本實(shí)用新型屬于導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種組合導(dǎo)航設(shè)備。

背景技術(shù)：

隨著技術(shù)及其應(yīng)用的推廣，全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(GNSS)接收機(jī)已經(jīng)成為機(jī)載電子裝備中核心部件之一。GNSS接收機(jī)的性能一般通過精度、完好性、連續(xù)性和可用性等四個(gè)方面來進(jìn)行評(píng)估。其中完好性主要是對(duì)接收機(jī)在應(yīng)用的安全性方面的要求，因此在對(duì)安全要求較高的應(yīng)用中，完好性是必須要解決的關(guān)鍵問題。

完好性一般定義為：完好性是一種概率，在特定時(shí)期、系統(tǒng)覆蓋區(qū)域內(nèi)的任一點(diǎn)，位置誤差不超出告警門限(Alarm Limit)，不給用戶在告警時(shí)限(Time To Alarm)內(nèi)發(fā)出告警信息的概率。

完好性問題對(duì)于航空來說是關(guān)系重大的，因?yàn)橛脩粽愿咚俸叫校绻荒芗皶r(shí)的檢測并排除故障衛(wèi)星的話，飛機(jī)就很可能會(huì)偏離航路。隨著機(jī)載系統(tǒng)對(duì)安全性能要求的日益提高，飛機(jī)上的導(dǎo)航系統(tǒng)也呈現(xiàn)多信息化、智能化、集成化的發(fā)展趨勢。精確性與安全可靠性成為機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)的重要特點(diǎn)。而精確定位定姿、故障檢測隔離，已成為機(jī)載導(dǎo)航領(lǐng)域的重要學(xué)科技術(shù)之一，越來越受到人們的重視，近幾年來得到了迅猛的發(fā)展。

GNSS雖然有傳統(tǒng)陸基無線電導(dǎo)航系統(tǒng)無法比擬的全球覆蓋、高精度等性能，但目前在飛行器導(dǎo)航領(lǐng)域并沒有得到普遍應(yīng)用。不考慮政治方面的影響，從技術(shù)而言，精度、完好性、連續(xù)性及可用性四個(gè)方面都沒有可滿足所有飛行階段的需求。從完好性方面看，GNSS系統(tǒng)本身能進(jìn)行一定程度的完好性監(jiān)測，但告警時(shí)間太長，通常需幾個(gè)小時(shí)。從連續(xù)性和可用性方面看，GPS雖然能保證所有地區(qū)能有4顆以上可視衛(wèi)星，但衛(wèi)星幾何結(jié)構(gòu)仍然存在較差情況，如果加上完好性要求，其可用性會(huì)更差。

GNSS接收機(jī)進(jìn)行完好性監(jiān)測采用RAIM算法，其基本原理是利用衛(wèi)星測量的冗余觀測信息對(duì)接收機(jī)導(dǎo)航定位結(jié)果進(jìn)行超差判定，因此單純衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)完好性能受接收機(jī)跟蹤鎖定衛(wèi)星數(shù)量、衛(wèi)星幾何分布及告警門限制約，具體如下：

(1)GNSS接收機(jī)完好性受限于可見衛(wèi)星數(shù)

GNSS接收機(jī)通過基帶處理單元可以輸出接收機(jī)相對(duì)衛(wèi)星的偽距，忽略噪聲后，偽距是接收機(jī)三維位置和接收機(jī)鐘差的函數(shù)，因此在進(jìn)行三維導(dǎo)航時(shí)至少需要接收機(jī)跟蹤4顆衛(wèi)星才能解算出正確的接收機(jī)位置和鐘差信息。假設(shè)只有一顆衛(wèi)星出現(xiàn)故障，當(dāng)觀測到5顆衛(wèi)星時(shí)，可以利用偽距間的冗余信息檢測出對(duì)于當(dāng)前飛行階段，GNSS接收機(jī)存在不可接受的定位誤差，但是由于沒有其它信息，此時(shí)雖然可以給出超差告警，但不能鎖 定是哪顆衛(wèi)星出現(xiàn)了故障；只有在同時(shí)觀測到6顆以上衛(wèi)星時(shí)才能確定出是哪顆衛(wèi)星出現(xiàn)了故障。

(2)GNSS接收機(jī)完好性受限于衛(wèi)星幾何分布

GNSS接收機(jī)完好性能除和可見衛(wèi)星數(shù)有關(guān)外，還和可見衛(wèi)星的幾何分布密切相關(guān)。通常在跟蹤4顆以上衛(wèi)星的條件下，當(dāng)衛(wèi)星與接收機(jī)之間構(gòu)成的多面體體積最大時(shí)定位性能最佳，這時(shí)衛(wèi)星星座的精度因子(DOP)最小。衛(wèi)星幾何分布越理想，接收機(jī)定位結(jié)果估計(jì)越準(zhǔn)確，就越不容易超差，同時(shí)對(duì)故障衛(wèi)星的監(jiān)測能力也越高。因此GNSS衛(wèi)星幾何分布對(duì)接收機(jī)完好性有重要影響。

(3)GNSS接收機(jī)完好性受限于應(yīng)用精度要求

GNSS接收機(jī)完好性是衡量接收機(jī)定位結(jié)果超差時(shí)的告警能力，因此完好性與告警門限密切相關(guān)，而告警門限的設(shè)定取決于實(shí)際的應(yīng)用精度需求。

飛行器不同飛行階段對(duì)GNSS導(dǎo)航的完好性能要求不同，隨著GNSS導(dǎo)航在飛機(jī)精密進(jìn)近階段的應(yīng)用研究，GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的精度和完好性能要求越來越高。

在精密進(jìn)近階段，尤其在3類精密進(jìn)近階段，對(duì)機(jī)載GNSS系統(tǒng)的完好性要求較高?？紤]到衛(wèi)星導(dǎo)航的體制局限性，單憑GNSS接收機(jī)算法優(yōu)化很難滿足要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本實(shí)用新型的一個(gè)目的是提供一種基于多源信息融合的組合導(dǎo)航方法和設(shè)備，由外部增強(qiáng)信息和輔助信息為GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)提供更精確的測量信息和冗余測量信息，從而提高機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備的可用性和完好性。為了對(duì)披露的實(shí)施例的一些方面有一個(gè)基本的理解，下面給出了簡單的概括。該概括部分不是泛泛評(píng)述，也不是要確定關(guān)鍵/重要組成元素或描繪這些實(shí)施例的保護(hù)范圍。其唯一目的是用簡單的形式呈現(xiàn)一些概念，以此作為后面的詳細(xì)說明的序言。

本實(shí)用新型提供了一種基于多源信息融合的組合導(dǎo)航設(shè)備，包括全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS、輔助導(dǎo)航系統(tǒng)、卡爾曼EKF濾波器和聯(lián)邦濾波器，所述聯(lián)邦濾波器包括一個(gè)主濾波器和多個(gè)局部濾波器，所述輔助導(dǎo)航系統(tǒng)包括多模區(qū)域差分增強(qiáng)系統(tǒng)MLDAS、氣壓高度表和守時(shí)設(shè)備中的一種或者多種，其中：

所述EKF濾波器用于對(duì)所述GNSS系統(tǒng)與所述INS系統(tǒng)進(jìn)行緊組合濾波，輸出融合后的數(shù)據(jù)；

每一局部濾波器用于將GNSS系統(tǒng)與INS系統(tǒng)融合后的數(shù)據(jù)與一種輔助導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行松組合濾波，計(jì)算出的局部估計(jì)值和誤差協(xié)方差陣；

主濾波器對(duì)EKF輸出的融合數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，根據(jù)濾波結(jié)果以及各局部濾波器的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)融合，得到全局最優(yōu)估計(jì)值。該組合導(dǎo)航系統(tǒng)能夠有效提高機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備的可用性和完好性。

較佳地，所述EKF濾波器包括：

所述坐標(biāo)轉(zhuǎn)換電路，用于將所述GNSS系統(tǒng)與所述INS系統(tǒng)的輸出信號(hào)映射到以地心慣性坐標(biāo)系ECI為導(dǎo)航坐標(biāo)系下；

所述EKF濾波器，與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換電路相連，用于計(jì)算GNSS系統(tǒng)偽距測量結(jié)果與根據(jù)相應(yīng)的INS系統(tǒng)導(dǎo)航解算得到的偽距預(yù)測結(jié)果之差，和GNSS偽距率與根據(jù)相應(yīng)的INS系統(tǒng)導(dǎo)航解算得到的偽距率之差，綜合所述兩差值構(gòu)成EKF量測方程，執(zhí)行導(dǎo)航誤差狀態(tài)估計(jì)；

反饋電路，與所述EKF濾波器相連，用于使用所述導(dǎo)航誤差狀態(tài)估計(jì)對(duì)INS系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行校正；以及量測校正數(shù)據(jù)輸入ECI坐標(biāo)系下的INS系統(tǒng)的力學(xué)編排，解算并輸出飛行器最優(yōu)PVA估計(jì)值。

較佳地，所述EKF濾波器對(duì)GNSS系統(tǒng)和INS系統(tǒng)進(jìn)行緊組合濾波時(shí)采用開環(huán)形式或者閉環(huán)形式，其中：

在采取開環(huán)形式時(shí)，包括時(shí)間更新過程和量測更新過程，其中：

時(shí)間更新公式為：

量測更新公式為：

在采取閉環(huán)形式時(shí)，包括時(shí)間更新過程、量測更新過程和自適應(yīng)反饋校正過程，其中：

時(shí)間更新公式為：

量測更新公式為：

自適應(yīng)反饋校正公式為：

其中：

表示系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)值；

表示系統(tǒng)狀態(tài)一步預(yù)測值；

K_i(k)表示系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻濾波增益陣；

P_i(k/k-1)表示系統(tǒng)狀態(tài)一步預(yù)測誤差估計(jì)協(xié)方差陣；

P_i(k/k)表示系統(tǒng)狀態(tài)誤差估計(jì)協(xié)方差陣；

Q_i(k-1)表示系統(tǒng)狀態(tài)噪聲陣；

R_i(k)表示量測噪聲陣。

較佳地，各局部濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行融合時(shí)：

時(shí)間更新公式：

量測更新公式：

其中：

表示系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)值；

表示系統(tǒng)狀態(tài)一步預(yù)測值；

K_i(k)表示系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻濾波增益陣；

P_i(k/k-1)表示系統(tǒng)狀態(tài)一步預(yù)測誤差估計(jì)協(xié)方差陣；

P_i(k/k)表示系統(tǒng)狀態(tài)誤差估計(jì)協(xié)方差陣；

Q_i(k-1)表示系統(tǒng)狀態(tài)噪聲陣；

R_i(k)表示量測噪聲陣。

較佳地，主濾波器對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行融合時(shí)：

全局的最優(yōu)估計(jì)值公式為：

最優(yōu)估計(jì)方差陣公式為：

其中：

表示系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)值；

P_i(k/k)表示系統(tǒng)狀態(tài)誤差估計(jì)協(xié)方差陣。

較佳地，聯(lián)邦濾波中的信息分配原則為：

其中，β_i為信息分配因子，需滿足信息守恒原理：

較佳地，所述聯(lián)邦濾波器還包括反饋電路，其中：

所述反饋電路，分別與主濾波器、各局部濾波器和參考系統(tǒng)相連，用于使用全局最優(yōu)估計(jì)值對(duì)參考系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行校正，以及反饋重置各局部濾波器和主濾波器。

較佳地，局部濾波器重置公式為：

較佳地，主濾波器重置公式為：

其中，β_i為“信息分配系數(shù)”，用來對(duì)主、子濾波器進(jìn)行信息分配，且滿足信息守恒原則：

較佳地，所述GNSS系統(tǒng)包括：

GPS導(dǎo)航接收機(jī)、GLONASS導(dǎo)航接收機(jī)、GALILEO導(dǎo)航接收機(jī)和北斗導(dǎo)航接收機(jī)中的一種或者多種，用于接收對(duì)應(yīng)的衛(wèi)星信號(hào)；

融合電路，用于將一種或者多種導(dǎo)航接收機(jī)接收到的衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行時(shí)空歸一化處理后，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理后輸出作為GNSS系統(tǒng)的輸出信號(hào)。

較佳地，所述MLDAS系統(tǒng)包括：

設(shè)置于各服務(wù)區(qū)內(nèi)的多個(gè)參考站，用于提供差分改正數(shù)；

信號(hào)接收設(shè)備，用于經(jīng)廣播或網(wǎng)絡(luò)接收各服務(wù)區(qū)內(nèi)參考站提供的差分改正數(shù)，從GNSS系統(tǒng)獲取GNSS信號(hào)；以及，利用差分改正數(shù)對(duì)GNSS偽距進(jìn)行差分改正，利用載波相位觀察量平滑GNSS偽距計(jì)算，組建GNSS偽距觀察方程，以最小二乘法求解定位結(jié)果。

為了上述以及相關(guān)的目的，一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例包括后面將詳細(xì)說明并在權(quán)利要求中特別指出的特征。下面的說明以及附圖詳細(xì)說明某些示例性方面，并且其指示的僅僅是各個(gè)實(shí)施例的原則可以利用的各種方式中的一些方式。其它的益處和新穎性特征將隨著下面的詳細(xì)說明結(jié)合附圖考慮而變得明顯，所公開的實(shí)施例是要包括所有這些方面以及它們的等同。

附圖說明

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例一種基于多源信息融合的導(dǎo)航架構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例利用多模區(qū)域差分系統(tǒng)的完好性增強(qiáng)流程圖；

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例MLDAS地面站完好性監(jiān)測流程示意圖；

圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例一種用于融合多源信息的聯(lián)邦濾波器結(jié)構(gòu)圖；

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例一種GNSS系統(tǒng)和INS系統(tǒng)緊組合濾波結(jié)構(gòu)圖；

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例一種具體的組合導(dǎo)航設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

以下描述和附圖充分地示出本實(shí)用新型的具體實(shí)施方案，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠?qū)嵺`它們。其他實(shí)施方案可以包括結(jié)構(gòu)的、邏輯的、電氣的、過程的以及其他的改變。實(shí)施例僅代表可能的變化。除非明確要求，否則單獨(dú)的組件和功能是可選的，并且操作的順序可以變化。一些實(shí)施方案的部分和特征可以被包括在或替換其他實(shí)施方案的部分和特征。本實(shí)用新型的實(shí)施方案的范圍包括權(quán)利要求書的整個(gè)范圍，以及權(quán)利要求書的所有可獲得的等同物。在本文中，本實(shí)用新型的這些實(shí)施方案可以被單獨(dú)地或總地用術(shù)語“實(shí)用新型”來表示，這僅僅是為了方便，并且如果事實(shí)上公開了超過一個(gè)的實(shí)用新型，不是要自動(dòng)地限制該應(yīng)用的范圍為任何單個(gè)實(shí)用新型或?qū)嵱眯滦蜆?gòu)思。

申請(qǐng)人注意到，在飛行器運(yùn)行過程中，各種傳感器都在時(shí)刻探測著飛行器自身和外界信息，由于這些信息本身之間是飛行器所處環(huán)境的映射，因此其具有很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性，這種關(guān)聯(lián)性反映到數(shù)據(jù)之上就代表著其數(shù)據(jù)之間具有互補(bǔ)、冗余特性。利用數(shù)據(jù)之間的互補(bǔ)性來提升探測系統(tǒng)性能是數(shù)據(jù)融合的核心目的。

因此，申請(qǐng)人在本申請(qǐng)中提出利用外部增強(qiáng)系統(tǒng)和傳感器輔助信息提高衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)輸出導(dǎo)航信息完好性能。由外部增強(qiáng)信息和輔助信息為GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)提供更精確的測量信息和冗余測量信息，從而提高機(jī)載導(dǎo)航設(shè)備的可用性和完好性。

申請(qǐng)人通過深入分析導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源和關(guān)聯(lián)性，提供一種基于多源信息融合的導(dǎo)航架構(gòu)，如圖1所示，包括導(dǎo)航相關(guān)的多源信息系統(tǒng)和用于對(duì)多源信息進(jìn)行融合處理的聯(lián)邦濾波器。

其中，導(dǎo)航相關(guān)的多源信息系統(tǒng)，包括但不限于如下一種或者多種：全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)GNSS、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS、多模區(qū)域差分增強(qiáng)系統(tǒng)MLDAS、氣壓高度表和守時(shí)設(shè)備。

下面將對(duì)本實(shí)用新型所選擇的多源信息進(jìn)行分析：

(1)可利用慣性輔助提升機(jī)載完好性

慣性導(dǎo)航具有不受電磁干擾、獨(dú)立自主輸出載體導(dǎo)航信息和姿態(tài)信息的能力，其缺點(diǎn)是定位誤差受初始對(duì)準(zhǔn)精度影響較大，且誤差隨時(shí)間有積累。將慣導(dǎo)與衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行組合，可以利用衛(wèi)星導(dǎo)航測量信息沒有誤差積累的優(yōu)點(diǎn)對(duì)慣導(dǎo)誤差進(jìn)行修正，同時(shí)當(dāng)采用緊組合方式時(shí)，短時(shí)間內(nèi)可以在衛(wèi)星數(shù)低于4顆情況下進(jìn)行精確導(dǎo)航。慣導(dǎo)獨(dú)立輸出的定位結(jié)果給衛(wèi)星 導(dǎo)航提供了多種冗余信息，合理利用這些冗余信息不僅可以提高衛(wèi)星導(dǎo)航定位精度，還可以對(duì)衛(wèi)星測量偽距精度進(jìn)行有效評(píng)估，從而可以提高機(jī)載衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)的完好性。

當(dāng)前衛(wèi)星導(dǎo)航完好性大都是基于單顆衛(wèi)星故障進(jìn)行研究的，故障衛(wèi)星越多需要的冗余信息越多，而慣導(dǎo)提供的冗余信息為多顆衛(wèi)星故障監(jiān)測提供了理想的解決途徑。

(2)星基輔助提升機(jī)載完好性：

現(xiàn)有的四大GNSS系統(tǒng)分別是：我國正在建設(shè)的北斗第二代導(dǎo)航系統(tǒng)、美國的GPS系統(tǒng)、俄羅斯GLONASS系統(tǒng)和歐洲的GALILEO系統(tǒng)。隨著全球衛(wèi)星導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)的建設(shè)，可見衛(wèi)星數(shù)目逐漸增多，同一歷元時(shí)刻可見星從單GPS的10顆左右上升到近40顆。

星基輔助主要是指利用如GPS、GLONASS、GALILEO等的其它衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)及偽衛(wèi)星系統(tǒng)來改善北斗系統(tǒng)星座分布、提供冗余測量信息從而可以增強(qiáng)機(jī)載北斗接收機(jī)的完好性能。

單星座導(dǎo)航系統(tǒng)由于衛(wèi)星數(shù)目有限或是某些惡劣環(huán)境中信號(hào)受到嚴(yán)重干擾等問題，提供的衛(wèi)星定位服務(wù)的精度、可靠性、安全性和可用性無法得到保障。同時(shí)，各個(gè)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)單獨(dú)工作時(shí)可能存在難以覆蓋的空白帶，而且用戶在使用過程中會(huì)受到主控國的限制。

由于例如GPS、GLONASS、GALILEO和北斗等這幾種星基導(dǎo)航系統(tǒng)在系統(tǒng)構(gòu)置、導(dǎo)航定位機(jī)理、工作頻段、調(diào)制方式、信號(hào)和星歷數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等在方面是基本相同和近似的，都以發(fā)射擴(kuò)頻測距碼、測量衛(wèi)星與用戶之間的偽距來完成導(dǎo)航定位，所以就存在利用一部用戶設(shè)備同時(shí)接收這四種衛(wèi)星信號(hào)的可能性。如果能將多個(gè)系統(tǒng)組合使用，由于可用衛(wèi)星數(shù)目增多，不僅能填補(bǔ)單一系統(tǒng)存在的覆蓋空白問題，而且可使系統(tǒng)精度顯著提高。

星基組合定位是用一臺(tái)接收機(jī)或者多個(gè)接收機(jī)同時(shí)接收和測量多個(gè)GNSS系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。例如，目前可此采用GPS/GLONASS/GALILEO/北斗組合定位，就是用一臺(tái)接收機(jī)或者多個(gè)接收機(jī)同時(shí)接收和測量GPS、GLONASS、GALILEO和北斗四種衛(wèi)星信號(hào)，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)融合處理。從而實(shí)現(xiàn)在世界上任何地方、任何時(shí)間精確測出三維位置、三維速度、時(shí)間和姿態(tài)參數(shù)，為用戶提供僅用單一衛(wèi)星系統(tǒng)定位無法獲得的性能。它將提高系統(tǒng)完善性、可靠性、定位精度以及導(dǎo)航連續(xù)性。

對(duì)于多星融合實(shí)現(xiàn)組合導(dǎo)航，需要進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：

1、共有接收射頻資源設(shè)計(jì)：由于各GNSS系統(tǒng)，例如GPS/GLONASS/GALILEO/北斗之間的載波頻率和碼率上是不同的，需要設(shè)計(jì)一個(gè)能同時(shí)得到各GNSS系統(tǒng)的本振頻率和鐘頻頻率的頻率綜合器。

2、時(shí)空歸一化處理：由于各GNSS系統(tǒng)，例如 GPS/GLONASS/GALILEO/北斗系統(tǒng)的坐標(biāo)系是不一致的，所以需要實(shí)現(xiàn)多星座系統(tǒng)的坐標(biāo)系統(tǒng)一計(jì)算。同時(shí)上述四個(gè)系統(tǒng)的時(shí)間尺度也是不一致的，這也需要系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)間對(duì)準(zhǔn)處理。而且在上述處理過程中不要將單一系統(tǒng)誤差傳遞到最終的組合系統(tǒng)上來。

利用多衛(wèi)星定位系統(tǒng)進(jìn)行導(dǎo)航定位都是要基于一定的衛(wèi)星幾何分布，也就是首先需要知道衛(wèi)星的空間位置，判斷可用于導(dǎo)航定位的可見衛(wèi)星數(shù)目和分布情況，再根據(jù)可見衛(wèi)星的偽距或者載波相位等相關(guān)方法來求解用戶位置。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位，是以衛(wèi)星和用戶接收機(jī)天線之間的距離觀測量為基準(zhǔn)，根據(jù)已知的衛(wèi)星瞬時(shí)坐標(biāo)，來確定用戶接收機(jī)天線的位置。衛(wèi)星導(dǎo)航定位方法的實(shí)質(zhì)是以星地空間距離為半徑的三球交匯，因此，在一個(gè)觀測站上，只需要3個(gè)獨(dú)立距離觀測量。

但是，由于各GNSS系統(tǒng)采用的都是單程測距原理，衛(wèi)星鐘與用戶接收機(jī)時(shí)鐘之間難以保持嚴(yán)格同步，受衛(wèi)星鐘和接收機(jī)時(shí)鐘同步差的共同影響，實(shí)際上觀測量不是觀測站到衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是含有誤差的偽距。當(dāng)然，衛(wèi)星鐘差是可以通過衛(wèi)星導(dǎo)航電文中所提供的相應(yīng)鐘差參數(shù)加以修正的，而接收機(jī)的鐘差，由于精度低、隨機(jī)性強(qiáng)，難以預(yù)先準(zhǔn)確測定。所以，可將接收機(jī)的鐘差作為一個(gè)未知參數(shù)與觀測站坐標(biāo)在數(shù)據(jù)處理中一并解出。因此，在一個(gè)觀測站上，為了實(shí)時(shí)求解4個(gè)未知參數(shù)(3個(gè)用戶坐標(biāo)x、y、z和一個(gè)接收機(jī)時(shí)鐘誤差δt)，至少需要同步觀測4顆衛(wèi)星。

在多星座組合導(dǎo)航定位中，需要同時(shí)接收多個(gè)衛(wèi)星星座的導(dǎo)航電文信息，而由于各系統(tǒng)之間存在時(shí)間偏差，以及坐標(biāo)系不同，而且接收機(jī)對(duì)不同系統(tǒng)信號(hào)的時(shí)延也不同，所以，在多星座組合導(dǎo)航中需要考慮時(shí)空統(tǒng)一問題，進(jìn)而進(jìn)行組合導(dǎo)航解算。

根據(jù)各個(gè)衛(wèi)星星座仿真器輸出的可見衛(wèi)星的位置，給定用戶初始近似位置信息，獲得偽距觀測量，按照上述介紹的多星座組合導(dǎo)航定位方法，進(jìn)而可以求解含有定位誤差的用戶位置，實(shí)現(xiàn)多星座組合導(dǎo)航定位。

在我國不同緯度地區(qū)，GPS和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)目分布在5～8顆，而GALILEO系統(tǒng)分布在8～11顆。因此，與GPS和GLONASS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，GALILEO系統(tǒng)具有一定的優(yōu)勢，相同環(huán)境下能觀測到更多的可見衛(wèi)星。與單星座系統(tǒng)相比，組合系統(tǒng)的可見衛(wèi)星數(shù)目能增加幾倍，在任何時(shí)段任何地點(diǎn)都能觀測到18顆及以上的導(dǎo)航衛(wèi)星，這樣將有利于組成更好的衛(wèi)星幾何分布，在任何時(shí)段都能滿足定位要求，提高定位精度。

(3)地面差分站輔助提升機(jī)載完好性：

GNSS測量中為了消除或者減弱GNSS的各種誤差如衛(wèi)星星歷誤差、衛(wèi)星鐘差、電離層延遲和對(duì)流層延遲誤差等，常常使用差分測量技術(shù)， 這主要是利用了誤差的相關(guān)性原理。

差分根據(jù)原理可分為：位置差分，偽距差分(包括了相位平滑偽距差分)、廣域差分以及載波相位差分(準(zhǔn)載波相位和載波相位差分)。其中對(duì)于非高精度測量來說，應(yīng)用最廣的差分技術(shù)是偽距差分和載波相位平滑偽距差分。它們兩者的原理基本一樣，區(qū)別在于載波相位平滑偽距差分在計(jì)算改正數(shù)的時(shí)候使用了相位平滑技術(shù)，使定位精度有了較大的提高。而且因?yàn)閭尉喔恼龜?shù)信息量小，在播發(fā)格式設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)中更容易自動(dòng)糾錯(cuò)。動(dòng)態(tài)載波相位差分又稱為RTK，是近些年來快速發(fā)展并逐步成熟的高精度定位技術(shù)，其精度可達(dá)厘米級(jí)。

偽距差分是最為廣泛使用的差分技術(shù)之一。參考站的接收機(jī)坐標(biāo)已經(jīng)精確確定，根據(jù)衛(wèi)星星歷求得衛(wèi)星的位置可求得站星距離，并將此距離與利用觀測數(shù)據(jù)求解的包含誤差的偽距值比較。求出的偏差就是偽距改正數(shù)。求解出所有的可視衛(wèi)星改正數(shù)后經(jīng)數(shù)據(jù)鏈播發(fā)給用戶，用戶根據(jù)改正數(shù)來改正測量偽距。然后利用經(jīng)過改正過的偽距求解用戶的坐標(biāo)，從而就實(shí)現(xiàn)了消除公共誤差，提高定位精度的目的。

載波相位觀測量的精度相對(duì)于碼偽距的觀測精度大約高2數(shù)量級(jí)，所以，如果能夠直接獲取載波相位整周數(shù)，那么噪聲非常小的偽距觀測量就能獲得。但是載波的整周數(shù)無法直接獲得，而一般能夠直接獲得的是載波的多普勒計(jì)數(shù)。多普勒值反應(yīng)的是載波相位頻率的變化情況，即偽距的變化率，測量中一般用它來估計(jì)用戶的速度。由于載波多普勒值具有很高的精度，而且能夠精確地反映偽距變化情況，因此利用多普勒信息來對(duì)碼偽距觀測進(jìn)行輔助能夠獲得比單獨(dú)的使用碼偽距更好的精度。

RTK技術(shù)(Real Time Kinematic)是以實(shí)時(shí)處理兩個(gè)測站的載波相位測量值為基礎(chǔ)。它能夠?qū)崟r(shí)的提供流動(dòng)站的高精度三維坐標(biāo)，其精度可達(dá)到厘米級(jí)。載波相位差分的原理與偽距差分相同，參考站利用數(shù)據(jù)鏈將其載波觀測量及站坐標(biāo)信息實(shí)時(shí)傳送給流動(dòng)站。流動(dòng)站根據(jù)接收到的GNSS衛(wèi)星的載波相位觀測量和通過數(shù)據(jù)鏈接收的來自于參考站的載波相位值，組成差分觀測值進(jìn)行實(shí)時(shí)地解算，從而實(shí)時(shí)給出厘米級(jí)的高精度定位結(jié)果。GNSS載波相位差分可分為修正法和差分法。修正法與偽距差分的原理一樣，即參考站將載波相位改正數(shù)播發(fā)給用戶，進(jìn)而改正用戶的載波相位觀測值提高定位精度。而載波相位差分是將參考站處接收到的載波相位觀測值發(fā)送給流動(dòng)站，流動(dòng)站進(jìn)行求差來計(jì)算三維坐標(biāo)。前者可稱為準(zhǔn)RTK技術(shù)，后者才是真正的RTK技術(shù)。

當(dāng)前國內(nèi)外很多科研機(jī)構(gòu)都開展了增強(qiáng)系統(tǒng)的研究，但對(duì)于多模區(qū)域差分增強(qiáng)系統(tǒng)MLDAS(Multi-Mode Local Difference Augment System)的綜合利用及設(shè)計(jì)并不多，針對(duì)多模區(qū)域差分增強(qiáng)系統(tǒng)的原理和要實(shí)現(xiàn)的功能，對(duì)MLDAS進(jìn)行總體設(shè)計(jì)和各個(gè)組成子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)具有重要的 意義。

所述MLDAS系統(tǒng)包括：設(shè)置于各服務(wù)區(qū)內(nèi)的多個(gè)參考站，用于提供差分改正數(shù)。信號(hào)接收設(shè)備，用于經(jīng)廣播或網(wǎng)絡(luò)接收各服務(wù)區(qū)內(nèi)參考站提供的差分改正數(shù)，據(jù)以增強(qiáng)GNSS系統(tǒng)的精度和完好性。

多模區(qū)域差分增強(qiáng)系統(tǒng)的工作過程為：

地面參考站的功能是接收GNSS衛(wèi)星信號(hào)。由于多路徑是參考站接收機(jī)和用戶接收機(jī)之間非共同誤差的主要因素，因此在參考站必須采用扼流圈天線等使之被有效抑制。且參考站的位置應(yīng)設(shè)置在不易產(chǎn)生多路徑影響的地方。參考站的主要功能是跟蹤可見的衛(wèi)星，采集數(shù)據(jù)，包括偽距和相位數(shù)據(jù)和氣象數(shù)據(jù)，對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并計(jì)算差分改正信息，將差分改正信息通過數(shù)據(jù)鏈發(fā)播出去。

數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)傳電纜，數(shù)據(jù)廣播通過甚高頻(VHF)波段，廣播內(nèi)容為差分改正和完善信息。為保證系統(tǒng)的可用性通常需要配置兩路以上通訊鏈路。途徑有兩個(gè)：一個(gè)是加大發(fā)射設(shè)備的輸出功率；一個(gè)是引進(jìn)數(shù)據(jù)中繼轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制。

信號(hào)接收設(shè)備不僅具有接收多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào)的能力，還能夠接收來自地面廣播站的差分改正和完善信息。用戶處理器對(duì)GNSS觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行差分定位計(jì)算，同時(shí)確定垂直及水平定位誤差保護(hù)級(jí)，以決定當(dāng)前導(dǎo)航誤差是否超限。

通過增加區(qū)域地面站，將實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載系統(tǒng)的定位精度提升和完好性增強(qiáng)，地面站采用以下三個(gè)方面來實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)完好性的增強(qiáng)：(1)觀察量質(zhì)量控制；(2)電文數(shù)據(jù)檢測；(3)故障自主判斷和排除。

利用多模區(qū)域差分系統(tǒng)的完好性增強(qiáng)流程如圖2所示：

偽距差分定位的精度與參考站到用戶的距離密切相關(guān)，距離越近，其誤差的相關(guān)性越強(qiáng)，通過差分越能更好的消除它們的共有誤差，但是隨著參考站到用戶距離的增加，誤差的相關(guān)性下降，則偽距差分后仍有相當(dāng)部分的誤差殘差，因此為了提高偽距差分的精度，可以采用多參考站技術(shù)，即在服務(wù)區(qū)域內(nèi)均勻的布設(shè)3個(gè)或3個(gè)以上的參考站，每個(gè)參考站都提供差分改正數(shù)，通過廣播或網(wǎng)絡(luò)發(fā)播給用戶，用戶根據(jù)接收到的各參考站的改正數(shù)用一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行加權(quán)改正。

對(duì)于區(qū)域差分增強(qiáng)系統(tǒng)來說，增強(qiáng)包括了兩個(gè)方面的內(nèi)容，一個(gè)是精度的提高，這主要是通過差分算法和載波平滑偽距來實(shí)現(xiàn)；增強(qiáng)的另一個(gè)方面是完好性的增強(qiáng)，它通過一系列的完好性的算法和技術(shù)來進(jìn)行保障。區(qū)域差分系統(tǒng)的完好性主要包括兩部分：系統(tǒng)級(jí)的完好性理論技術(shù)與設(shè)計(jì)，主要是指地面參考站的完好性監(jiān)測；另一部分是接收機(jī)自主完好性監(jiān)測(簡稱RAIM)。區(qū)域增強(qiáng)系統(tǒng)利用高精度的載波相位測量值平滑精度較低的碼偽距測量值來提高偽距精度。

在參考站形成的偽距改正值及其相應(yīng)誤差通過通信鏈路發(fā)播給用戶接收機(jī)之后，用戶接收機(jī)根據(jù)這些數(shù)據(jù)以及它自身的偽距觀測量和估計(jì)方差值求解定位結(jié)果，并得到它們的誤差置信限值。

MLDAS地面站完好性監(jiān)測的目的是對(duì)衛(wèi)星或地面設(shè)備是否發(fā)生故障進(jìn)行監(jiān)測，保證發(fā)播給用戶的差分改正數(shù)完全可靠。在有故障發(fā)生并且威脅到了發(fā)播改正數(shù)的安全時(shí)，能夠及時(shí)警告。地面站完好性監(jiān)測內(nèi)容很多，主要包括一系列的質(zhì)量檢測和邏輯處理執(zhí)行以及完好性算法設(shè)計(jì)。整個(gè)完好性監(jiān)測如圖3所示，主要包括三部分：載波平滑偽距和改正數(shù)及其誤差的產(chǎn)生、基于完好性算法的數(shù)據(jù)監(jiān)測、邏輯處理執(zhí)行。基于完好性算法的檢測主要包括下面一系列內(nèi)容：信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測(Signal Quality Monitoring,SQM)、數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(Data Quality Monitoring,DQM)、觀測質(zhì)量監(jiān)測(Measurement Quality Monitoring,MQM)、多參考站一致性監(jiān)測(Multiple Reference Consistency Check，MRCC)、均值標(biāo)準(zhǔn)差監(jiān)測(μσMonitoring)、信號(hào)域監(jiān)測(Message Field Range Monitoring，MFRT)；邏輯處理執(zhí)行(Executive Monitoring,EXM)的作用是系統(tǒng)在一系列檢測中發(fā)現(xiàn)問題和故障后設(shè)置對(duì)應(yīng)的報(bào)警標(biāo)識(shí)，并根據(jù)一定的邏輯給出可用的衛(wèi)星和參考站，并且在故障排除后重新將其納入完好性監(jiān)測體系之中。

信號(hào)質(zhì)量監(jiān)測的目的是監(jiān)測衛(wèi)星發(fā)播的信號(hào)是否變形。這由高質(zhì)量的信號(hào)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)，它們報(bào)告不同相關(guān)空間的C/A碼觀測值，經(jīng)處理后就能夠判斷出C/A碼波形是否為理想三角形。

數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測是對(duì)接收到的衛(wèi)星導(dǎo)航信息進(jìn)行可靠性檢測，當(dāng)衛(wèi)星初次被捕獲跟蹤后或者在衛(wèi)星星歷更新后，系統(tǒng)對(duì)它們進(jìn)行正確性的檢測。對(duì)于新捕獲和跟蹤的衛(wèi)星，在捕獲之后6小時(shí)內(nèi)，對(duì)根據(jù)廣播星歷計(jì)算出的衛(wèi)星坐標(biāo)和根據(jù)年歷得到的衛(wèi)星坐標(biāo)以5分鐘為間隔進(jìn)行對(duì)比，廣播星歷更新間隔為2小時(shí)，而年歷包含了所有衛(wèi)星星歷，其精度和更新率更低，DQM算法能保證據(jù)廣播星歷計(jì)算出的衛(wèi)星位置與據(jù)年歷計(jì)算出的位置之差小于門限值(一般取7000米)，否則判定存在故障。對(duì)于DQM算法對(duì)星歷更新的情況監(jiān)測問題，一般是根據(jù)前后星歷應(yīng)該保持一致的原則，確保通過兩者計(jì)算的衛(wèi)星位置誤差小于250米。

觀測質(zhì)量監(jiān)測(MQM)是對(duì)由參考站接收機(jī)故障和星鐘故障造成的觀測量質(zhì)量突然大幅降低的情況進(jìn)行監(jiān)測，MQM監(jiān)測算法主要是根據(jù)歷元時(shí)刻之前的幾個(gè)歷元的碼偽距以及載波相位值是否具有一致性來進(jìn)行。此算法主要包括3個(gè)部分：接收機(jī)鎖定時(shí)間檢測、載波的累計(jì)步長檢測以及載波平滑偽距測量更新檢測。如果在上述檢測中發(fā)現(xiàn)故障，就在發(fā)生故障的通道設(shè)告警標(biāo)示。

(4)機(jī)載高程設(shè)備輔助機(jī)載完好性

GNSS信號(hào)存在受遮擋引起失鎖、抗干擾性能弱及數(shù)據(jù)滯后等問題， 在高度方向的定位精度較差，因受對(duì)流層延遲影響在近地面時(shí)準(zhǔn)確度更差；尤其其安全性可能受他國影響或人為干擾得不到保障。

氣壓高度表是飛行器不可或缺的儀表設(shè)備，具有不依賴外界信息、隱蔽性好、抗輻射性強(qiáng)、全天候等優(yōu)點(diǎn)。氣壓高度表的短時(shí)精度較高，但會(huì)隨著大氣壓與溫度的變化而發(fā)生變化，隨時(shí)間的變長會(huì)產(chǎn)生較大的高度測量誤差。

氣壓式高度表的工作原理是根據(jù)高度升高氣壓降低，利用真空膜盒感受大氣壓力的變化表示飛行高度的變化，當(dāng)前在飛機(jī)上使用的高度表，他們的工作原理都是利用高度上升，氣壓降低的規(guī)律工作的。

由于機(jī)載高度表可以提供高度信息，所以可以通過增加一個(gè)高度表信息，再加上三個(gè)導(dǎo)航衛(wèi)星信息即可完成。

(5)機(jī)載守時(shí)設(shè)備輔助機(jī)載完好性

機(jī)載守時(shí)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)載系統(tǒng)提供高精度的時(shí)鐘信號(hào)，利用機(jī)載守時(shí)系統(tǒng)結(jié)合GNSS實(shí)現(xiàn)對(duì)接收機(jī)與GNSS信號(hào)偏差的計(jì)算，避免了對(duì)時(shí)間偏差的估計(jì)，這樣就可以采用三個(gè)衛(wèi)星信號(hào)完成定位解算。如果衛(wèi)星信號(hào)增加，則利用機(jī)載守時(shí)系統(tǒng)將實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信號(hào)的檢測與隔離修正，從而提高系統(tǒng)的完好性。

本實(shí)用新型通過將飛行器所攜帶的GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)、INS慣導(dǎo)系統(tǒng)、地面差分站、機(jī)載高程設(shè)備、機(jī)載守時(shí)系統(tǒng)等來形成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，用以完成對(duì)GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)缺失補(bǔ)償、提高對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲和跟蹤精度和提高系統(tǒng)抗干擾性，從而達(dá)到最終提高組合導(dǎo)航精度的目標(biāo)。

本實(shí)用新型實(shí)施例中，可以將上述多源系統(tǒng)分為兩類，其一是導(dǎo)航系統(tǒng)，例如GNSS系統(tǒng)或者INS系統(tǒng)；其二是輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，例如MLDAS、氣壓高度表和守時(shí)設(shè)備等。導(dǎo)航系統(tǒng)用于進(jìn)行導(dǎo)航定位；輔助導(dǎo)航系統(tǒng)提供導(dǎo)航相關(guān)數(shù)據(jù)，輔助導(dǎo)航定位，提升系統(tǒng)完好性。

多源信息雖然具有互補(bǔ)性，但是其時(shí)空屬性如采樣率、數(shù)據(jù)形式、向融合中心報(bào)告的時(shí)間、對(duì)環(huán)境的描述、空間測量偏差等往往不一致，在進(jìn)行信息融合之前需要完成對(duì)信息的時(shí)空對(duì)準(zhǔn)，即將信息轉(zhuǎn)換為相同的形式、相同的參照、相同的描述之后，才能完成信息融合處理。

時(shí)間配準(zhǔn)指的是將各傳感器時(shí)間同步到統(tǒng)一基準(zhǔn)時(shí)標(biāo)下，并將不同步的量測信息配準(zhǔn)到同一融合時(shí)刻。時(shí)間系統(tǒng)是復(fù)雜的系統(tǒng)，現(xiàn)行的時(shí)間系統(tǒng)主要有恒星時(shí)(sidereal time,ST)、世界時(shí)(universal time,UT)、歷書時(shí)(ephemeris time,ET)、國際原子時(shí)(international atomic time,TAI)、協(xié)調(diào)世界時(shí)(coordinate universal time,UTC)、地球動(dòng)力學(xué)時(shí)(terrestrial dynamic time,TDT)和質(zhì)心動(dòng)力學(xué)時(shí)(barycenter dynamic time,TDB)。導(dǎo)航系統(tǒng)的時(shí)間同步采用UTC作為基準(zhǔn)。

在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中，時(shí)間誤差主要來自于三個(gè)方面：

1、各傳感器時(shí)間基準(zhǔn)之間的誤差，由于各傳感器時(shí)鐘精度不同形成的時(shí)間偏差，這部分誤差目前通常通過時(shí)間統(tǒng)一裝置進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償后誤差較小。

2、各傳感器開機(jī)時(shí)刻和采樣周期是不一致的，它們向融合中心報(bào)告的時(shí)刻往往也是不相同的，造成了不同步誤差。

3、各傳感器量測信息和時(shí)間基準(zhǔn)統(tǒng)一信號(hào)都會(huì)在通信中有延時(shí)，而且由于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膹?fù)雜性，即使是同一網(wǎng)絡(luò)，通信延遲時(shí)間也不同，仍會(huì)造成時(shí)間不同步。

為分析時(shí)間誤差對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)造成的影響，以INS和GPS組合系統(tǒng)為例進(jìn)行理論分析。首先考慮時(shí)間誤差對(duì)速度的影響，根據(jù)速度誤差方程：

其中，f是比力，▽是加速度計(jì)誤差，C_n^b是方向余弦矩陣。在姿態(tài)角為小量時(shí)，

于是可得：

又有姿態(tài)誤差方程為：

其中，

使用間接法建立觀測方程，速度觀測量應(yīng)為：

當(dāng)時(shí)，即載體靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測方程不受時(shí)間誤差的影響。

當(dāng)時(shí)，忽略高度通道，得簡化的速度狀態(tài)：

考慮兩種代表性運(yùn)動(dòng)，直線加速運(yùn)動(dòng)和圓周運(yùn)動(dòng)。

當(dāng)載體直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度狀態(tài)變?yōu)椋?/p>

其濾波穩(wěn)態(tài)時(shí)，有：

由上面兩式知，直線加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，時(shí)間誤差將對(duì)速度估計(jì)造成影響，由于時(shí)間誤差本身是小量，在加速度變化不大時(shí)，其影響不大。

當(dāng)載體圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，速度狀態(tài)變?yōu)椋?/p>

其濾波穩(wěn)態(tài)時(shí)，有：

此時(shí)，時(shí)間誤差與方位角具有信息的一致特征性，濾波時(shí)，會(huì)把時(shí)間誤差歸因于方位角，從而直接造成方位角估計(jì)錯(cuò)誤，給速度估計(jì)帶來較大的誤差。

綜上，時(shí)間誤差對(duì)速度的影響主要原因是載體的牽連加速度，當(dāng)載體機(jī)動(dòng)時(shí)，時(shí)間誤差會(huì)對(duì)速度估計(jì)造成影響。

然后分析時(shí)間誤差對(duì)位置的影響，考慮到速度與位置的積分關(guān)系，因此可以簡化分析過程。

位置誤差的表達(dá)式為：

位置觀測量為：

其中，是時(shí)間差在位置觀測上造成的外觀測誤差，P(Δt)可視為直接對(duì)位置估計(jì)造成影響的時(shí)間誤差如起始時(shí)刻誤差等。由可知，當(dāng)載體加速度變化時(shí)(包括線速度和角速度)，會(huì)產(chǎn)生速度觀測量的直接誤差。由速度造成的誤差分量會(huì)直接積分到位置中，因此可知時(shí)間誤差在組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的作用不容輕易忽視。

空間配準(zhǔn)不僅包括傳感器的坐標(biāo)系統(tǒng)一，即將各傳感器坐標(biāo)系中的信息變換到統(tǒng)一的導(dǎo)航坐標(biāo)系中；而且包括校正各傳感器因空間位置所造成的相對(duì)偏差。空間配準(zhǔn)有兩個(gè)配準(zhǔn)任務(wù):坐標(biāo)系統(tǒng)一和傳感器空間偏差校正。

空間誤差來源主要有：

1 不同坐標(biāo)系體系存在定位偏差；

2 各導(dǎo)航傳感器參考坐標(biāo)系不一；

3 傳感器測量單元或天線處于不同位置所造成的空間測量偏差；

4 受載體扭曲形變影響造成的空間測量偏差。

考慮到多源信息的時(shí)空屬性如采樣率、數(shù)據(jù)形式、向融合中心報(bào)告的時(shí)間、對(duì)環(huán)境的描述、空間測量偏差等因素，本實(shí)用新型采用基于異步分布式的融合，對(duì)各源信息進(jìn)行融合。

基于上述考慮，本實(shí)用新型實(shí)施例提供了一種設(shè)計(jì)靈活、計(jì)算量小、容錯(cuò)性能好的聯(lián)邦濾波器，如圖4所示，該濾波器是一個(gè)分散化系統(tǒng)，可分為多個(gè)局部濾波器和一個(gè)主濾波器，其中：每一多源信息系統(tǒng)均與一參考系統(tǒng)共同輸入至一局部濾波器；各局部濾波器分別將計(jì)算出的局部估計(jì)值和誤差協(xié)方差陣輸出至所述主濾波器；所述主濾波器還與所述參考系統(tǒng)相連，用于根據(jù)各局部濾波器的輸出結(jié)果和自身對(duì)所述參考系統(tǒng)的濾波結(jié)果進(jìn)行最優(yōu)融合，得到全局最優(yōu)估計(jì)值。

其中，聯(lián)邦濾波器融合算法主要包括子濾波器融合算法、主濾波器融合算法和聯(lián)邦濾波信息分配三個(gè)環(huán)節(jié)，具體如下：

a.各子濾波器融合算法

時(shí)間更新算法：

量測更新算法：

上式中，各變量的意義如下表所示：

表1各濾波參數(shù)的定義

b.主濾波器信息融合算法

聯(lián)邦主濾波器不進(jìn)行濾波處理，只是將各個(gè)子濾波器的局部估計(jì)值信息按下式進(jìn)行融合，得到全局的最優(yōu)估計(jì)值和最優(yōu)估計(jì)方差陣：

c.聯(lián)邦濾波信息分配

聯(lián)邦濾波中的信息分配原則為：

式中，β_i為信息分配因子，需滿足信息守恒原理：

較佳地，所述聯(lián)邦濾波器還可以包括反饋電路，其中：

所述反饋電路，分別與主濾波器、各局部濾波器和參考系統(tǒng)相連，用于使用全局最優(yōu)估計(jì)值對(duì)參考系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行校正，以及反饋重置各局部濾波器和主濾波器。

在一具體實(shí)施例中，在反饋重置各局部濾波器和主濾波器時(shí)：

局部濾波器重置公式為：

主濾波器重置公式為：

其中，β_i為“信息分配系數(shù)”，用來對(duì)主、子濾波器進(jìn)行信息分配，且滿足信息守恒原則：

對(duì)于參考系統(tǒng)的選擇，在具體實(shí)施時(shí)，一般選擇某個(gè)信息全面、輸出頻率高、可靠性高的子系統(tǒng)作為公共參考系統(tǒng)，與各種多源信息系統(tǒng)兩兩輸入一個(gè)局部濾波器中，各局部濾波器并行工作，然后分別將各自的估計(jì)信息輸入到主濾波器，主濾波器對(duì)各局部濾波器的輸入信息進(jìn)行最優(yōu)融合，進(jìn)而得到基于所有量測信息的全局最優(yōu)估計(jì)。

本實(shí)用新型實(shí)施例選擇GNSS系統(tǒng)和INS系統(tǒng)的融合結(jié)果作為參考系統(tǒng)。即，本實(shí)用新型實(shí)施例提供的參考系統(tǒng)包括GNSS系統(tǒng)、INS系統(tǒng)、 卡爾曼EKF濾波器，由所述EKF濾波器對(duì)所述GNSS系統(tǒng)與所述INS系統(tǒng)進(jìn)行緊組合濾波，輸出融合后的數(shù)據(jù)作為參考信號(hào)。

具體地，所述EKF濾波器包括：

坐標(biāo)轉(zhuǎn)換電路，用于將所述GNSS系統(tǒng)與所述INS系統(tǒng)的輸出信號(hào)映射到以地心慣性坐標(biāo)系ECI為導(dǎo)航坐標(biāo)系下；

運(yùn)算電路，與坐標(biāo)轉(zhuǎn)換單元相連，用于計(jì)算GNSS系統(tǒng)偽距測量結(jié)果與根據(jù)相應(yīng)的INS系統(tǒng)導(dǎo)航解算得到的偽距預(yù)測結(jié)果之差，和GNSS偽距率與根據(jù)相應(yīng)的INS系統(tǒng)導(dǎo)航解算得到的偽距率之差，綜合所述兩差值構(gòu)成EKF量測方程，執(zhí)行導(dǎo)航誤差狀態(tài)估計(jì)；

反饋電路，與所述運(yùn)算電路相連，用于使用所述導(dǎo)航誤差狀態(tài)估計(jì)對(duì)INS系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行校正；以及量測校正數(shù)據(jù)輸入ECI坐標(biāo)系下的INS系統(tǒng)的力學(xué)編排，解算得到飛行器最優(yōu)PVA估計(jì)值作為所述參考系統(tǒng)的輸出。

參見圖5，該圖示出了本實(shí)用新型實(shí)施例一具體的GNSS和INS系統(tǒng)融合作為參考系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)采用線性卡爾曼濾波器進(jìn)行融合，系統(tǒng)的狀態(tài)方程為純捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差方程。結(jié)合捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的基本導(dǎo)航參數(shù)誤差方程以及慣性儀表的誤差方程，可以獲得慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)方程為：

X(t)＝F(t)X(t)+G(t)W(t)

式中F(t)表示慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程的一步狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣；G(t)表示慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程的系統(tǒng)白噪聲誤差矩陣；W(t)為慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)狀態(tài)方程的系統(tǒng)誤差白噪聲矢量，系統(tǒng)狀態(tài)矢量定義為：

X＝[φ_e,φ_n,φ_u,δv_e,δv_n,δv_u,δL,δλ,δh,ε_bx,ε_by,ε_bz,ε_rx,ε_ry,ε_rz,▽_x,▽_y,▽_z]^T

式中φ_e,φ_n,φ_u表示三個(gè)慣性導(dǎo)航平臺(tái)誤差角；δv_e,δv_n,δv_u表示三個(gè)速度誤差；δL,δλ,δh表示三個(gè)位置誤差；ε_bx,ε_by,ε_bz,ε_rx,ε_ry,ε_rz表示陀螺三個(gè)常值漂移誤差和三個(gè)一階馬爾可夫漂移誤差；▽_x，▽_y，▽_z表示加速度計(jì)三個(gè)一階馬爾科夫漂移誤差。

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的白噪聲矢量為：

W＝[ω_gx,ω_gy,ω_gz,ω_rx,ω_ry,ω_rz,ω_ax,ω_ay,ω_az]^T

對(duì)應(yīng)于白噪聲矢量，白噪聲方差矩陣Q(t)為：

組合導(dǎo)航系統(tǒng)噪聲系數(shù)矩陣為：

組合導(dǎo)航系統(tǒng)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣為：

上式中，

A_INS對(duì)應(yīng)9個(gè)基本導(dǎo)航參數(shù)的系統(tǒng)陣，由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)航參數(shù)基本誤差方程決定，其具體形式如下：

量測方程中的量測信息由慣性導(dǎo)航系統(tǒng)輸出的三維速度、三維位置分 別與衛(wèi)星輸出的三維速度、三維位置的差值構(gòu)成，如下式所示，其中R_n和R_e為參考橢球子午圈和卯酉圈上各點(diǎn)的曲率半徑。

上式中：

H_v(t)_3×18＝[0_3×3 diag[1 1 1]0_3×3 0_3×9]_3×18

H_p(t)_3×18＝[0_3×3 0_3×3 diag[R_n R_ecosL 1]0_3×9]_3×18

子系統(tǒng)測量白噪聲矢量為：

N_GPS(t)＝[M_nGPS M_eGPS M_dGPS N_nGPS N_eGPS N_dGPS]^T

測量白噪聲矢量方差陣為：

R_GPS(t)＝diag[σ²_vnGPS σ²_veGPS σ²_vdGPS σ²_pnGPS σ²_peGPS σ²_pdGPS]^T

采用卡爾曼濾波進(jìn)行慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航信息融合，其開環(huán)形式為：

時(shí)間更新算法：

量測更新算法：

其中：

表示系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)值；

表示系統(tǒng)狀態(tài)一步預(yù)測值；

K_i(k)表示系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)刻濾波增益陣；

P_i(k/k-1)表示系統(tǒng)狀態(tài)一步預(yù)測誤差估計(jì)協(xié)方差陣；

P_i(k/k)表示系統(tǒng)狀態(tài)誤差估計(jì)協(xié)方差陣；

Q_i(k-1)表示系統(tǒng)狀態(tài)噪聲陣；

R_i(k)表示量測噪聲陣。

對(duì)開環(huán)濾波器引入控制項(xiàng)后變成閉環(huán)形式，在完全閉環(huán)修正時(shí)，濾波方程組變?yōu)椋?/p>

時(shí)間更新算法：

量測更新算法：

基于可觀測度分析的慣性/衛(wèi)星組合導(dǎo)航系統(tǒng)卡爾曼濾波算法采用閉環(huán)模式，主要包括時(shí)間更新過程、量測更新過程以及自適應(yīng)反饋校正過程。其中時(shí)間更新、量測更新如上式所示，自適應(yīng)反饋校正算法為：

式中，表示卡爾曼濾波當(dāng)前時(shí)刻狀態(tài)估計(jì)值，ηⁱ表示歸一化的可觀測度系數(shù)，表示用于對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)男拚俊?/p>

采用本實(shí)用新型上述濾波器，能夠?qū)⒍嘣葱畔⑦M(jìn)行最優(yōu)融合，利用所選取的多源數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)性和互補(bǔ)性，對(duì)GNSS導(dǎo)航系統(tǒng)的信號(hào)缺失補(bǔ)償、提高對(duì)衛(wèi)星信號(hào)的捕獲和跟蹤精度和提高系統(tǒng)抗干擾性，從而達(dá)到最終提高組合導(dǎo)航精度的目標(biāo)。

基于上述組合導(dǎo)航設(shè)計(jì)方案，本發(fā)明實(shí)施例提供了一種具體的組合導(dǎo)航設(shè)備，如圖6所示，包括GNSS系統(tǒng)61、INS系統(tǒng)62、MLDAS系統(tǒng)63、氣壓高度表64、守時(shí)設(shè)備65、EKF濾波器66和聯(lián)邦濾波器67，所述聯(lián)邦濾波器67包括1個(gè)主濾波器671和3個(gè)局部濾波器672，GNSS系統(tǒng)61和INS系統(tǒng)62為導(dǎo)航系統(tǒng)，MLDAS系統(tǒng)63、氣壓高度表64和守時(shí)設(shè)備65為輔助導(dǎo)航系統(tǒng)，其中：使用EKF濾波器66對(duì)GNSS系統(tǒng)61和INS系統(tǒng)62進(jìn)行緊組合濾波，輸出融合后的數(shù)據(jù)；使用聯(lián)邦濾波器67對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)緊組合濾波后的數(shù)據(jù)與輔助導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行松組合濾波，其中：每一局部濾波器用于將導(dǎo)航系統(tǒng)融合后的數(shù)據(jù)與一種輔助導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行松組合濾波，計(jì)算出的局部估計(jì)值和誤差協(xié)方差陣；主濾波器671對(duì)導(dǎo)航系統(tǒng)融合數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，根據(jù)濾波結(jié)果以及各局部濾波器672的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行最優(yōu)融合，得到全局最優(yōu)估計(jì)值。

較佳地，還包括坐標(biāo)轉(zhuǎn)換電路(圖中未示出)，用以將所述GNSS系統(tǒng)與所述INS系統(tǒng)的輸出信號(hào)映射到以地心慣性坐標(biāo)系ECI為導(dǎo)航坐標(biāo)系下，進(jìn)行時(shí)空對(duì)準(zhǔn)后再進(jìn)行EKF緊組合濾波處理

較佳地，還包括反饋電路(圖中未示出)，用于根據(jù)EKF解算出的導(dǎo)航誤差估計(jì)對(duì)INS系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行校正，調(diào)整飛行器最優(yōu)PVA估計(jì)值。

其中，各部件(電路)的詳細(xì)設(shè)計(jì)方案參見上述段落，本發(fā)明在此不再贅述。

根據(jù)所述公開的實(shí)施例，可以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或者使用本實(shí)用新型。對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，這些實(shí)施例的各種修改是顯而易見的，并且這里定義的總體原理也可以在不脫離本實(shí)用新型的范圍和主旨的基礎(chǔ)上應(yīng)用于其他實(shí)施例。以上所述的實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。