一种级联式GNSS/SINS深组合导航方法技术

本发明专利技术公开了一种级联式GNSS/SINS深组合导航方法，步骤如下：矢量跟踪环路设计：载波鉴别器和码鉴别器输出作为导航滤波器的量测信息，用来估计接收机位置、速度、钟差和钟漂，估计的信息用来计算接收机环路参数；组合导航主滤波器模型搭建：组合导航主滤波器接收GNSS跟踪通道与SINS输出的量测信息，对状态变量进行更新并将导航误差参数反馈回SINS系统中对SINS系统误差加以校正；利用惯性信息计算环路参数：组合系统利用校正后的SINS导航信息和星历信息计算跟踪环路参数，用以控制接收机的本地伪码、载波数控振荡器，以保持对输入信号的稳定跟踪。本发明专利技术具有良好的抗干扰性能和瞬时桥接信号的能力，可以在高动态环境和弱信号环境下取得较好的定位效果，应用前景广阔。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及卫星导航、组合导航
，特别是一种级联式GNSS/SINS深组合导航方法。
技术介绍
GNSS系统是指全球导航卫星系统，卫星导航系统具有全天候、全时间的优点，但易受电磁干扰、高动态下可能出现丢星失锁情况；SINS系统是一种不依赖于任何外部信息、也不向外辐射能量的完全自主式导航系统，具有体积小、数据更新率高、短时精度高等优点，但是具有导航精度随时间降低的缺点。因此常将两者结合以构成SINS/GNSS组合导航系统。随着运载体对导航系统的综合性能提出的需求不断提高的同时，对GNSS/SINS组合导航技术方面的研究已从简单的松组合和紧组合转向深组合技术。目前国内外主要研究基于传统的接收机跟踪环路的SINS辅助GNSS超紧组合导航系统，但是该系统采用传统的接收机标量跟踪模式，而集中式深组合虽使用了矢量跟踪算法，具有更强抗干扰性能和更高的灵敏度。同时基于矢量跟踪的深组合导航系统具有瞬时桥接信号的能力。但由于模型中观测量与状态量呈高度非线性关系，涉及到高维卡尔曼滤波高频计算问题，难以付诸实践。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种级联式GNSS/SINS深组合导航方法，以提高GNSS信号跟踪的性能和卫星接收机对高动态运动载体的适应性。本专利技术的技术解决方案为：一种级联式GNSS/SINS深组合导航方法，包括下列步骤：步骤1，矢量跟踪环路设计：载波鉴别器和码鉴别器输出作为导航滤波器的量测信息，用来估计接收机位置、速度、钟差和钟漂，估计的信息用来计算接收机环路参数；步骤2，组合导航主滤波器设计：组合导航主滤波器接收GNSS跟踪通道与SINS输出作为量测信息，并对SINS系统中的导航信息加以校正；步骤3，利用校正之后的惯性信息计算环路参数：组合系统利用校正后的SINS导航信息和星历信息推测信号跟踪参数GNSS伪码相位和多普勒频移，从而控制接收机的本地伪码、载波数控振荡器，以保持对输入信号的稳定跟踪。本专利技术与现有技术相比，其显著效果是：(1)采用的矢量跟踪方法，取消了传统的独立、并行的标量跟踪模式，充分利用了各卫星通道间的共享信息，可以同时跟踪所有可视卫星；(2)采用级联的方式实现深组合：第一步为矢量跟踪接收机，完成码/载波跟踪误差估计；第二步为主滤波器(即组合导航滤波器)，完成对SINS误差信息的估计；(3)采用惯性辅助技术，利用修正后的SINS导航参数和星历信息推测GNSS伪码相位和多普勒频移等信号跟踪参数，并将估计结果反馈到接收机内部对跟踪环路进行辅助，实现惯导对卫星的辅助，提高了GNSS信号跟踪的性能。附图说明图1是本专利技术级联式GNSS/SINS深组合导航方法的系统结构框图。图2是本专利技术级联式GNSS/SINS深组合导航方法的流程图。具体实施方式以下结合附图，对本专利技术做进一步详细说明。如图1、2所示，本专利技术级联式GNSS/SINS深组合导航方法，具体实现如下：GNSS天线所接收的射频信号，以GPS卫星L1频点为例，卫星发射信号表示为： S L 1 ( t ) = 2 A · D ( t ) · C ( t ) · c o s [ ω L 1 t + φ ( t ) ] + 2 A · D ( t ) · P ( t ) · s i n [ ω L 1 t + φ ( t ) ] ]]>在不考虑噪声的情况下，GNSS接收机射频前端输出的中频信号模型为： S I F ( t ) = 2 A · D ( t - τ ) · C ( t - τ ) · c o s [ ( ω I F + Δ ω ) ( t - τ ) ] + n ( t ) ]]>式中，τ为传输过程中的时间延迟，ωIF为信号中频，Δω为多普勒频移，n(t)为噪声项。输入的中频信号与本地振荡器发生的同相、正交信号相乘，经积分清和清零后产生IP、QP、IE、QE、IL、QL六路信号，统称为基带I、Q信息： I P = 2 A M D R ( δ τ ) 2 · sin ( π · Δ f · T 2 ) · cos [ 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种级联式GNSS/SINS深组合导航方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1，矢量跟踪环路设计：载波鉴别器和码鉴别器输出作为导航滤波器的量测信息，用来估计接收机位置、速度、钟差和钟漂，估计的信息用来计算接收机环路参数；步骤2，组合导航主滤波器设计：组合导航主滤波器接收GNSS跟踪通道与SINS输出作为量测信息，并对SINS系统中的导航信息加以校正；步骤3，利用校正之后的惯性信息计算环路参数：组合系统利用校正后的SINS导航信息和星历信息推测信号跟踪参数GNSS伪码相位和多普勒频移，从而控制接收机的本地伪码、载波数控振荡器，以保持对输入信号的稳定跟踪。

【技术特征摘要】
1.一种级联式GNSS/SINS深组合导航方法，其特征在于，包括下列步骤：步骤1，矢量跟踪环路设计：载波鉴别器和码鉴别器输出作为导航滤波器的量测信息，用来估计接收机位置、速度、钟差和钟漂，估计的信息用来计算接收机环路参数；步骤2，组合导航主滤波器设计：组合导航主滤波器接收GNSS跟踪通道与SINS输出作为量测信息，并对SINS系统中的导航信息加以校正；步骤3，利用校正之后的惯性信息计算环路参数：组合系统利用校正后的SINS导航信息和星历信息推测信号跟踪参数GNSS伪码相位和多普勒频移，从而控制接收机的本地伪码、载波数控振荡器，以保持对输入信号的稳定跟踪。2.根据权利要求1所述的级联式GNSS/SINS深组合导航方法，其特征在于，步骤1所述载波鉴别器和码鉴别器输出作为导航滤波器的量测信息，用来估计接收机位置、速度、钟差和钟漂，具体如下：a)载波鉴频器输出zcarrier，计算公式如下： z c a r r i e r = c r o s s × s i g n ( d o t ) 2 π ( t 2 - t 1 ) ( I P 2 2 + Q P 2 2 ) ]]>式中，和分别为I通道和Q通道即时支路t1时刻的采样值，和分别为I通道和Q通道即时支路紧接着t1时刻之后的t2时刻的采样值，t1为k-1时刻的时间，t2为k时刻的时间，sign(x)为符号函数，取值如下： s i g n ( x ) = + 1 x ≥ 0 - 1 x < 0 ]]>b)码鉴别器选取归一化的非相干超前减滞后模型，得到码相位测量值zcode： z c o d e = 1 2 · I E 2 + Q E 2 - I L 2 + Q L 2 I E 2 + Q E 2 + I L 2 + Q L 2 ]]>式中，IE和QE分别为I通道和Q通道超前支路采样值，IL和QL分别为I通道和Q通道滞后支路采样值；c)导航滤波器模型的状态方程如下： δx k δv x , k δy k δv y , k δz k δv z , k c · t b , k c · t d , k = 0 T o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T o 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 T o 0 0 0 0 0 0 0 0 · δx k - 1 δv x , k - 1 δy k - 1 δv y , k - 1 δz k - 1 δv z , k - 1 c · t b , k - 1 c · t d , k - 1 + ω x ω v x ω y ω v y ω z ω v z ω b ω d ]]>式中，tb,k和tb,k-1分别为k时刻和k-1时刻的接收机钟差，td,k和td,k-1分别为k时刻和k-1时刻的接收机钟漂；分别为k时刻和k-1时刻x方向位置误差；分别为k时刻和k-1时刻x方向速度误差；δyk、δyk-1分别为k时刻和k-1时刻y方向位置误差；δvy,k、δvy,k-1分别为k时刻和k-1时刻y方向速度误差；δzk、δzk-1分别为k时刻和k-1时刻z方向位置误差；δvz,k、δvz,k-1分别为k时刻和k-1时刻z方向速度误差；To为k时刻和k-1时刻之间间隔时间；ωx、ωy、ωz分别为位置随机噪声在x、y、z轴的分量，ωvx、ωvy、ωvz分别为速度随机噪声在x、y、z轴的分量，ωb为接收机钟差的随机噪声、ωd为接收机钟漂的随机噪声；d)导航滤波器模型的观测方程为：观测量选取各通道的码相位测量值和载波频率测量值，观测量与状态量之间的关系如下：zcode＝hxδx+hyδy+hzδz+c·tb+wcodezcarrier＝hxδvx+hyδvy+hzδvz+c·td+wcarrier式中，hx、hy、hz为视线矢量在x、y、z轴的分量；tb为钟差；δx为x方向位置误差，δy为y方向位置误差，δz为z方向位置误差，δvx为x方向速度误差，δvy为y方向速度误差，δvz为z方向的速度误差，td为钟漂，wcode和wcarrier分别为码相位跟踪误差噪声和载波频率跟踪误差噪声。3.根据权利要求1所述的级联式GNSS/SINS深组合导航方法，其特征在于，步骤2中所述组合导航主滤波器设计，具体如下：(a)系统状态方程： X · = F X + G W ]]>式中，X为系统状态矢量，表示系统状态矢量的导数，F为系统状态转移矩阵，G为系统噪声驱动矩阵，W为系统噪声矢量，具体如下： X = ψ e ψ n ψ u δV e δV n δV u δ L δ λ δ h ϵ x ϵ y ϵ z ▿ x ▿ y ▿ z δt u δt r u T ]]> F 17 × 17 = F N F S 0 9 × 2 0 6 × 9 0 6 × 6 0 6 × 2 0 2 × 9 0 2 × 6 F G , F S = C b n 0 3 × 3 0 3 × 3 C b n 0 3 × 3 0 3 × 3 , F G = 0 1 0 - β δt r u , ]]> G = C b n 0 3 × 3 0 3 × 2 0 3 × 3 C b n 0 3 × 2 0 9 × 3 0 9 × 3 0 9 × 2 0 2 × 3 0 2 × 3 I 2 × 2 , W = W ϵ x W ϵ y W ϵ z W ▿ x W ▿ y W ▿ z W δt u W δt r u T ]]>式中，ψe、ψn、ψu分别为东、北、天方向的平台失准角误差；δVe、δVn、δVu分别为东、北、天方向的速度误差；δL、δλ、δh分别为纬度、经度及高度误差；εx、εy、εz分别为陀螺常值漂移在x、y、z轴上的分量；分别为加速度计常值偏置在x、y、z轴上的分量；δtu为钟差引起的等效距离误差；δtru为钟漂引起的伪距率误差；FN为对应9个基本导航参数的系统阵；为在载体系到导航系转换矩阵；τ为相关时间；分别为陀螺在x、y、z三个轴向的量测零均值高斯白噪声；分别为加速度计在x、y、z三个轴向的量测零均值高斯白噪声；分别为钟差和钟漂零均值高斯白噪声；(b)系统量测方程：Z＝HX+V式中，Z为观测矢量，H为观测矩阵，V为观测噪声矩阵，具体如下： Z = δρ 1 ...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈帅，蒋长辉，陈克振，屈新芬，韩乃龙，沈际春，卢启伟，赵琛，孔维一，黄思亮，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32