一种GNSS多天线与INS紧组合定位定姿方法和设备技术

本发明专利技术公开了一种GNSS多天线与INS紧组合定位定姿方法和设备，方法包括：通过杠杆臂向量和旋转矩阵，构建以惯导中心处的位置向量和速度向量表示的双差载波和双差伪距率量测方程；顾及多天线GNSS观测值组成双差观测值时的相关性，利用误差传播定律构建GNSS多天线与INS紧组合系统观测值的协方差矩阵；根据双差载波和双差伪距率方程，及协方差矩阵，构建紧组合系统的基于变量改正数的量测方程；以位置、速度、姿态等误差作为系统的状态向量，采用一阶高斯马尔科夫过程建立系统状态方程，并进行卡尔曼滤波解算，得到惯导中心各时刻位置、速度、姿态的最优估计。本发明专利技术定位定姿的稳定性和精度高。性和精度高。性和精度高。

【技术实现步骤摘要】
一种GNSS多天线与INS紧组合定位定姿方法和设备


[0001]本专利技术属于导航定位
，具体涉及一种GNSS多天线与INS紧组合定位定姿方法和设备。

技术介绍

[0002]准确可靠的位置和姿态等信息在载体导航、制导和控制中发挥着关键作用，GNSS（Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统）和INS（Inertial Navigation System，惯性导航系统）是获取位姿信息的两大主流手段。GNSS系统能够在全球范围为用户提供高精度的定位导航服务，但是其在动态环境中容易受到干扰造成卫星信号的失锁，导致定位结果不可用。INS系统具有较强的自主性和抗干扰能力，但是其每一时刻的结果都由前一时刻递推而来，长时间工作时误差会随时间累积，导致导航结果不可靠。目前，常将这两个系统组合起来进行定位定姿，以提高导航系统的稳定性和可靠性。
[0003]现有的GNSS与INS定位定姿方法都存在其技术问题：公开号为CN103245963A的专利方案提供一种双天线GNSS/INS深组合导航方法及装置，其使用双天线GNSS差分解算的姿态对INS系统姿态进行约束。但是由双天线GNSS差分解算的基线组合对姿态进行约束属于松组合，未充分利用数据，抗干扰的能力差，而且首先需要固定基线向量的模糊度，如果模糊度不能固定或者错误固定，会将在误差带入计算的姿态中，影响最终的导航结果。
[0004]公开号为CN114252077A的专利方案提供一种基于联邦滤波器的双天线GPS/SINS的组合导航方法及系统，其采用联邦滤波器将两个GPS系统的观测分别与INS组合进行滤波，以提高系统的健壮性，但是该方案对GPS与INS的组合也是采用的松组合模式，抗干扰的能力和解算的精度都不及紧组合模式，同时，一旦某个子系统出现故障，其观测信息均会被删除，没有实现对多个天线的冗余观测的有效利用。
[0005]柴艳菊等人提供了一种多天线GNSS/INS组合导航算法及结果分析（柴艳菊,胡付帅,钟世明. 多天线GNSS/INS组合导航算法及结果分析[C],2021:146
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150.），采用选权自适应滤波实现多天线GNSS观测信息对INS误差快速校正，但是其对于GNSS和INS观测信息的组合仍然采用的是松组合的模式，在GNSS系统受到干扰时，该方法的导航精度会下降甚至不可用。
[0006]在GNSS与INS的组合定位定姿问题中，如何设计合理的函数模型、充分有效地利用多个天线的冗余观测信息是一个关键的问题。传统的解决方案是首先求解主天线和从天线之间的基线向量，利用基线向量与载体姿态之间的关系建立多GNSS天线与INS组合的量测方程，但这种方式通常属于松组合，并且严重依赖于整周模糊度的正确固定。

技术实现思路

[0007]针对上述GNSS与INS的组合定位定姿的问题，本专利技术提供一种GNSS多天线与INS紧组合定位定姿方法和设备，将多个天线的相位中心统一归算到惯导中心位置，构建了一种
待估坐标参数少、模型几何强度大的观测模型，从而实现多GNSS天线与INS的紧组合。
[0008]为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种GNSS多天线与INS紧组合定位定姿方法，包括：步骤1，通过杠杆臂向量和旋转矩阵，将多个GNSS天线的坐标参数归化到惯导中心坐标参数，构建以惯导中心处的位置向量和速度向量表示的双差载波和双差伪距率量测方程；步骤2，顾及多天线GNSS观测值组成双差观测值时的相关性，利用误差传播定律构建GNSS多天线与INS紧组合系统观测值的协方差矩阵；步骤3，根据步骤1得到的双差载波和双差伪距率量测方程，以及步骤2得到的多天线观测协方差矩阵，构建得到GNSS多天线与INS紧组合系统的基于变量改正数的量测方程；步骤4，以惯导中心处的位置、速度、姿态、传感器零偏及比例因子的误差作为系统的状态向量，采用一阶高斯马尔科夫过程建立系统状态方程；步骤5，根据上述量测方程和系统状态方程进行卡尔曼滤波解算，得到惯导中心在每个时刻的位置、速度、姿态的最优估计。
[0009]进一步地，将GNSS天线的坐标参数归化到惯导中心坐标参数的方法为：其中，、分别表示天线的位置向量和速度向量，、v分别表示惯导中心的位置向量和速度向量；是方向余弦矩阵，即旋转矩阵；是天线的杠杆臂向量；是IMU输出的三维角速度的反对称矩阵，即，为反对称阵算子；是地球自转角速度的反对称矩阵。
[0010]进一步地，构建以惯导中心处的位置向量和速度向量表示的双差载波和双差伪距率方程，表示为：其中，为天线处星间单差视线向量矩阵，它是一个维的矩阵，为观测卫星总数减去所采用的卫星系统数；为中间量，为由相应载波波长构成的非零对角阵，表示天线之间双差观测噪声；表示天线之间双差载波观测值，表示天线之间的双差伪距率观测值。
[0011]进一步地，步骤3得到的量测方程表示为：
其中，表示变量的改正数；表示GNSS天线组合系统的观测向量，包括GNSS系统观测得到的载波和伪距率，表示观测向量的改正数，由GNSS的载波和伪距率与惯导推算的载波和伪距率做差得到；表示状态向量的改正；表示观测向量改正数与状态向量改正数之间的联系矩阵；表示白噪声；表示观测值的协方差矩阵；状态向量为：其中，为载体三维位置向量，定为惯导参考中心；代表速度向量；代表姿态向量；代表加速度计零偏；代表陀螺零偏；代表加速度计比例因子；代表陀螺比例因子；代表双差模糊度向量。
[0012]进一步地，观测向量改正数和联系矩阵分别为：其中，表示主天线，表示个辅天线，表示个基准站；表示下标之间的双差载波观测值，表示下标之间的双差伪距率观测值；表示下标相关的双差向量改正数与状态向量改正数之间的联系矩阵，且有：其中，表示维的零矩阵，为由相应载波波长构成的非零对角阵，各中间变量的具体表达如下：。
[0013]进一步地，利用误差传播定律构建GNSS多天线与INS紧组合系统观测值的协方差矩阵R的方法为：
首先，将天线和卫星,之间的双差观测值表示为，将任意天线对任意卫星的原始观测值表示为，则由误差传播定律可得原始非差观测值与双差观测值之间的关系为：然后，根据上述关系式计算其中的转化矩阵为：其中，表示维的零矩阵，的具体表达为：最后，根据转化矩阵以及原始非差观测值的协方差矩阵，确定组合系统观测值的协方差矩阵为：。
[0014]进一步地，观测向量改正数的计算方法为：根据惯导中心更新的位置、速度和姿态信息以及卫星星历，推算双差载波观测值和双差伪距率观测值；将其与GNSS系统观测得到的载波和伪距率做差，作为量测方程中观测向量的改正数。
[0015]进一步地，根据对多天线GNSS系统观测值构建双差观测方程，通过解算双差观测方程得到组合系统的位置、速度和姿态信息，将其用于惯导中心的初始化。
[0016]进一步地，采用一阶高斯马尔科夫过程建立系统的状态方程为：
其中是状态向量在时刻的估值，上标“—”表示某变量还未被最新的观测所更新，一旦更新，相应的上标将本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种GNSS多天线与INS紧组合定位定姿方法，其特征在于，包括：步骤1，通过杠杆臂向量和旋转矩阵，将多个GNSS天线的坐标参数归化到惯导中心坐标参数，构建以惯导中心处的位置向量和速度向量表示的双差载波和双差伪距率量测方程；步骤2，顾及多天线GNSS观测值组成双差观测值时的相关性，利用误差传播定律构建GNSS多天线与INS紧组合系统观测值的协方差矩阵；步骤3，根据步骤1得到的双差载波和双差伪距率量测方程，以及步骤2得到的多天线观测协方差矩阵，构建得到GNSS多天线与INS紧组合系统的基于变量改正数的量测方程；步骤4，以惯导中心处的位置、速度、姿态、传感器零偏及比例因子的误差作为系统的状态向量，采用一阶高斯马尔科夫过程建立系统状态方程；步骤5，根据上述量测方程和系统状态方程进行卡尔曼滤波解算，得到惯导中心在每个时刻的位置、速度、姿态的最优估计。2.根据权利要求1所述的定位定姿方法，其特征在于，将GNSS天线的坐标参数归化到惯导中心坐标参数的方法为：其中，、分别表示天线的位置向量和速度向量，、分别表示惯导中心的位置向量和速度向量；是方向余弦矩阵，即旋转矩阵；是天线的杠杆臂向量；是IMU输出的三维角速度的反对称矩阵，即，为反对称阵算子；是地球自转角速度的反对称矩阵。3.根据权利要求2所述的定位定姿方法，其特征在于，构建以惯导中心处的位置向量和速度向量表示的双差载波和双差伪距率方程，表示为：其中，为天线处星间单差视线向量矩阵，它是一个维的矩阵，为观测卫星总数减去所采用的卫星系统数；为中间量，为由相应载波波长构成的非零对角阵，表示天线之间双差观测噪声；表示天线之间双差载波观测值，表示天线之间的双差伪距率观测值。4.根据权利要求1所述的定位定姿方法，其特征在于，步骤3得到的量测方程表示为：其中，表示变量的改正数；表示GNSS天线组合系统的观测向量，包括GNSS系统
观测得到的载波和伪距率，表示观测向量的改正数，由GNSS的载波和伪距率与惯导推算的载波和伪距率做差得到；表示状态向量的改正；表示观测向量改正数与状态向量改正数之间的联系矩阵；表示白噪声；表示观测值的协方差矩阵；状态向量为：其中，为载体三维位置向量，定为惯导参考中心；代表速度向量；代表姿态向量；代表加速度计零偏；代表陀螺零偏；代表加速度计比例因子；代表陀螺比例因子；代表双差模糊度向量。5.根据权利要求4所述的定位定姿方法，其特征在于，观测向量改正数和联系矩阵分别为：其中，表示主天线，表示个辅天线，表示个基准站；表示下标之间的双差载波观测值，表示下标之间的双差伪距率观测值；表示下标相关的双差向量改正数与状态向量改正数之间的联系矩阵，且有：其...

【专利技术属性】
技术研发人员：余文坤，李鑫，戴吾蛟，潘林，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：