基于维数约简的GNSS/SINS深组合导航系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于维数约简的GNSS/SINS深组合导航系统，包括GNSS信息采集输入端1、N个通道2、N个维数约简模块3、组合导航滤波器4和SINS惯性导航系统5；N个通道2对应N个维数约简模块3，通道2包括相关器121和码/载波NCO122。本发明专利技术利用维数约简、高动态场景降噪、信息融合预测、滤波更新周期选取等关键导航技术，引入机器学习方法对系统信号处理算法进行优化与扩展，提升深组合导航技术在新型应用场景下的现代化定位、导航及授时的服务水平。

【技术实现步骤摘要】
基于维数约简的GNSS/SINS深组合导航系统
本专利技术涉及导航领域的GNSS/SINS深组合导航系统，具体是一种基于维数约简的GNSS/SINS深组合导航系统。
技术介绍
全球导航卫星系统(GlobalNavigationSatelliteSystem,GNSS)和惯性系统(INS/SINS)的组合是最常见的组合导航方式之一。因为GNSS和SINS都有着自身的优缺点，而这些优缺点具有优势互补的特点。比如，SINS具有不依赖外界信息，完全独立自主地提供多种较高精度的导航参数(位置、速度、姿态)的优点，具有抗电子福射干扰、大机动飞行、隐蔽性好的特点，然而它的导航参数误差随时间积累，不适合长时间的独立导航。GNSS作为能全球、全天候实时导航的系统，定位和测速精度都较高，且误差与时间无关，但是卫星信号受到屏蔽和遮挡，或者是载体在作高动态运动时，GNSS接收机不易捕获和跟踪卫星信号，接收机就无法定位，另外，GNSS接收机的信号输出频率有时也不能满足对导航信号更新频率的要求，因此，在对可靠性要求较高的场合GNSS导航也受到限制。GNSS/SINS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。GNSS/SINS导航系统能够自主运行，不依赖外部信息，也不向外部发射信息，但导航精度随时间降低。GNSS/SINS组合导航系统充分利用了SINS短期精度高、抗干扰能力强和GNSS长期精度高的优点，取长补短，获得比单独使用任何一种导航设备都优良的性能。GNSS/SINS组合导航按照组合结构的不同可分为松组合、紧组合、超紧组合和深组合四种模式。松组合和紧组合分别将GNSS子系统输出的位置、速度信息和伪距、伪距率信息同SINS子系统的输出进行信息融合，利用卡尔曼最优估计算法产生各导航参数的误差修正量，周期性地校正SINS，达到提高SINS精度的目的。超紧组合是在紧组合的基础上使用惯性辅助技术，通过惯性信息估计载体多普勒频率，并利用估计结果反馈控制跟踪环路，卫星与惯导相互辅助，性能都得到了提升。深组合与超紧组合的不同之处在于超紧组合以传统的标量跟踪为基础而深组合以矢量跟踪为基础。深组合将GNSS跟踪信息作为观测量，通过卡尔曼滤波器将所有通道信息耦合在一起，相较于标量跟踪中各卫星通道的独立处理，矢量跟踪加强了卫星数据之间的融合，同时深组合中采用卡尔曼滤波器代替传统的环路滤波器，提高了跟踪精度。集中式的深组合导航滤波器需要估计的状态变量维数巨大，如IntegratedGuidanceSystem公司开发的IGS-2XX惯性/GPS深组合系统采用了49维的状态模型进行集中滤波，Draper实验室的方案中采用了一个42维的集中滤波器，这导致其计算负担过重。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于维数约简的GNSS/SINS深组合导航系统。利用维数约简、高动态场景降噪、信息融合预测、滤波更新周期选取等关键导航技术，引入机器学习方法对系统信号处理算法进行优化与扩展，提升深组合导航技术在新型应用场景下的现代化定位、导航及授时的服务水平。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于维数约简的GNSS/SINS深组合导航系统，包括GNSS信息采集输入端、N个通道、N个维数约简模块、组合导航滤波器和SINS惯性导航系统；N个通道对应N个维数约简模块，通道包括相关器和码/载波NCO；GNSS信息采集输入端将采集的信息通过通道中的相关器转变为基带I/Q信息，每个基带I/Q信息输入维数约简模块进行维数约简和特征变换，处理后的基带I/Q信息输入到组合导航滤波器中，同时星历和惯性导航系统的输出信息输入到组合导航滤波器，得到导航信息的码/载波跟踪误差估计；组合导航滤波器输出码/载波跟踪误差估计反馈给通道中的码/载波NCO控制器，每个码/载波NCO控制器将码/载波跟踪误差估计传输到对应通道中的相关器，相关器输出导航信息的基带I/Q信息，每个基带I/Q信息输入维数约简模块进行维数约简和特征变换，处理后的基带I/Q信息输入到组合导航滤波器中进行滤波，最后经由惯性导航系统输出。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：(1)本专利技术提出用维数约简的方法来改善集中式深组合导航滤波器的计算性能。在深组合导航信息滤波过程中进行数据维数约简，可以压缩数据以降低滤波器计算量和存储量，去除噪声的影响，从数据中提取特征以便进行分类，将数据投影到低维可视空间，以便于分析数据的分布及相关性。(2)本专利技术提高了GNSS接收机的动态特性和抗干扰性，提高其在资源受限环境下跟踪卫星的能力。同时改善SINS惯性传感器的校准、惯导系统的空中对准、惯导系统高度通道的稳定等水平，有效地提高惯导系统的性能和精度；形成一种以数据维数约简理论为基础的新型定位、导航和授时(PNT)应用服务体系，为用户提供任何时候、任何地方、全时段全空间的无缝服务。附图说明图1是按照本专利技术实现装置描述的一个基于维数约简的集中式相干深组合导航模式工作原理图。图2是基于维数约简的级联式相干深组合导航模式工作原理图。图3是基于维数约简的VDF结构非相干深组合导航模式工作原理图。图4是MHAL示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明。1、设计和搭建深组合导航快速融合系统架构深组合中，所有通道的导航信息输入到同一个组合导航滤波器，反馈数字控制振荡器(NCO，numericallycontrolledoscillator)修正信息，对NCO形成控制，完成跟踪过程。按照I、Q支路信号是否被组合导航滤波器直接利用，GNSS/SINS深组合导航可以分为两大类：相干深组合和非相干深组合。相干深组合按照是否分级滤波又可分为集中式相干深组合与级联式相干深组合；非相干深组合按照应用矢量跟踪环的结构可分为VDF非相干深组合与VDCaP非相干深组合。本专利技术将系统分析维数约简方法应用于集中式相干深组合导航系统。深组合导航系统是直接融合GNSS接收机的基带I/Q信息与惯性信息，而集中式深组合导航系统是对GNSS/SINS深组合概念最为直观的描述。其工作方式是直接将相关器的输出作为组合导航滤波器的观测量，对组合导航滤波器修正后的导航参数进行变换反馈控制码/载波NCO。引入维数约简及特征变化的相干集中式深组合导航模式工作原理如图1所示。2、滤波时，利用维数约简降低GNSS/SINS深组合导航系统计算量深组合导航滤波器需要估计的状态变量维数巨大，本专利技术根据GNSS/SINS深组合信息融合的机理，为组合滤波器构建多维滑动窗口数据流相关性分析模型，然后提出一种基于低阶近似的维数约简方法，降低系统计算量。1)GNSS/SINS系统的状态方程SINS的误差状态方程:式中:变量依次表示三个方向上的位置误差、速度误差、平台失准角、陀螺随机漂移、陀螺一阶马尔科夫过程和加速度计零偏。GNSS的误差状态通常取两个与时间有关的量：一个是时钟误差引起的等效距离率误差δtu，另一个是时钟误差频率引起的等效距离率误差δtru。GNSS的误差状态方程:式中：XG(t):＝[δtuδtru]T，WG(t)＝[wtuwtru]T，合并SINS和GNSS的误差状态方程，得到系统的状态方程：即：2)深组合导航伪距差量测方程及系统量测方程选取SINS和GNSS的伪本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于维数约简的GNSS/SINS深组合导航系统，其特征在于：包括GNSS信息采集输入端1、N个通道2、N个维数约简模块3、组合导航滤波器4和SINS惯性导航系统5；N个通道2对应N个维数约简模块3，通道2包括相关器121和码/载波NCO122；GNSS信息采集输入端1将采集的信息通过通道2中的相关器转变为基带I/Q信息，每个基带I/Q信息输入维数约简模块3进行维数约简和特征变换，处理后的基带I/Q信息输入到组合导航滤波器4中，同时星历和惯性导航系统的输出信息输入到组合导航滤波器4，得到导航信息的码/载波跟踪误差估计；组合导航滤波器4输出码/载波跟踪误差估计反馈给通道中的码/载波NCO控制器，每个码/载波NCO控制器将码/载波跟踪误差估计传输到对应通道中的相关器，相关器输出导航信息的基带I/Q信息，每个基带I/Q信息输入维数约简模块3进行维数约简和特征变换，处理后的基带I/Q信息输入到组合导航滤波器4中进行滤波，最后经由惯性导航系统5输出。

【技术特征摘要】
1.一种基于维数约简的GNSS/SINS深组合导航系统，其特征在于：包括GNSS信息采集输入端1、N个通道2、N个维数约简模块3、组合导航滤波器4和SINS惯性导航系统5；N个通道2对应N个维数约简模块3，通道2包括相关器121和码/载波NCO122；GNSS信息采集输入端1将采集的信息通过通道2中的相关器转变为基带I/Q信息，每个基带I/Q信息输入维数约简模块3进行维数约简和特征变换，处理后的基带I/Q信息输入到组合导航滤波器4中，同时星历和惯性导航系统的输出信息输入到组合导航滤波器4，得到导航信息的码/载波跟踪误差估计；组合导航滤波器4输出码/载波跟踪误差估计反馈给通道中的码/载波NCO控制器，每个码/载波NCO控制器将码/载波跟踪误差估计传输到对应通道中的相关器，相关器输出导航信息的基带I/Q信息，每个基带I/Q信息输入维数约简模块3进行维数约简和特征变换，处理后的基带I/Q信息输入到组合导航滤波器4中进行滤波，最后经由惯性导航系统5输出。2.根据权利要求1所述的基于维数约简的GNSS/SINS深组合导航系统，其特征在于：所述GNSS信息采集输入端1包括下变频111和A/D采样112，下变频111负责采集卫星信号，A/D采样112负责将接收到的模拟信号转换成计算机可以处理的数字信号。3.根据权利要求1中所述的基于维数约简的GNSS/SINS深组合导航系统，其特征在于：所述基带I/Q信息输入维数约简模块3进行维数约简的方法具体步骤为：根据GNSS...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁欢欢，王永利，曹娜，冯霞，赵宁，赵亮，孙华成，张万麒，赵成圆，杜仲舒，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32