一种紧耦合GNSS/INS组合导航装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种紧耦合GNSS/INS组合导航装置。该组合导航装置利用紧耦合方法将低精度的惯性器件INS与全球导航系统GNSS组合起来，弥补了低成本、低精度惯性器件随时间累计误差增大的缺陷，同时保证了在全球导航系统(GNSS)信号被遮挡区域的定位稳定性。本装置主要通过消除低精度惯性器件误差，调平法结合单天线测姿进行初始对准，紧组合滤波技术及位置误差建模技术，通过将单天线测姿法解算的姿态角定时反馈给惯性系统保证其姿态精度，从而实现低精度惯性器件的高性能组合导航，本装置有效解决了惯性导航姿态角初始对准和复杂环境下的组合滤波，同时保证了计算的精度和定位的稳定性，拓展了抗高过载系统的应用了领域，实现低成本、高性能的组合导航。

【技术实现步骤摘要】
一种紧耦合GNSS/INS组合导航装置
本专利技术涉及一种紧耦合GNSS/INS组合导航装置，属于导航领域。
技术介绍
任何一种导航设备的性能和应用范围都有一定的局限性，不可能完全满足现代导航要求。将INS惯性导航与GNSS卫星导航构成的组合导航系统，可实现二者的优势互补。利用GNSS的长期稳定性与高精度弥补INS误差随时间积累的缺点。同时，可利用INS的短期高精度弥补GNSS系统易受干扰、信号易失锁等缺点。组合后的导航系统可以实现较高精度、长期可靠地导航定位，又具有成本低、体积小等特点，满足了一些应用领域如无人机自动导航驾驶、飞行器导航及航弹等对导航系统提出的要求，在这些领域具有广泛的应用前景。目前，用到的主要组合方式有松耦合、紧耦合和超紧耦合。紧耦合主要是基于伪距和伪距率的滤波。根据GNSS接收机收到的星历信息和INS输出的位置和速度，计算得到相应于INS位置的伪距、伪距率，将其与GNSS接收机测量得到的伪距和伪距率相比较，它们的差值作为组合系统的观测量。通过扩展卡尔曼(EKF)滤波对INS的误差和GNSS接收机的误差进行最优估计，然后对INS进行输出或者反馈校正。紧耦合相对于松耦合来说，主要优点是不存在滤波级联，且解算采用原始信息，伪距、伪距率误差不相关，定位精度高于松组合，并且在卫星数小于4颗时，仍能实现定位。紧耦合相对于超紧耦合来说，结构更加简单，实现起来容易。随着导航系统的飞速发展，惯性导航可以在多种场合为载体提供实时姿态信息，但是由于低成本、低精度的器件在保证了姿态可靠性的同时没法保证其精度，因此研究低精度INS模块和卫星导航接收机，开发出高性能的组合导航装置，实现低成本、高性能组合导航系统的产品化，拓展低成本、低精度惯性器件的应用领域。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种紧耦合低成本惯性器件(INS)的组合导航装置，融合了多个导航系统，得到了适合于低成本、低精度惯性器件的高精度、高可靠性的组合系统。本专利技术的技术解决方案是：一种紧耦合GNSS/INS组合导航装置，其特征在于包括：惯性器件、预处理模块、卫星导航模块、捷联解算模块、紧组合滤波模块、单天线测姿模块；其中：惯性器件，用于测量东、北、天三轴角速率和三轴加速度，输出到预处理模块；预处理模块，接收惯性器件输出的三轴角速度和三轴加速度信息，消除其中包含的确定性漂移和随机漂移误差，之后，将处理后的三轴角速度和三轴加速度发送到捷联解算模块；卫星导航模块，接收导航卫星信号，解析卫星星历信息，进行定位解算，得到位置、速度信息、接收机的钟差和钟漂，卫星的伪距和伪距率信息，将卫星星历信息、接收机的钟差和钟漂、卫星的伪距和伪距率信息发送至紧组合滤波模块；捷联解算模块，接收预处理模块发送的三轴角速度和加速度，静态时，采用调平法计算得到俯仰角和横滚角，采用预设的初始航向角和调平法求得的俯仰角、横滚角，完成初始对准，得到初始姿态矩阵；动态时，按照预定的周期接收单天线测姿模块发送的俯仰角和横滚角、航向角，调整姿态矩阵；之后，根据三轴角速度、加速度和姿态矩阵，采用捷联解算方法，解算出组合导航装置的位置、速度、姿态；同时，接收紧组合滤波模块发送的位置、速度、姿态误差修正量对解算结果进行修正，输出精确的位置、速度和姿态信息，同时将速度信息发送至单天线测姿模块；紧组合滤波模块，根据卫星导航模块发送的星历信息，计算卫星的位置、速度和捷联解算模块输出的位置、速度信息，计算得到卫星到组合导航装置的伪距和伪距率，将其与卫星导航模块测量得到的卫星到组合导航装置的伪距、伪距率作差，所述差值作为紧组合滤波观测量，采用扩展卡尔曼滤波方法计算得到位置、速度、姿态误差修正量，发送给捷联解算模块；单天线测姿模块，接收捷联解算模块输出的速度信息，进行单天线测姿，得到航向角、俯仰角、横滚角按照一定周期发送至捷联解算模块。所述卫星导航模块首次定位之后，将位置、速度信息发送至惯性器件，用于惯性器件初始化。组合导航装置还包括惯导误差模拟模块，所述惯导误差模拟模块获取卫星导航模块发送的位置、速度信息和捷联解算模块发送的位置、速度信息，建立惯导误差模型，模拟位置、速度误差修正量，当卫星导航模块输出的数据不可用时，捷联解算模块采用所述惯导误差模型计算的结果，对解算结果进行修正，得到精确的位置、速度信息。所述惯导误差模拟模块采用卫星导航信号可用时间段内30s的组合定位数据进行二项式拟合方法建立误差模型。所述惯性器件包括陀螺仪和加速度计，陀螺仪用来测量得到三轴角速度；加速度计用来测量得到三轴加速度。所述预处理模块的具体实现为：对陀螺仪利用转台进行确定性漂移标定，去除确定性误差，将处理后的输出结果去除野值，将去除野值后的数据，采均值滤波实时降噪消除随机漂移误差；对加速度计直接采用均值滤波方法消除随机漂移误差。本专利技术与现有技术相比的有益效果是：(1)、本专利技术对惯性器件进行预处理，融合多种导航方法，改善低成本惯性器件的定位精度，突破了低成本惯性器件误差建模、滤波以及组合导航系统工程应用等关键技术，拓展低成本惯性器件的应用领域。(2)、本装置采用单天线测姿法解决了低成本、低精度惯性器件无法感应地球自转，初始对准时解算不出航向角的缺点。(3)、本专利技术采用单天线测姿法每隔一段时间反馈组合导航四元数更新装置姿态信息，保证了高精度的速度、姿态信息，也确保了姿态角的该频率输出，保证了装置的稳定性。(4)、本装置利用惯导误差模拟模块，建立了惯导误差模型，降低了在卫星导航不可用的情况下，短时间的位置、速度、姿态误差漂移，为系统的稳定性提供了一种保护措施。附图说明图1为本专利技术组合导航装置控制流程；图2为预处理模块图；图3为姿态角误差比较图；图4为组合导航滤波器误差建模结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的详细描述。近年来，组合导航系统得到广泛的应用。随着科学技术的不断发展，低成本的惯性器件逐渐占领市场，然而，低成本的惯性器件精度相对较低，姿态测量稳定性差，因此设计一定的算法改善其精度和稳定性是十分必要的。本专利技术提供了一种紧耦合GNSS/INS组合导航装置，该装置将低精度的惯性器件和卫星导航系统组合起来，通过预处理方法，消除低精度惯性器件误差，采用多种导航系统融合技术，提高组合装置定位精度，提高组合装置定位的稳定性。该装置拓展了低成本惯性器件的使用范围，在保证定位准确性的基础上降低了组合装置成本。如图1所示，一种紧耦合GNSS/INS组合导航装置包括：惯性器件、预处理模块、卫星导航模块、捷联解算模块、紧组合滤波模块、单天线测姿模块。以下对各个模块进行详细描述。1)、惯性器件惯性器件，用于测量东、北、天三轴角速率和加速度，输出到预处理模块；一般惯性器件包括陀螺仪和加速度计，陀螺仪用来测量三轴角速度；加速度计用来测量三轴加速度。惯性器件的初始位置、速度信息，可以通过外部输入，也可以在卫星导航模块首次定位之后，由卫星导航模块发送至惯性器件初始化其位置、速度信息。本装置所用的惯性器件有陀螺仪和加速度计。其中，陀螺仪漂移灵敏度远大于地球自转角速度4.167*10-3°/s，无法感应地球自转。2)、预处理模块上述装置中所用的惯性器件原始输出数据中主要误差有确定性误差和随机漂本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧耦合GNSS/INS组合导航装置，其特征在于包括：惯性器件、预处理模块、卫星导航模块、捷联解算模块、紧组合滤波模块、单天线测姿模块；其中，惯性器件，用于测量东、北、天三轴角速率和三轴加速度，输出到预处理模块；预处理模块，接收惯性器件输出的三轴角速度和三轴加速度信息，消除其中包含的确定性漂移和随机漂移误差，之后，将处理后的三轴角速度和三轴加速度发送到捷联解算模块；卫星导航模块，接收导航卫星信号，解析卫星星历信息，进行定位解算，得到位置、速度信息、接收机的钟差和钟漂，卫星的伪距和伪距率信息，将卫星星历信息、接收机的钟差和钟漂、卫星的伪距和伪距率信息发送至紧组合滤波模块；捷联解算模块，接收预处理模块发送的三轴角速度和加速度，静态时，采用调平法计算得到俯仰角和横滚角，采用预设的初始航向角和调平法求得的俯仰角、横滚角，完成初始对准，得到初始姿态矩阵；动态时，按照预定的周期接收单天线测姿模块发送的俯仰角和横滚角、航向角，调整姿态矩阵；之后，根据三轴角速度、加速度和姿态矩阵，采用捷联解算方法，解算出组合导航装置的位置、速度、姿态；同时，接收紧组合滤波模块发送的位置、速度、姿态误差修正量对解算结果进行修正，输出精确的位置、速度和姿态信息，同时将速度信息发送至单天线测姿模块；紧组合滤波模块，根据卫星导航模块发送的星历信息，计算卫星的位置、速度和捷联解算模块输出的位置、速度信息，计算得到卫星到组合导航装置的伪距和伪距率，将其与卫星导航模块测量得到的卫星到组合导航装置的伪距、伪距率作差，所述差值作为紧组合滤波观测量，采用扩展卡尔曼滤波方法计算得到位置、速度、姿态误差修正量，发送给捷联解算模块；单天线测姿模块，接收捷联解算模块输出的速度信息，进行单天线测姿，得到航向角、俯仰角、横滚角按照一定周期发送至捷联解算模块。...

【技术特征摘要】
1.一种紧耦合GNSS/INS组合导航装置，其特征在于包括：惯性器件、预处理模块、卫星导航模块、捷联解算模块、紧组合滤波模块、单天线测姿模块；其中，惯性器件，用于测量东、北、天三轴角速率和三轴加速度，输出到预处理模块；预处理模块，接收惯性器件输出的三轴角速度和三轴加速度信息，消除其中包含的确定性漂移和随机漂移误差，之后，将处理后的三轴角速度和三轴加速度发送到捷联解算模块；卫星导航模块，接收导航卫星信号，解析卫星星历信息，进行定位解算，得到位置、速度信息、接收机的钟差和钟漂，卫星的伪距和伪距率信息，将卫星星历信息、接收机的钟差和钟漂、卫星的伪距和伪距率信息发送至紧组合滤波模块；捷联解算模块，接收预处理模块发送的三轴角速度和加速度，静态时，采用调平法计算得到俯仰角和横滚角，采用预设的初始航向角和调平法求得的俯仰角、横滚角，完成初始对准，得到初始姿态矩阵；动态时，按照预定的周期接收单天线测姿模块发送的俯仰角和横滚角、航向角，调整姿态矩阵；之后，根据三轴角速度、加速度和姿态矩阵，采用捷联解算方法，解算出组合导航装置的位置、速度、姿态；同时，接收紧组合滤波模块发送的位置、速度、姿态误差修正量对解算结果进行修正，输出精确的位置、速度和姿态信息，同时将速度信息发送至单天线测姿模块；紧组合滤波模块，根据卫星导航模块发送的星历信息，计算卫星的位置、速度和捷联解算模块输出的位置、速度信息，计算得到卫星到组合导航装置的伪距和伪距率，将其与卫星导航模块测量得到的卫星到组合导航装置的伪距、伪距率作差，所述差值作为紧组合滤波观测量，采用扩展...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘肖姬，
申请(专利权)人：北京时代民芯科技有限公司，北京微电子技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11