一种惯性辅助卫星导航系统的接收机技术方案

本实用新型专利技术所揭示一种惯性导航系统辅助卫星导航系统的接收机，该接收机属于卫星定位和导航领域，本接收机的作用是对ＧＰＳ接收模块的载波跟踪环进行ＩＮＳ辅助。本接收机包括带辅助输入接口的ＧＰＳ模块、带同步时钟输入接口的ＩＮＳ模块以及数据融合模块，其特征为带有同步时钟输入接口和角速率以及比力信息输出接口的ＩＮＳ模块的同步时钟输入端与ＧＰＳ模块的同步时钟信号输出端相连，速率以及比力信息输出端与数据融合模块的数据输入端相连，数据融合模块的数据输出端与ＧＰＳ模块载波跟踪环的输入端相连。本接收机与传统的ＧＰＳ／ＩＮＳ接收机相比，能够明显提高接收机的动态性能和抗干扰能力。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

一种惯性辅助卫星导航系统的接收机
本技术涉及一种用于定位和导航领域的惯性辅助卫星导航系统的接收机，它 特别涉及于高动态环境下惯性导航系统(以下用INS表示)辅助卫星导航系统的定位与导 航。
技术介绍
全球定位导航系统(以下用GPS表示)是目前运用最广泛的卫星导航系统，该系 统能够为用户提供高精度、全天候、全球性地导航与定位。但是，GPS导航系统属于无线电 导航系统，其信号很容易受到周围环境的干扰，特别是当接收机处于城市、森林、隧道等低 信噪比环境下，GPS接收机在短时间内难以为用户提供高精度的导航与定位。另外，当载体 处于高动态环境下，GPS接收机的载波跟踪环容易失锁，其动态性能会随着接收机的高速运 动而变差，有时甚至完全无法完成有效导航与定位。INS是一种利用惯性元件、基准方向及最初位置信息来确定载体速度、位置和姿态 的自主导航系统。INS具有数据更新速率快，短时间范围内定位精度高，系统不易受外界干 扰等特点。但是，INS存在误差积累现象，其定位精度会随着时间推移而变差，其误差累积 需要由外部观测信息进行不间断修正。INS辅助GPS的组合导航系统能够弥补INS和GPS系统各自的不足，首先，INS系 统能够对GPS接收机的载波跟踪环进行辅助，能够提高GPS接收机的动态性能和增强其抗 干扰能力，另一方面，当GPS接收机处于城市、森林、隧道等低信噪比环境下而无法完成定 位时，INS系统能够利用其短时间内定位精度高的特点为用户提供高精度的连续定位，增强 系统的可靠性和连续性。其次，GPS系统能够对INS系统的误差积累进行修正，能够提高 INS的精度。INS辅助GPS应用技术的丰富内涵与巨大的实用价值已经吸引了许多围家的 军事部门、科研机构及其相关单位的关注，已经成为全世界的一个研究热点。目前对INS辅 助GPS应用技术的研究主要集中在INS与GPS数据融合以及INS辅助GPS载波跟踪环等方INS辅助GPS的高动态导航与定位是未来组合导航技术发展的一个主要方向，国 内外许多研究机构也一直在积极从事这方面的研究，一些公司也已经相继推出了它的接收 机产品。但是，总的来说目前满足高动态环境下的组合导航技术还不是很成熟，现在已有的 INS辅助GPS组合导航技术主要集中在对GPS和INS的误差修正方面，对GPS载波跟踪环辅 助方面的研究几乎没有，其产品的高动态性能和抗干扰能力都不是很理想。
技术实现思路
本技术的目的是提供一种具有高动态、高精度以及具有较强抗干扰能力的惯 性辅助卫星导航系统的接收机。本技术所述的惯性辅助卫星导航系统的接收机由带辅助输入接口的GPS接 收机模块1、具有同步时钟输入接口的INS模块2及数据融合模块3三个部分构成，如附图31所示。参阅图1 :INS模块中的数据采集板首先对惯性元件陀螺和加速度计的数据进行采 集，在采集过程中为了保持和GPS数据同步，其数据采样时钟利用GPS接收机输出的IPPS 脉冲，该时钟用于控制INS的采样时序，使INS数据的更新速率始终和GPS接收机保持同 步。采样后的角速率和比力数据被送入INS计算模块，该模块主要完成导航坐标系的转换 以及解算载体在INS系统下的位置、速度。当INS模块位置、速度等定位值确定后，结合GPS 接收机提供的星历数据可得到INS系统相对于GPS卫星的伪距、伪距率。对于GPS接收模块 1而言，卫星信号进入天线，经过GPS射频模块，输入信号被放大，频率转换为期望的输出频 率；A/D转化器将GPS信号数字化并送入12通道的相关器，该相关器能够同时完成对12颗 卫星信号的处理，每一颗可视卫星都有与之对应的数字化相关通道，其相关器模块主要完 成接收信号和本地重现信号的相关处理以得到载体在GPS系统下的伪距、伪距率等。INS模 块和GPS模块计算得到的载体伪距和伪距率被同时送入数据融合模块3，采用自适应卡尔 曼滤波算法分别对伪距、伪距率进行融合，融合后得到的高精度伪距、伪距率值分别对GPS 模块和INS模块的误差量进行修正并通过位置计算模块得到载体高精度的位置、速度和加 速度值。频率转化模块将载体的速度以及加速度量转化为GPS接收机载波跟踪环所需要的 载波多普勒频率和频率变化率，该多普勒频率和频率变化率对GPS接收机载波跟踪环进行 辅助以提高组合导航系统的动态性能，数据融合模块内的自适应卡尔曼滤波算法以及GPS 接收机载波跟踪环辅助算法是该组合导航系统的核心。本技术组合导航系统接收机其主要特征是采用超紧密耦合技术，它的主要功 能是完成伪距、伪距率融合、GPS和INS模块误差修正以及GPS模块载波跟踪环辅助，其目 的是实现高动态环境下的无缝导航。程序算法工作流程如下伪距和伪距率融合伪距和伪距率融合的目的是对INS模块和GPS模块的误差量进行估计，其误差量 包括INS模块的平台误差角、速度误差、位置误差、惯性仪表误差以及GPS模块的时钟漂移 误差。参阅图2 本技术采用自适应卡尔曼滤波算法对INS模块的伪距、伪距率以及 GPS模块的伪距、伪距率进行融合，其状态变量为18维，该滤波器的状态变量包含了 INS模 块和GPS模块的所有误差向量。状态变量的模型设置如下惯性仪表误差包括陀螺漂移误 差和加速度计误差，GPS模块的时钟漂移误差包括时钟误差引起的距离误差和时钟频率误 差引起的速度误差，在该技术中均采用一阶马尔柯夫过程加以描述。对于量测方程而 言，用GPS模块给出的星历数据与INS模块给出的位置、速度计算得到INS模块相对于GPS 卫星的伪距和伪距率，并与GPS模块给出的伪距和伪距率相比较作为自适应滤波器的输入 观测值，对状态方程和观测方程进行线性化和离散化，输入初始参数驱动滤波器，通过组合 自适应滤波器估计该组合导航系统的误差量，然后对两个子系统进行校正。 GPS和INS模块误差修正采用反馈校正的方式对GPS和INS模块的误差进行补偿，削弱INS模块的误差累 积效应以及时钟漂移所产生的GPS模块位置和速度误差，提高组合导航系统的导航精度。 在误差修正的过程中，考虑了当GPS卫星被遮挡，可见星数目少于4颗时GPS模块无法完成 定位的情况，此时利用INS的导航数据对GPS信号进行补偿，在最极端情况下甚至可以在短 时间内单独利用INS模块进行导航与定位，提高了组合导航系统的可靠性和连续性。GPS模块载波跟踪环辅助GPS模块载波跟踪环辅助技术是该技术的核心，GPS模块载波跟踪环对外部 干扰极为敏感，当接收机处于大范围机动时，GPS接收机容易失锁，造成GPS模块不能实施 导航与定位。在INS模块的伪距、伪距率辅助下，GPS模块载波跟踪环的环路噪声带宽变窄， 其动态性能和抗干扰能力将大大提高，本技术的抗干扰能力在现有接收机的基础之上 能够提高12dB，其载波跟踪环路模型原理框图如附图3所示。参阅图3 :INS模块对GPS卫 星信号频率进行估计，得到GPS模块载波跟踪环所需要的辅助频率，在INS辅助状态下，整 个环路对频率误差进行跟踪，这些误差包括卫星信号多普勒估计误差、时钟频率估计偏差 以及由载体动态变化引起的时钟频率抖动。在该组合导航系统中，信号跟踪误差与信号能量、环路带宽以及频率估计误差相 关。为了提高接收机的自适应本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种惯性辅助卫星导航系统的接收机，包括ＧＰＳ模块（１）、ＩＮＳ模块（２）以及数据融合模块（３），其特征在于：带有同步时钟输入接口和角速率以及比力信息输出接口的ＩＮＳ模块的同步时钟输入端与ＧＰＳ模块的同步时钟信号输出端相连，速率以及比力信息输出端与数据融合模块的数据输入端相连，数据融合模块的数据输出端与ＧＰＳ模块载波跟踪环的输入端相连。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张继宏，
申请(专利权)人：重庆星熠导航设备有限公司，
类型：实用新型
国别省市：85[]