高度集成的ＧＰＳ、ＧＡＬＩＬＥＯ和惯性导航系统技术方案

这里描述的导航系统利用与惯性导航系统（ＩＮＳ）结合的ＧＰＳ和Ｇａｌｉｌｅｏ卫星信号，其中耦合天线（ＣＡＮ）向高度集成的ＧＮＳＳ－惯性（Ｈｉ－Ｇｉ）接收器提供ＧＮＳＳ数据和惯性测量单元（ＩＭＵ）数据。这种接收器利用ＧＮＳＳ未处理的相关器输出（ＣＯＵＴ）Ｉ和Ｑ数据及用户轨迹与惯性传感器数据之间的高保真关系，所有这些数据又在Ｋａｌｍａｎ滤波器（ＫＦ）内被结合。ＫＦ确定导航解，导航解还被用于向接收器解调信号处理级提供反馈，从而不需要专用结构，比如延迟锁相环（ＤＬＬ）和锁相环（ＰＬＬ），可以显著改进导航性能。所述改进使该系统可以提供高质量测量结果，并在常规技术不可用的环境中工作；例如，在由于障碍物而造成卫星信号中断期间，或者在动态特性很高的情况下，或者甚至在例如由于树冠而造成信号衰减的环境中工作。ＫＦ还利用允许系统在这种环境中工作的特殊Ｇａｌｉｅｏ信号特性、锁定检测器和耦合天线。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体上涉及导航系统，更具体地说，涉及使用与INS集成的GPS和Galileo 来提供增强导航，以及在低信号强度、高动态特性或者在其它GNSS或INS苛刻条件下导航 的能力的全球导航卫星系统。
技术介绍
GPS被分类为在1995年达到完全工作能力，并由美国国防部开发的GNSS(全球导 航卫星系统)。GPS目前广泛用作允许从太空、航空到海上的各种领域中的导航的系统。它 还广泛用在其它应用中，比如绘制地图、陆地测量、时间基准保持，并服务于不同的团体，比 如军队、商业和科学团体。 Galileo是计划在2012年工作的欧洲GNSS。它正在由欧盟和欧洲太空总署开发。 Galileo将引进与GPS特性不同的新信号，并且与GPS目前能够达到的精度相比，将提供更 高的精度。新信号将包括没有导航数据调制的导频音信号。 GPS和Galileo工作原理相同接收器利用它自己和可视卫星之间的距离测量结 果，确定其位置。这是通过测量在卫星发射和接收器接收之间经过的时间，还通过解调包含 卫星位置数据(也称为星历表)的接收信号来实现的。 一旦获得测量结果，并且导航消息 被解调，通过求解一组非线性方程，易于确定用户位置，在所述一组非线性方程中，未知数 的数目是三个坐标。由于接收器不具有完全准确的时钟，因此除用于确定三个坐标的三个 卫星之外，还需要一个额外的卫星测量结果。此外，由于卫星发射的信号受传播延迟，比如 归因于电离层的传播延迟的影响，因此接收器需要另外的算法来校正所进行的测量。 当GPS信号和Galileo信号到达接收器时，GPS信号和Galileo信号相当微弱。此 外，这样的信号易于被例如高大建筑物遮断，或者会被树冠衰减。这导致不能确定有效的导 航解算。此外，当卫星和用户之间的动态特性较高，并且如果不利用外部帮助，那么额外的 误差会扭曲导航解算，通常称为动态应力误差。 INS由与通过测量对惯性参考系中的系统施加的线加速度和角加速度，提供平台 的位置、速度和姿态的一组算法结合的IMU(惯性测量单元)组成。INS广泛用在导航系统 中，比如飞机中的导航系统中，因为它不受干扰影响，并提供一种可靠且独立的导航手段。 INS需要定期校准和维护，该周期一般取决于传感器的质量和成本。在一些情况下，如果利 用低成本的传感器，那么为了避免过度的漂移，需要每秒进行校准。 为了克服如上所述的那些各种INS和GNSS问题， 一种广泛使用的技术是结合INS 和GNSS，其中每种系统彼此互补。在现有的系统中，另一种技术是增大GNSS信号的积分时 间，以致在积分期间，导航解算由INS提供。增大GNSS信号的积分时间是在GNSS信号跟踪 中采用的允许检测较弱信号的一种常见技术，不过由于动态特性的缘故，会导致灵敏度降 低，除非能够从例如INS获得外部帮助。长时间积分的另一种限制在于其持续时间局限于 GNSS信号的导航数据时段。就Galileo导频音信号来说，由于没有导航数据被调制，因此这 将不是问题，不过由于动态特性的缘故，仍然需要注意不要放松所要求的灵敏度。 通过使用从非耦合、松散耦合、紧密耦合到超紧密耦合的不同程度的结合，可以使 用不同的技术来结合GNSS和INS。最近的使用GNSS和INS技术之间的超紧密耦合的努力 依赖于用KF(Kalman滤波器)代替传统的跟踪结构。这种技术允许消除由DLL(延迟锁相 环)和PLL(锁相环)内的滤波器强加的带宽限制。此外，它允许多卫星跟踪，因为由于现 在导航和跟踪是一起进行的， 一个信号帮助另一个信号，因此多卫星跟踪允许更鲁棒的卫 星跟踪。在超紧密耦合方案中，组合的GNSS-INS系统提供必需的反馈以帮助代码和载波相 位跟踪。对这些分量的跟踪在于在永久反馈和校正机构中，使输入信号的代码和载波相位 与本地生成的信号的代码和载波相位对准，需要使用提供误差估计量的代码和载波鉴相器 (phase discriminator)。 原则上，如果接收器时钟或惯性帮助质量(inertial aiding quality)不好，则 DLL和PLL的带宽限制会影响导航解算的质量，在相关器输出COUT的实部分量和虚部分量 (也称为I分量和Q分量)中导致额外的误差。 一种现有技术是在紧密耦合的体系结构中， 或者使用超紧密耦合的体系结构对KF中的时钟及刚刚提及的I和Q误差进行建模，如在国 际公布号为WO 2005/124278A1的专利中例证的那样。在这种方法中，使用I和Q数据，滤波 器带宽不再是系统设计参数，而是在KF的每个更新期，固有地由KF确定。不过，需要I和Q 数据的一系列非线性变换和假设。在公开号为US2006/0161329A1，公开号为US7151486B2 的美国专利中所述的现有系统中，I和Q数据被建模成具有指定振幅和白高斯噪声的简单 余弦和正弦函数，和利用鉴相器的I和Q测量数据的变换，在采用上面提及的简化模型的情 况下，利用鉴相器的I和Q测量数据的变换又与KF状态关联。这种模型和变换结果形成近 似值，所述近似值会恶化导航解算，于是使得在苛刻的环境中，例如当信号强度较低时；当 动态特性较高时；当帮助的质量或时钟退化时，更难以跟踪GNSS。在专利US7151486B2和 US2006/0161329A1中，跟踪模块都把变换产生的残差提供给导航滤波器模块，于是，不在同 一的滤波器中进行I数据和Q数据与惯性传感器之间的结合。 现有系统中的另一种限制在于对低强度GPS信号的跟踪常常导致虚假的信号锁 定，恶化了导航解算。在紧密耦合体系结构中该问题较典型，因为很小的PLL和DLL带宽及 多卫星跟踪允许在噪声更严重情况下的操作。在超紧密耦合体系结构中存在相同的问题。 于是，在紧密和超紧密耦合体系结构中，需要特别关注以提供最佳的信号锁定检测。 在其它现有系统中，GNSS天线和惯性传感器与接收器相互物理分离，并且与接收 器分离，于是，当安装时，比如安装在飞机中时，由于结构中的振动和其它微小移动，需要额 外的处理工作以消除、平滑或估计这样的振动，这会影响紧密或超紧密耦合中的跟踪质量。
技术实现思路
在本说明中，GNSS-INS高度集成的接收器(Hi-Gi)接收器通过利用相关器输出I 数据和Q数据与用户位置和速度之间的高保真关系，可以解决上述缺点，这样，在位置和速 度精度，以及在困难的环境中，比如在低信号强度下、在高动态特性下、和在GNSS信号中断 期间的可用性方面实现增强导航。此外，对于载波相位跟踪不使用任何鉴相器，以致I数据 和Q数据连同惯性传感器数据一起是导航滤波器的直接可观测量，从而消除了额外的误差 源，并实现了惯性传感器和GNSS传感器之间的高度集成。为了帮助实现增强导航，采用最 佳的锁定检测器以及集成在同一壳体中的GNSS天线和惯性传感器。附图说明 下面借助附图，详细说明本专利技术，其中图1描述本专利技术的优选实施例的体系结构。 具体实施例方式导航系统100包括混合传感器，这里，所述混合传感器被称为耦合天线(CAN) 101 。 该传感器包含GNSS天线和惯性传感器MU， 一般为MEMS (微机电系统)，并提供GNSS射 频(RF)数据和惯性(加速度和/或角速度)数据。该数据被馈送给接收器RF前端 (RF-FE) 102，还本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于增强低信号强度、高动态特性或其它ＧＮＳＳ或ＩＮＳ苛刻环境中的导航的高度集成的ＧＰＳ、Ｇａｌｉｌｅｏ和惯性导航系统，包括：提供来自ＧＮＳＳ天线的数据和来自惯性测量单元（ＩＭＵ）的数据的耦合天线（１０１），其中来自ＧＮＳＳ天线的数据被提供给射频前端（ＲＦ－ＦＥ），来自惯性测量单元的数据被提供给导航仪，其中ＧＮＳＳ天线能够从ＧＰＳ和Ｇａｌｉｌｅｏ卫星接收数据，并与ＩＭＵ集成在同一外壳中；进行卫星传送的信号的采集和预处理的ＲＦ－ＦＥ１０２，之后，所述信号被传给相位旋转模块（１０３）；具有通过提供初始载波相位和代码，允许开始跟踪ＧＰＳ和Ｇａｌｉｌｅｏ信号的代码采集算法的模块（１０４）；具有允许跟踪输入信号的载波相位和频率的相位旋转功能的模块（１０３）；允许生成本地代码副本，从而允许跟踪输入信号代码相位的本地代码生成器（１０５），输入信号代码相位受不同的固定延迟影响，从而生成Ｖｅｒｙ－Ｅａｒｌｙ、Ｅａｒｌｙ、Ｐｒｏｍｐｔ、Ｌａｔｅ和Ｖｅｒｙ－Ｌａｔｅ副本；生成将允许使本地代码与输入代码相互关联的信号的乘法器（１０６）；一组允许实现相互关联的积分清除函数（１０７）；利用不同的本地代码副本提供导航数据比特，并进行这种数据的去除的数据解调器（１１０）；检测ＧＮＳＳ信号中断，并把ＧＮＳＳ信号中断事件通知给导航仪（１０９）的锁定检测器功能（１０８）；当能够获得ＧＮＳＳ数据时，利用ＧＮＳＳ数据和惯性传感器数据来提供必需的校正，以跟踪输入的ＧＮＳＳ信号，或者在ＧＮＳＳ信号中断期间，保持对准的内部本地代码副本，确定导航解的导航仪（１０９）；如果外部系统可用的话，从外部系统接收导航数据的接口；如果导航基准站可用的话，从导航基准站接收数据的接口。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：PDF达席尔瓦，JS席尔瓦，A卡拉明戈，A弗尔纳德兹奥尔蒂斯瑞普松，J德兹瑟卡达斯，I库洛米纳，
申请(专利权)人：战神工程股份有限公司，地理空间学院，
类型：发明
国别省市：PT[葡萄牙]