本發(fā)明涉及衛(wèi)星導(dǎo)航、組合導(dǎo)航
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種級(jí)聯(lián)式GNSS/SINS深組合導(dǎo)航方法。
背景技術(shù)：
：GNSS系統(tǒng)是指全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)具有全天候、全時(shí)間的優(yōu)點(diǎn)，但易受電磁干擾、高動(dòng)態(tài)下可能出現(xiàn)丟星失鎖情況；SINS系統(tǒng)是一種不依賴(lài)于任何外部信息、也不向外輻射能量的完全自主式導(dǎo)航系統(tǒng)，具有體積小、數(shù)據(jù)更新率高、短時(shí)精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是具有導(dǎo)航精度隨時(shí)間降低的缺點(diǎn)。因此常將兩者結(jié)合以構(gòu)成SINS/GNSS組合導(dǎo)航系統(tǒng)。隨著運(yùn)載體對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)的綜合性能提出的需求不斷提高的同時(shí)，對(duì)GNSS/SINS組合導(dǎo)航技術(shù)方面的研究已從簡(jiǎn)單的松組合和緊組合轉(zhuǎn)向深組合技術(shù)。目前國(guó)內(nèi)外主要研究基于傳統(tǒng)的接收機(jī)跟蹤環(huán)路的SINS輔助GNSS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)采用傳統(tǒng)的接收機(jī)標(biāo)量跟蹤模式，而集中式深組合雖使用了矢量跟蹤算法，具有更強(qiáng)抗干擾性能和更高的靈敏度。同時(shí)基于矢量跟蹤的深組合導(dǎo)航系統(tǒng)具有瞬時(shí)橋接信號(hào)的能力。但由于模型中觀(guān)測(cè)量與狀態(tài)量呈高度非線(xiàn)性關(guān)系，涉及到高維卡爾曼濾波高頻計(jì)算問(wèn)題，難以付諸實(shí)踐。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種級(jí)聯(lián)式GNSS/SINS深組合導(dǎo)航方法，以提高GNSS信號(hào)跟蹤的性能和衛(wèi)星接收機(jī)對(duì)高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)載體的適應(yīng)性。本發(fā)明的技術(shù)解決方案為：一種級(jí)聯(lián)式GNSS/SINS深組合導(dǎo)航方法，包括下列步驟：步驟1，矢量跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)：載波鑒別器和碼鑒別器輸出作為導(dǎo)航濾波器的量測(cè)信息，用來(lái)估計(jì)接收機(jī)位置、速度、鐘差和鐘漂，估計(jì)的信息用來(lái)計(jì)算接收機(jī)環(huán)路參數(shù)；步驟2，組合導(dǎo)航主濾波器設(shè)計(jì)：組合導(dǎo)航主濾波器接收GNSS跟蹤通道與SINS輸出作為量測(cè)信息，并對(duì)SINS系統(tǒng)中的導(dǎo)航信息加以校正；步驟3，利用校正之后的慣性信息計(jì)算環(huán)路參數(shù)：組合系統(tǒng)利用校正后的SINS導(dǎo)航信息和星歷信息推測(cè)信號(hào)跟蹤參數(shù)GNSS偽碼相位和多普勒頻移，從而控制接收機(jī)的本地偽碼、載波數(shù)控振蕩器，以保持對(duì)輸入信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著效果是：(1)采用的矢量跟蹤方法，取消了傳統(tǒng)的獨(dú)立、并行的標(biāo)量跟蹤模式，充分利用了各衛(wèi)星通道間的共享信息，可以同時(shí)跟蹤所有可視衛(wèi)星；(2)采用級(jí)聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)深組合：第一步為矢量跟蹤接收機(jī)，完成碼/載波跟蹤誤差估計(jì)；第二步為主濾波器(即組合導(dǎo)航濾波器)，完成對(duì)SINS誤差信息的估計(jì)；(3)采用慣性輔助技術(shù)，利用修正后的SINS導(dǎo)航參數(shù)和星歷信息推測(cè)GNSS偽碼相位和多普勒頻移等信號(hào)跟蹤參數(shù)，并將估計(jì)結(jié)果反饋到接收機(jī)內(nèi)部對(duì)跟蹤環(huán)路進(jìn)行輔助，實(shí)現(xiàn)慣導(dǎo)對(duì)衛(wèi)星的輔助，提高了GNSS信號(hào)跟蹤的性能。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明級(jí)聯(lián)式GNSS/SINS深組合導(dǎo)航方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是本發(fā)明級(jí)聯(lián)式GNSS/SINS深組合導(dǎo)航方法的流程圖。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。如圖1、2所示，本發(fā)明級(jí)聯(lián)式GNSS/SINS深組合導(dǎo)航方法，具體實(shí)現(xiàn)如下：GNSS天線(xiàn)所接收的射頻信號(hào)，以GPS衛(wèi)星L1頻點(diǎn)為例，衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)表示為：SL1(t)=2A·D(t)·C(t)·cos[ωL1t+φ(t)]+2A·D(t)·P(t)·sin[ωL1t+φ(t)]]]>在不考慮噪聲的情況下，GNSS接收機(jī)射頻前端輸出的中頻信號(hào)模型為：SIF(t)=2A·D(t-τ)·C(t-τ)·cos[(ωIF+Δω)(t-τ)]+n(t)]]>式中，τ為傳輸過(guò)程中的時(shí)間延遲，ωIF為信號(hào)中頻，Δω為多普勒頻移，n(t)為噪聲項(xiàng)。輸入的中頻信號(hào)與本地振蕩器發(fā)生的同相、正交信號(hào)相乘，經(jīng)積分清和清零后產(chǎn)生IP、QP、IE、QE、IL、QL六路信號(hào)，統(tǒng)稱(chēng)為基帶I、Q信息：IP=2AMDR(δτ)2·sin(π·Δf·T2)·cos[π·Δf·T2+Δφ]+nIP]]>QP=2AMDR(δτ)2·sinc(π·Δf·T2)·sin[π·Δf·T2+Δφ]+nQP]]>IE=2AMDR(δτ-d2)2·sin(π·Δf·T2)·cos[π·Δf·T2+Δφ]+nIE]]>QE=2AMDR(δτ-d2)2·sin(π·Δf·T2)·sin[π·Δf·T2+Δφ]+nQE]]>IL=2AMDR(δτ+d2)2·sin(π·Δf·T2)·cos[π·Δf·T2+Δφ]+nIL]]>QL=2AMDR(δτ+d2)2·sin(π·Δf·T2)·sin[π·Δf·T2+Δφ]+nQL]]>式中，M為相干積分時(shí)間內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)，d為本地C/A碼超前滯后的間隔，T為相干積分時(shí)間，δτ為偽碼相位跟蹤誤差，Δf和分別為積分間隔起始時(shí)刻本地參考信號(hào)與輸入信號(hào)之間的載波頻率差和載波相位差，R(δτ)為C/A碼的相關(guān)函數(shù)，為噪聲項(xiàng)。R(δτ)=1-|δτ|,|δτ|<10,others]]>步驟1，矢量跟蹤環(huán)路設(shè)計(jì)：載波鑒別器和碼鑒別器輸出作為導(dǎo)航濾波器的量測(cè)信息，用來(lái)估計(jì)接收機(jī)位置、速度、鐘差和鐘漂，估計(jì)的信息用來(lái)計(jì)算接收機(jī)環(huán)路參數(shù)，具體如下：a)載波鑒頻器輸出zcarrier，計(jì)算公式如下：zcarrier=cross×sign(dot)2π(t2-t1)(IP22+QP22)]]>式中，和分別為I通道和Q通道即時(shí)支路t1時(shí)刻的采樣值，和分別為I通道和Q通道即時(shí)支路緊接著t1時(shí)刻之后的t2時(shí)刻的采樣值，t1為k-1時(shí)刻的時(shí)間，t2為k時(shí)刻的時(shí)間，sign(x)為符號(hào)函數(shù)，取值如下：sign(x)=+1x≥0-1x<0]]>b)碼鑒別器選取歸一化的非相干超前減滯后模型，得到碼相位測(cè)量值z(mì)code：zcode=12·IE2+QE2-IL2+QL2IE2+QE2+IL2+QL2]]>式中，IE和QE分別為I通道和Q通道超前支路采樣值，IL和QL分別為I通道和Q通道滯后支路采樣值；c)導(dǎo)航濾波器模型的狀態(tài)方程如下：δxkδvx,kδykδvy,kδzkδvz,kc·tb,kc·td,k=0To00000000000000000To00000000000000000To00000000000000001To00000000·δxk-1δvx,k-1δyk-1δvy,k-1δzk-1δvz,k-1c·tb,k-1c·td,k-1+ωxωvxωyωvyωzωvzωbωd]]>式中，tb,k和tb,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻的接收機(jī)鐘差，td,k和td,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻的接收機(jī)鐘漂；δxk、δxk-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻x方向位置誤差；δvx,k、δvx,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻x方向速度誤差；δyk、δyk-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻y方向位置誤差；δvy,k、δvy,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻y方向速度誤差；δzk、δzk-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻z方向位置誤差；δvz,k、δvz,k-1分別為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻z方向速度誤差；To為k時(shí)刻和k-1時(shí)刻之間間隔時(shí)間；ωx、ωy、ωz分別為位置隨機(jī)噪聲在x、y、z軸的分量，ωvx、ωvy、ωvz分別為速度隨機(jī)噪聲在x、y、z軸的分量，ωb為接收機(jī)鐘差的隨機(jī)噪聲、ωd為接收機(jī)鐘漂的隨機(jī)噪聲；d)導(dǎo)航濾波器模型的觀(guān)測(cè)方程為：觀(guān)測(cè)量選取各通道的碼相位測(cè)量值和載波頻率測(cè)量值，觀(guān)測(cè)量與狀態(tài)量之間的關(guān)系如下：zcode＝hxδx+hyδy+hzδz+c·tb+wcodezcarrier＝hxδvx+hyδvy+hzδvz+c·td+wcarrier式中，hx、hy、hz為視線(xiàn)矢量在x、y、z軸的分量；tb為鐘差；δx為x方向位置誤差，δy為y方向位置誤差，δz為z方向位置誤差，δvx為x方向速度誤差，δvy為y方向速度誤差，δvz為z方向的速度誤差，td為鐘漂，wcode和wcarrier分別為碼相位跟蹤誤差噪聲和載波頻率跟蹤誤差噪聲。步驟2，組合導(dǎo)航主濾波器設(shè)計(jì)：組合導(dǎo)航主濾波器接收GNSS跟蹤通道與SINS輸出作為量測(cè)信息，并對(duì)SINS系統(tǒng)中的導(dǎo)航信息加以校正；組合導(dǎo)航濾波器誤差模型，具體如下：(a)系統(tǒng)狀態(tài)方程：X·=FX+GW]]>式中，X為系統(tǒng)狀態(tài)矢量，表示系統(tǒng)狀態(tài)矢量的導(dǎo)數(shù)，F(xiàn)為系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，G為系統(tǒng)噪聲驅(qū)動(dòng)矩陣，W為系統(tǒng)噪聲矢量，具體如下：X=ψeψnψuδVeδVnδVuδLδλδhϵxϵyϵz▿x▿y▿zδtuδtruT]]>F17×17=FNFS09×206×906×606×202×902×6FG,FS=Cbn03×303×3Cbn03×303×3,FG=010-βδtru,]]>G=Cbn03×303×203×3Cbn03×209×309×309×202×302×3I2×2,W=WϵxWϵyWϵzW▿xW▿yW▿zWδtuWδtruT]]>式中，ψe、ψn、ψu(yù)分別為東、北、天方向的平臺(tái)失準(zhǔn)角誤差；δVe、δVn、δVu分別為東、北、天方向的速度誤差；δL、δλ、δh分別為緯度、經(jīng)度及高度誤差；εx、εy、εz分別為陀螺常值漂移在x、y、z軸上的分量；分別為加速度計(jì)常值偏置在x、y、z軸上的分量；δtu為鐘差引起的等效距離誤差；δtru為鐘漂引起的偽距率誤差；FN為對(duì)應(yīng)9個(gè)基本導(dǎo)航參數(shù)的系統(tǒng)陣；為在載體系到導(dǎo)航系轉(zhuǎn)換矩陣；τ為相關(guān)時(shí)間；分別為陀螺在x、y、z三個(gè)軸向的量測(cè)零均值高斯白噪聲；分別為加速度計(jì)在x、y、z三個(gè)軸向的量測(cè)零均值高斯白噪聲；分別為鐘差和鐘漂零均值高斯白噪聲；(b)系統(tǒng)量測(cè)方程：Z＝HX+V式中，Z為觀(guān)測(cè)矢量，H為觀(guān)測(cè)矩陣，V為觀(guān)測(cè)噪聲矩陣，具體如下：Z=δρ1δρ2...δρnδρ·1δρ·2...δρ·nT]]>式中，δρ為偽距偏差，為偽距率偏差；H=0n×6Hρ10n×6Hρ20n×3Hρ·10n×9Hρ·2,Hρ1=E·DLLAXYZ=a11a12a13.........an1an2an3n×3,Hρ2=10......10n×2,]]>上式中，E為導(dǎo)航星方向余弦陣，為地理系下位置誤差到ECEF系的轉(zhuǎn)換關(guān)系矩陣：E=[eij]n×3=e11e12e13e21e22e23.........en1en2en3,(i=1,2...n,j=1,2,3),]]>DLLAXYZ=-(Rn+h)sinLcosλ-(Rn+h)cosLsinλcosLcosλ-(Rn+h)sinLsinλ(Rn+h)cosLcosλcosLsinλ[Rn(1-e2)+h]cosL0sinL]]>式中，eij為SINS解算位置到第i顆導(dǎo)航星的方向余弦，L、λ、h分別為載體的真實(shí)緯度、經(jīng)度和高度，基準(zhǔn)橢球體長(zhǎng)半徑：Re＝6378137.0m，橢球度：f＝1/298.257223563，卯酉圈曲率半徑：Rn＝Re(1+fsin2L)，基準(zhǔn)橢球偏心率：Hρ·1=b11b12b13.........bn1bn2bn3n×3,Hρ·2=01......01n×2,]]>上式中，bij(i＝1,2...n,j＝1,2,3)具體展開(kāi)如下：bi1=-ei1sinλ+ei2cosλbi2=-ei1sinLcosλ-ei2sinLsinλ+ei3cosLbi3=ei1cosLcosλ+ei2cosLsinλ+ei3sinL]]>V=vρ1vρ2...vρnvρ·1vρ·2...vρ·nT]]>式中，Vρ為偽距觀(guān)測(cè)高斯白噪聲，為偽距率觀(guān)測(cè)高斯白噪聲。步驟3，利用校正之后的慣性信息計(jì)算環(huán)路參數(shù)：組合系統(tǒng)利用校正后的SINS導(dǎo)航信息和星歷信息推測(cè)信號(hào)跟蹤參數(shù)GNSS偽碼相位和多普勒頻移，從而控制接收機(jī)的本地偽碼、載波數(shù)控振蕩器，以保持對(duì)輸入信號(hào)的穩(wěn)定跟蹤，具體如下：hk(n)=hx(n)hy(n)hz(n)T]]>hx(n)=x(n)-x^r^(n),hy(n)=y(n)-y^r^(n),hz(n)=z(n)-z^r^(n)]]>r^(n)=(x(n)-x^)2+(y(n)-y^)2+(z(n)-z^)2]]>τ^k(n)=τk-1(n)+(ΔXk,k-1(n)-tk,k-1Vk-1)Thk(n)+tk,k-1c]]>f^code,k(n)=[1+td,k-1+(Vk-1(n)-Vk-1)Thk(n)]fcode/c]]>f^carrier,k(n)=[1+td,k-1+(Vk-1(n)-Vk-1)Thk(n)]fcarrier/c]]>式中，Vk-1分別為k-1時(shí)刻解算得到的GPS接收機(jī)的速度，x(n)、y(n)、z(n)為衛(wèi)星號(hào)為n的GPS衛(wèi)星的位置，為修正后的捷聯(lián)慣性系統(tǒng)在地心地固坐標(biāo)系下的位置。為衛(wèi)星n與接收機(jī)之間的視線(xiàn)矢量，為k-1時(shí)刻通過(guò)星歷解算出來(lái)的衛(wèi)星n的速度；為k時(shí)刻的衛(wèi)星位置；是指k時(shí)刻的衛(wèi)星位置和k-1時(shí)刻衛(wèi)星n的位置的差值；分別為k時(shí)刻的碼相位、碼頻率和載波頻率預(yù)測(cè)值；為k-1時(shí)刻的碼相位解算值；c為真空中光速；td,k-1為k-1時(shí)刻的鐘漂；fcode為C/A碼的基準(zhǔn)頻率，為1.023MHz；fcarrier為載波L1的頻率，為1575.42MHz。綜上所述，本發(fā)明方法保留了矢量接收機(jī)的導(dǎo)航濾波器，相對(duì)基于預(yù)濾波器的深組合系統(tǒng)簡(jiǎn)化了跟蹤環(huán)路，具有良好的抗干擾性能和瞬時(shí)橋接信號(hào)的能力，可以在高動(dòng)態(tài)環(huán)境和弱信號(hào)環(huán)境下取得較好的定位效果，應(yīng)用前景廣闊。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3