一種gnss-ins組合中的橋接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及高精度后處理組合定位定向技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種GNSS-INS組合中的 橋接方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 美國(guó)GPS、中國(guó)"北斗"系統(tǒng)、俄羅斯"GLONASS"系統(tǒng)、歐盟"伽利略"系統(tǒng)合稱(chēng)為全球 導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)GNSS(Global Navigation Satellite System)。慣性導(dǎo)航系統(tǒng)INS(Inertial Navigation System)是一種依靠牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)，不依靠外部設(shè)備，通過(guò)加速度計(jì)測(cè)量載 體在慣性坐標(biāo)系下的加速度，對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分，結(jié)合陀螺儀所測(cè)角速度算出的旋轉(zhuǎn)矩陣轉(zhuǎn) 化到導(dǎo)航坐標(biāo)系中，進(jìn)而得到載體的位置、速度、姿態(tài)角的自主式導(dǎo)航系統(tǒng)。衛(wèi)星定位不會(huì) 產(chǎn)生積分誤差，但易收到外界環(huán)境的干擾;慣性導(dǎo)航僅靠自身設(shè)備就能完成，但各項(xiàng)誤差會(huì) 隨時(shí)間產(chǎn)生積分誤差，因而兩個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)具有鮮明的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)關(guān)系。二者的組合定位定向 也就變成了測(cè)繪導(dǎo)航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)問(wèn)題。
[0003] 與實(shí)時(shí)的組合導(dǎo)航領(lǐng)域不同，事后的組合定位定向一般對(duì)于位置姿態(tài)的精度要求 很高。GNSS采用差分定位模式，采用載波相位觀測(cè)量求解出整周模糊度進(jìn)而能得到厘米級(jí) 的定位精度JMU可持續(xù)提供載體的姿態(tài)信息，并且能在GNSS衛(wèi)星失鎖的時(shí)候提供載體的位 置信息，但此時(shí)的位置精度一般不高。受硬件設(shè)備屬性的影響，目前通常GNSS的采樣頻率是 l-20Hz，但是MJ的采樣頻率在100-500HZ，所以在GNSS和MJ觀測(cè)時(shí)刻不相同的歷元點(diǎn)上只 能由MU獨(dú)立導(dǎo)航，在相同觀測(cè)時(shí)刻點(diǎn)系統(tǒng)由GNSS-INS組合濾波器決定，期間很短的時(shí)間內(nèi) 可以看成是"衛(wèi)星假象失鎖"。另一方面在城市峽谷下，GNSS衛(wèi)星的觀測(cè)條件比較惡劣，致使 會(huì)發(fā)生大量的短時(shí)甚至長(zhǎng)時(shí)間的真正失鎖現(xiàn)象，系統(tǒng)轉(zhuǎn)變回單獨(dú)的MU獨(dú)立導(dǎo)航，整個(gè)組合 定位系統(tǒng)的精度都會(huì)下降。以上出現(xiàn)的兩種情況下，都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)質(zhì)量的不統(tǒng)一，即導(dǎo) 致最終結(jié)果中會(huì)有很多突變的"鋸齒"存在。前者對(duì)于系統(tǒng)精度的影響不大，"鋸齒"的長(zhǎng)度 都比較??；后者GNSS衛(wèi)星出現(xiàn)真正失鎖時(shí)，失鎖的時(shí)間越長(zhǎng)，"鋸齒"的寬度就越大，這對(duì)組 合系統(tǒng)的精度影響尤為嚴(yán)重。對(duì)此很多人提出神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，補(bǔ)償由MU獨(dú)立導(dǎo)航的歷元 參數(shù)，但該方法依賴(lài)于長(zhǎng)時(shí)間的良好GNSS觀測(cè)數(shù)據(jù)，且需要觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，但只要是正常的 GNSS觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)就會(huì)出現(xiàn)"衛(wèi)星假象失鎖"，這種方法的補(bǔ)償頻率高，存在適用性較低，穩(wěn) 定性較低、精度差等問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種適應(yīng)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)并且精度高的GNSS-INS組合中 的橋接方法，解決了 GNSS正常連續(xù)觀測(cè)中定位結(jié)果存在的"鋸齒"問(wèn)題和因 GNSS失鎖導(dǎo)致系 統(tǒng)精度降低的問(wèn)題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：
[0006] -種GNSS-INS組合中的橋接方法，包括：
[0007] 第一，利用載波相位觀測(cè)值求出厘米級(jí)的位置量；
[0008] 第二，若沒(méi)有GNSS定位結(jié)果，則進(jìn)行INS的獨(dú)立導(dǎo)航推算；
[0009] 第三，若存在GNSS定位結(jié)果，則啟動(dòng)GNSS-INS濾波器，把前兩步中的位置量之差組 成擴(kuò)展卡爾曼濾波的量測(cè)值，計(jì)算出各狀態(tài)量的補(bǔ)償量，更新校正系統(tǒng)的狀態(tài)量。
[0010] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:具體步驟為：
[0011] (l)GNSS利用C/A碼和雙頻載波相位數(shù)據(jù)，采用雙頻相關(guān)法（Dual Frequency Method，DUFC0M)搜索出正確的整周模糊度，獲取厘米級(jí)的位置量；
[0012] (2)把陀螺儀輸出的角速度，結(jié)合已知的地球自轉(zhuǎn)角速度，利用四元數(shù)更新方法， 得到由載體坐標(biāo)系b系至導(dǎo)航坐標(biāo)系e系的旋轉(zhuǎn)矩陣和加速度計(jì)輸出的加速度一起進(jìn)行 一次積分得到速度^二次積分得到位置^&^
[0013] (3)若步驟(1)中GNSS衛(wèi)星未發(fā)生失鎖，把所得位置、速度和步驟(2)中由慣性導(dǎo)航 方程推算出的位置、速度組成擴(kuò)展卡爾曼濾波中的量測(cè)觀測(cè)值，這里采用的是閉環(huán)校正的 方式，即得到的狀態(tài)量進(jìn)行實(shí)時(shí)更新校正，以提高下一個(gè)歷元的慣性導(dǎo)航計(jì)算的精度；
[0014] (4)若步驟（1)中GNSS衛(wèi)星發(fā)生了失鎖，則無(wú)法獲得GNSS定位結(jié)果；或者是和GNSS 采樣歷元不同步的頂U(kuò)采樣歷元，系統(tǒng)都會(huì)轉(zhuǎn)變成INS獨(dú)立導(dǎo)航，受其導(dǎo)航原理的影響和慣 性器材精度的影響，系統(tǒng)精度會(huì)逐漸降低；當(dāng)重新獲取GNSS定位結(jié)果時(shí)，系統(tǒng)重新恢復(fù)成 GNSS-INS組合濾波器，當(dāng)前歷元的狀態(tài)量重新獲取補(bǔ)償校正量，故可解算出新的高精度的 位置、速度、姿態(tài)角信息。這里可直接不需證明的給出該歷元的誤差補(bǔ)償量是由于整個(gè)"衛(wèi) 星失鎖"期間INS獨(dú)立導(dǎo)航的誤差累積而成，即和整個(gè)"失鎖"期間的各個(gè)歷元都相關(guān)，故可 以此為新的觀測(cè)量，依次對(duì)"失鎖"期間的各個(gè)歷元重新進(jìn)行誤差補(bǔ)償。沒(méi)有嚴(yán)密的理論依 據(jù)表明位置、速度、姿態(tài)角的誤差因子一定相同，因而本發(fā)明采用獨(dú)立參數(shù)的位置、速度、姿 態(tài)誤差補(bǔ)償橋接方法。即使用獨(dú)立的參數(shù)方程進(jìn)行擬合，再以各慣性導(dǎo)航歷元和失鎖時(shí)的 時(shí)間差為自變量算出相應(yīng)慣性導(dǎo)航歷元的位置、速度、姿態(tài)補(bǔ)償量，得到精度更高的位置、 速度、姿態(tài)角。
[0015] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:其中前3個(gè)步驟采用的常規(guī)的分布式卡爾曼濾波器，首 先以GNSS的雙差觀測(cè)值解算出高精度的位置、速度結(jié)果，然后和INS導(dǎo)航結(jié)果組建松散卡爾 曼濾波，因系統(tǒng)的狀態(tài)方程是非線(xiàn)性方程，故本發(fā)明中使用的是擴(kuò)展的卡爾曼濾波器，即以 各參數(shù)的誤差作為狀態(tài)量，濾波器直接得到各參數(shù)的誤差，再反饋校正各個(gè)參數(shù)；以上兩個(gè) 濾波器的內(nèi)容屬于GNSS-INS組合中的常規(guī)內(nèi)容。
[0016] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案:上述步驟(4)中涉及到的利用補(bǔ)償量來(lái)橋接，即導(dǎo)航參 數(shù)所對(duì)應(yīng)的橋接擬合參數(shù)方程如下：
[0017] 在導(dǎo)航坐標(biāo)系為地固系(e系）中INS的姿態(tài)誤差方程為：
[0019] 其中，ε，d分別表示誤差角和陀螺漂移；《表示b系到e系的旋轉(zhuǎn)矩陣；1?表示e系 相對(duì)于i系的角速度?名所對(duì)應(yīng)的反對(duì)稱(chēng)矩陣；
[0020] GNSS在經(jīng)過(guò)閉環(huán)的校正后，尤其是在高精度GNSS-INS組合中，誤差角本身就是一 種可觀測(cè)狀態(tài)，誤差角ε、陀螺漂移d非常小，當(dāng)在忽略第二項(xiàng)的情況下，那么認(rèn)為ε和時(shí)間呈 指數(shù)函數(shù)的關(guān)系：
[0022] 考慮到地球自轉(zhuǎn)的角速度很小，上式在很短的時(shí)間內(nèi)，可以被看成是個(gè)常數(shù)，這個(gè) 模型顯然和實(shí)際的不符;若忽略第一項(xiàng)，并認(rèn)為在一個(gè)濾波的周期內(nèi)載體的姿態(tài)角不會(huì)變 化，那么誤差角ε可以被看成是時(shí)間的線(xiàn)性函數(shù)：
[0023] ε=Κε? 3)
[0024] 上述的模型更加符合實(shí)際，雖然把載體的姿態(tài)角看成不變，在實(shí)際載體運(yùn)動(dòng)中很 難滿(mǎn)足，但是由于姿態(tài)誤差角屬于小量，上述模型帶來(lái)的誤差并不大，而且有比較強(qiáng)的適用 性；
[0025] 同時(shí)針對(duì)本發(fā)明提出的誤差補(bǔ)償單向橋接方法，實(shí)際的導(dǎo)航計(jì)算中，尤其是在 GNSS失鎖時(shí)間較長(zhǎng)的情況下，位置、速度對(duì)應(yīng)的誤差因子通常并不相同，此外，如果二者使 用相同的誤差因子，那么必須使用最小二乘擬合，另一方面沒(méi)有嚴(yán)密的理論表明需要使用 相同的擬合參數(shù)，實(shí)際計(jì)算后的殘差更?。灰蚨诒景l(fā)明中采用不同的擬合參數(shù)，這也更加 合理，適用性更高、精度更高、穩(wěn)定性更強(qiáng);最終的橋接公式為：
[0027] 其中，ΔΓ、Δν分別表示位置誤差、速度誤差;t為濾波周期;Kr，U表示各方程的 參數(shù)。
[0028] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：
[0029] 本發(fā)明不需區(qū)分衛(wèi)星是否真實(shí)失鎖，以GNSS-INS的松組合為基礎(chǔ)，在分布式擴(kuò)展 卡爾曼濾波框架中來(lái)實(shí)現(xiàn)，緊密利用衛(wèi)星恢復(fù)正常時(shí)的誤差補(bǔ)償量，以GNSS對(duì)頂U(kuò)的補(bǔ)償量 為新的觀測(cè)量，獨(dú)立反算出三種導(dǎo)航參數(shù)對(duì)應(yīng)的擬合系數(shù)，具體是二次關(guān)系擬合位置誤差， 速度誤差、姿態(tài)角誤差則選用線(xiàn)性關(guān)系擬合，從而補(bǔ)償IMU獨(dú)立導(dǎo)航期間的誤差，達(dá)到連續(xù) 的、平滑的高精度穩(wěn)定狀態(tài)輸出。
[0030] 本發(fā)明對(duì)于因 GNSS正常連續(xù)觀測(cè)校正頂U(kuò)時(shí)，主要體現(xiàn)在避免結(jié)果出現(xiàn)的"鋸齒" 現(xiàn)象，而對(duì)于GNSS失鎖期間，主要體現(xiàn)在提升整個(gè)失鎖期間的精度水平。本發(fā)明統(tǒng)一解決了 GNSS正常連續(xù)觀測(cè)中定位結(jié)果存在的"鋸齒"問(wèn)題和因 GNSS失鎖導(dǎo)致系統(tǒng)精度降低的問(wèn)題， 具有適應(yīng)能力強(qiáng)、穩(wěn)定性強(qiáng)并且精度高的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0031 ]圖1是一種GNSS-INS組合中的橋接方法流程圖；
[0032]圖2是車(chē)載運(yùn)動(dòng)軌跡；
[0033] 圖3是人為刪除GNSS結(jié)果軌跡圖；
[0034] 圖4是本發(fā)明對(duì)于GNSS正常連續(xù)觀測(cè)時(shí)平面位置效果；
[0035] 圖5是本發(fā)明對(duì)于GNSS正常連續(xù)觀測(cè)時(shí)高程部分?jǐn)?shù)據(jù)效果；
[0036]圖6是本發(fā)明中GNSS連續(xù)正常觀測(cè)時(shí)三軸位置導(dǎo)航參數(shù)擬合系數(shù)；
[0037] 圖7是本發(fā)明中GNSS連續(xù)正常觀測(cè)時(shí)三軸速度導(dǎo)航參數(shù)擬合系數(shù)；
[0038] 圖8是本發(fā)明中對(duì)于GNSS失鎖2分鐘時(shí)高斯投影北坐標(biāo)效果圖；
[0039] 圖9是本發(fā)明中對(duì)于GNSS失鎖2分鐘時(shí)高斯投影東坐標(biāo)效果圖；
[0040] 圖10是本發(fā)明中對(duì)于GNSS失鎖2分鐘時(shí)橢球高效果圖；
[0041 ]圖11是本發(fā)明中對(duì)于GNSS失鎖2分鐘時(shí)東向速度效果圖；
[0042]圖12是本發(fā)明中對(duì)于GNSS失鎖2分鐘時(shí)北向速度效果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0043] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述， 顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)