一种GNSS-INS组合中的桥接方法技术

本发明专利技术公开了一种GNSS-INS组合中的桥接方法，包括：第一，利用载波相位观测值求出厘米级的位置量；第二，若没有GNSS定位结果，则进行INS的独立导航推算；第三，若存在GNSS定位结果，则启动GNSS-INS滤波器，把前两步中的位置量之差组成扩展卡尔曼滤波的量测值，计算出各状态量的补偿量，更新校正系统的状态量。本发明专利技术统一解决了GNSS正常连续观测中定位结果存在的“锯齿”问题和因GNSS失锁导致系统精度降低的问题，具有适应能力强、稳定性强并且精度高的优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高精度后处理组合定位定向
，具体是一种GNSS-INS组合中的桥接方法。
技术介绍
美国GPS、中国“北斗”系统、俄罗斯“GLONASS”系统、欧盟“伽利略”系统合称为全球导航卫星系统GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem)。惯性导航系统INS(InertialNavigationSystem)是一种依靠牛顿力学为基础，不依靠外部设备，通过加速度计测量载体在惯性坐标系下的加速度，对时间进行积分，结合陀螺仪所测角速度算出的旋转矩阵转化到导航坐标系中，进而得到载体的位置、速度、姿态角的自主式导航系统。卫星定位不会产生积分误差，但易收到外界环境的干扰；惯性导航仅靠自身设备就能完成，但各项误差会随时间产生积分误差，因而两个导航系统具有鲜明的优势互补关系。二者的组合定位定向也就变成了测绘导航领域的研究热点问题。与实时的组合导航领域不同，事后的组合定位定向一般对于位置姿态的精度要求很高。GNSS采用差分定位模式，采用载波相位观测量求解出整周模糊度进而能得到厘米级的定位精度，IMU可持续提供载体的姿态信息，并且能在GNSS卫星失锁的时候提供载体的位置信息，但此时的位置精度一般不高。受硬件设备属性的影响，目前通常GNSS的采样频率是1-20Hz，但是IMU的采样频率在100-500Hz，所以在GNSS和IMU观测时刻不相同的历元点上只能由IMU独立导航，在相同观测时刻点系统由GNSS-INS组合滤波器决定，期间很短的时间内可以看成是“卫星假象失锁”。另一方面在城市峡谷下，GNSS卫星的观测条件比较恶劣，致使会发生大量的短时甚至长时间的真正失锁现象，系统转变回单独的IMU独立导航，整个组合定位系统的精度都会下降。以上出现的两种情况下，都会导致整个系统质量的不统一，即导致最终结果中会有很多突变的“锯齿”存在。前者对于系统精度的影响不大，“锯齿”的长度都比较小；后者GNSS卫星出现真正失锁时，失锁的时间越长，“锯齿”的宽度就越大，这对组合系统的精度影响尤为严重。对此很多人提出神经网络的方法，补偿由IMU独立导航的历元参数，但该方法依赖于长时间的良好GNSS观测数据，且需要观测时间较长，但只要是正常的GNSS观测时间段内就会出现“卫星假象失锁”，这种方法的补偿频率高，存在适用性较低，稳定性较低、精度差等问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种适应能力强、稳定性强并且精度高的GNSS-INS组合中的桥接方法，解决了GNSS正常连续观测中定位结果存在的“锯齿”问题和因GNSS失锁导致系统精度降低的问题。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种GNSS-INS组合中的桥接方法，包括：第一，利用载波相位观测值求出厘米级的位置量；第二，若没有GNSS定位结果，则进行INS的独立导航推算；第三，若存在GNSS定位结果，则启动GNSS-INS滤波器，把前两步中的位置量之差组成扩展卡尔曼滤波的量测值，计算出各状态量的补偿量，更新校正系统的状态量。作为本专利技术进一步的方案：具体步骤为：(1)GNSS利用C/A码和双频载波相位数据，采用双频相关法(DualFrequencyMethod，DUFCOM)搜索出正确的整周模糊度，获取厘米级的位置量；(2)把陀螺仪输出的角速度，结合已知的地球自转角速度，利用四元数更新方法，得到由载体坐标系b系至导航坐标系e系的旋转矩阵和加速度计输出的加速度一起进行一次积分得到速度二次积分得到位置(3)若步骤(1)中GNSS卫星未发生失锁，把所得位置、速度和步骤(2)中由惯性导航方程推算出的位置、速度组成扩展卡尔曼滤波中的量测观测值，这里采用的是闭环校正的方式，即得到的状态量进行实时更新校正，以提高下一个历元的惯性导航计算的精度；(4)若步骤(1)中GNSS卫星发生了失锁，则无法获得GNSS定位结果；或者是和GNSS采样历元不同步的IMU采样历元，系统都会转变成INS独立导航，受其导航原理的影响和惯性器材精度的影响，系统精度会逐渐降低；当重新获取GNSS定位结果时，系统重新恢复成GNSS-INS组合滤波器，当前历元的状态量重新获取补偿校正量，故可解算出新的高精度的位置、速度、姿态角信息。这里可直接不需证明的给出该历元的误差补偿量是由于整个“卫星失锁”期间INS独立导航的误差累积而成，即和整个“失锁”期间的各个历元都相关，故可以此为新的观测量，依次对“失锁”期间的各个历元重新进行误差补偿。没有严密的理论依据表明位置、速度、姿态角的误差因子一定相同，因而本专利技术采用独立参数的位置、速度、姿态误差补偿桥接方法。即使用独立的参数方程进行拟合，再以各惯性导航历元和失锁时的时间差为自变量算出相应惯性导航历元的位置、速度、姿态补偿量，得到精度更高的位置、速度、姿态角。作为本专利技术进一步的方案：其中前3个步骤采用的常规的分布式卡尔曼滤波器，首先以GNSS的双差观测值解算出高精度的位置、速度结果，然后和INS导航结果组建松散卡尔曼滤波，因系统的状态方程是非线性方程，故本专利技术中使用的是扩展的卡尔曼滤波器，即以各参数的误差作为状态量，滤波器直接得到各参数的误差，再反馈校正各个参数；以上两个滤波器的内容属于GNSS-INS组合中的常规内容。作为本专利技术进一步的方案：上述步骤(4)中涉及到的利用补偿量来桥接，即导航参数所对应的桥接拟合参数方程如下：在导航坐标系为地固系(e系)中INS的姿态误差方程为：ϵ·=-Ωieeϵ+Rbed---1)]]>其中，ε，d分别表示误差角和陀螺漂移；表示b系到e系的旋转矩阵；表示e系相对于i系的角速度所对应的反对称矩阵；GNSS在经过闭环的校正后，尤其是在高精度GNSS-INS组合中，误差角本身就是一种可观测状态，误差角ε、陀螺漂移d非常小，当在忽略第二项的情况下，那么认为ε和时间呈指数函数的关系：ϵ=Kse-Ωieet---2)]]>考虑到地球自转的角速度很小，上式在很短的时间内，可以被看成是个常数，这个模型显然和实际的不符；若忽略第一项，并认为在一个滤波的周期内载体的姿态角不会变化，那么误差角ε可以被看成是时间的线性函数：ε＝Kεt3)上述的模型更加符合实际，虽然把载体的姿态角看成不变，在实际载体运动中很难满足，但是由于姿态误差角属于小量，上述模型带来的误差并不大，而且有比较强的适用性；同时针对本专利技术提出的误差补偿单向桥接方法，实际的导航计算中，尤其是在GNSS本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种GNSS‑INS组合中的桥接方法，其特征在于，包括：第一，利用载波相位观测值求出厘米级的位置量；第二，若没有GNSS定位结果，则进行INS的独立导航推算；第三，若存在GNSS定位结果，则启动GNSS‑INS滤波器，把前两步中的位置量之差组成扩展卡尔曼滤波的量测值，计算出各状态量的补偿量，更新校正系统的状态量。

【技术特征摘要】
1.一种GNSS-INS组合中的桥接方法，其特征在于，包括：
第一，利用载波相位观测值求出厘米级的位置量；
第二，若没有GNSS定位结果，则进行INS的独立导航推算；
第三，若存在GNSS定位结果，则启动GNSS-INS滤波器，把前两步中的位置量之差组成扩
展卡尔曼滤波的量测值，计算出各状态量的补偿量，更新校正系统的状态量。
2.根据权利要求1所述的GNSS-INS组合中的桥接方法，其特征在于，具体步骤为：
(1)GNSS利用C/A码和双频载波相位数据，采用双频相关法搜索出正确的整周模糊度，
获取厘米级的位置量；
(2)把陀螺仪输出的角速度，结合已知的地球自转角速度，利用四元数更新方法，得到
由载体坐标系b系至导航坐标系e系的旋转矩阵和加速度计输出的加速度一起进行一
次积分得到速度二次积分得到位置(3)若步骤(1)中GNSS卫星未发生失锁，把所得位置、速度和步骤(2)中由惯性导航方程
推算出的位置、速度组成扩展卡尔曼滤波中的量测观测值，采用闭环校正的方式对得到的
状态量进行实时更新校正；
(4)若步骤(1)中GNSS卫星发生了失锁，当重新获取GNSS定位结果时，系统重...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙红星，丁学文，王晖，
申请(专利权)人：孙红星，
类型：发明
国别省市：湖北;42