φ )、三維速度誤差(δ Ve δνΝ δ Vu)、三維位置誤差(δ L δ λ δ h)、三維陀螺常值漂移誤差(ε bx ebyε bz)、三維陀螺一階馬爾可夫漂移誤差(ε M ery ε rz)和三維加速度計零偏(Vx ' Vz )，T為轉置運算；Xe為GPS系統(tǒng)中對應的狀態(tài)量，分別為一維接收機等效時鐘誤差對應的距離Stu和一維等效時鐘頻率誤差對應的距離率Stra; 捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)和GPS導航系統(tǒng)深度組合系統(tǒng)狀態(tài)方程為 X{t) = F(t)X(t) + G(t)W(t) 其中，t為時間下標，F(xiàn)(t)為一步轉移陣，G(t)為系統(tǒng)噪聲系數(shù)陣，ff(t)為系統(tǒng)噪聲，X(t)為系統(tǒng)狀態(tài)量。
6.根據權利要求I所述的基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法，其特征在于，步驟6中利用校正過的捷聯(lián)慣性導航系統(tǒng)輸出位置和速度結果結合同時刻衛(wèi)星位置、速度狀態(tài)信息進行跟蹤環(huán)路中碼環(huán)及載波環(huán)的頻率控制量估算方法如下 Vecef =(VE-VE)T ■ ^ ~ ^user _ sate V us / ECEF f _ fuser _ sate ^ r J code J codeBasisJ codeBasisC ECEF ppuser sate p Jcarr = JlF +-"^ X Λ C 其中，為接收機和衛(wèi)星相對速度在徑向方向上的投影，<、<分別為接收機與衛(wèi)星在地心地固直角坐標系中的速度，F(xiàn)/、F/分別為接收機與衛(wèi)星在地心地固直角坐標系中位置，fcode為碼環(huán)頻率控制量，fcarr為載波環(huán)頻率控制量，fIF為載波中頻頻率； 利用環(huán)路預處理擴展卡爾曼濾波器得到的本地信號和輸入信號載波相位差的最優(yōu)估計值△ θ carr,k+i對本地載波相位進行補償，具體補償方法如下 Θ= Θ , + Δ Θ carr, k+1carr, kcarr, k+1其中，θ carr,k+l為k+1時刻本地載波相位值。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于環(huán)路狀態(tài)自檢測的SINS/GPS深組合導航方法，利用跟蹤環(huán)路中的六路相關積分值進行環(huán)路狀態(tài)自檢測，建立環(huán)路預處理擴展卡爾曼濾波器模型對狀態(tài)變量進行更新得到的偽距偏差和偽距率偏差輸入到組合濾波器中；建立組合濾波器模型根據獲得的觀測量信息對狀態(tài)量進行更新得到導航誤差參數(shù)；利用導航誤差參數(shù)對SINS系統(tǒng)進行狀態(tài)校正；利用校正后的SINS狀態(tài)與同時刻的衛(wèi)星狀態(tài)信息進行環(huán)路中碼環(huán)及載波環(huán)的頻率控制量估算，并利用環(huán)路預處理濾波器得到的本地信號和輸入信號載波相位差的最優(yōu)估計值對本地載波相位進行補償，以控制本地碼及本地載波信號的生成，提高SINS/GPS組合導航系統(tǒng)在高動態(tài)環(huán)境下的導航性能。
文檔編號G01S19/48GK102636798SQ20121010610
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月12日 優(yōu)先權日2012年4月12日
發(fā)明者劉建業(yè), 孫永榮, 徐昭, 曹進, 曾慶化, 李榮冰, 武成峰, 王翌, 謝非, 黃雋祎 申請人:南京航空航天大學