CN102621569A - 一种分布滤波式全球定位及捷联惯导组合导航方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于组合导航和卫星导航领域，具体涉及的是一种具有联合校正功能的组合式卫星导航定位方法。分布滤波式全球定位及捷联惯导组合导航方法，包括天线单元(1)，射频前端单元(2)，信号捕获单元(3)，信号跟踪单元(4)，位同步、帧同步单元(5)，惯性测量单元(6)，捷联解算单元(7)，观测量转换单元(8)，组合滤波单元(9)，以及校正触发单元(10)。本发明提高了全球定位子系统的抗动态和抗干扰能力，进而改善组合系统的定位精度，增强系统在复杂环境下的工作性能。

Description

一种分布滤波式全球定位及捷联惯导组合导航方法

技术领域

本发明属于组合导航和卫星导航领域，具体涉及的是一种具有联合校正功能的组合式卫星导航定位方法。 

背景技术

卫星导航系统（GPS）和惯性导航系统(SINS)具有互补的优势，因此GPS和SINS的组合导航被认为是实现连续、实时、精确定位的有效技术途径之一，二者的结合充分发挥了GPS定位精度不随时间改变，和SINS完全自主导航的优势。利用GPS的信息，通过最优估计可以周期性的补偿陀螺仪和加速度计的误差，克服了SINS中惯性测量器件的误差随时间漂移的致命缺点。与此同时，在GPS受到干扰的时间里，SINS可以提供相对准确的位置、速度信息，改善弱信号和高动态环境下的GPS的定位性能，并可帮助GPS快速恢复正常工作。同时，不同子系统观测同一信息源，使得测量值冗余，某种程度上也提高了导航系统的可靠性。 

组合GPS/SINS系统作为保障定位精度和系统可靠性的导航手段之一，充分利用了GPS和SINS子系统各自的优势。依据数据挖掘程度的深入情况，逐渐出现了松散组合、紧组合，以及超紧组合等架构。松散组合是将位置、速度和时间观测量作为系统组合的基准，通过组合滤波处理器将GPS和SINS的定位信息进行数据融合，计算出载体的导航系统位置、速度等信息的最佳或次佳估算值。紧组合系统中GPS接收机和SINS不再是以独立的导航系统实现，它们分别提供GPS接收机的伪距和伪距变化率信息，以及SINS中的加速度、角速度、位置、速度等信息；超紧组合则深入到GPS接收机基带处理部分的跟踪环路内部，利用GPS的I，Q信号和SINS的输出位置、速度进行组合。 

综合系统实现难易程度和组合性能考虑，紧组合是目前采用较多的方案之一，其利用GPS的伪距、伪距率和SINS的位置、速度之间的关系，建立二者之间的数据融合，因此如何利用已有的伪距、伪距率的信息融合框架上进行更深层次的信息挖掘和融合，提高GPS子系统的信号处理能力是组合导航领域和GPS接收机领域的研究重点。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用非线性滤波的GPS信号跟踪和组合数据融合的分布滤波导航方法。 

本发明的目的是这样实现的： 

分布滤波式全球定位及捷联惯导组合导航方法，包括天线单元（1），射频前端单元（2），信号捕获单元（3），信号跟踪单元（4），位同步、帧同步单元（5），惯性测量单元（6），捷联解算单元（7），观测量转换单元（8），组合滤波单元（9），以及校正触发单元（10），包括 如下步骤： 

（1）天线单元接收卫星信号，将信号发送至射频前端单元； 

（2）射频前端单元将信号通过功率放大、频率转换和模数转换变为中频数字信号并发送至信号捕获单元和信号跟踪单元； 

（3）信号捕获单元对卫星信号进行捕获、重捕获，根据输入的中频数字信号获得粗略的载波频率和码相位估计区间，对信号跟踪单元进行初始化； 

（4）信号跟踪单元由跟踪环路滤波通道组成，根据中频数字信号获得精确的载波频率和码相位的估计值并发送至位同步、帧同步单元； 

（5）位同步、帧同步单元根据信号跟踪单元发送的信息解调出导航电文，获得卫星的伪距和伪距率信息并发送给观测量转换单元和组合滤波单元； 

（6）捷联解算单元对惯性测量单元的输出信号进行转换，输出位置和速度信息并发送给信号跟踪单元及观测量转换单元； 

（7）观测量转换单元将捷联解算单元输出的位置和速度信息转化为卫星的伪距和伪距率信息并发送给组合滤波单元； 

（8）组合滤波单元对位同步、帧同步单元和观测量转换单元输出的信息进行数据融合，对捷联解算单元进行选择性反馈校正，对信号捕获单元的全球定位系统信号重捕获进行辅助校正。 

根据中频数字信号获得精确的载波频率和码相位的估计值的方法包括如下步骤： 

（1）将射频前端单元输出的中频数字信号和本地的同向、正交信号相乘，得到同向支路信号和正交支路信号； 

（2）将同向支路信号和正交支路信号与滞后码和超前码信号相乘，分别得到同向滞后信号，同向超前信号，正交滞后信号和正交超前信号； 

（3）将积分时间内的同向支路信号，正交支路信号，同向支路的超前和滞后信号的差值，以及正交支路的超前和滞后信号的差值作为信号跟踪单元中非线性滤波器的观测向量，同时选取信号参数作为状态向量，构建基于非线性滤波的信号跟踪环路。 

组合滤波单元根据系统状态进行选择性反馈校正，在组合信息融合的初期采取无反馈校正，组合结果趋于稳定时，反馈校正回路闭合。 

本发明的有益效果在于： 

本发明分别应用非线性滤波实现GPS的信号跟踪和组合数据融合，构建了基于分布滤波形式的组合结构，以及GPS和SINS子系统交互校正的工作方法，其中组合滤波单元输出的信息完成对SINS系统的选择性校正和GPS的信号重捕获，捷联解算单元输出信息实现对载体运 动多普勒频移的预测，并辅助GPS跟踪参数的精确估计，实现对SINS子系统误差随时间累积的抑制，提高GPS子系统的抗动态和抗干扰能力，进而改善组合系统的定位精度，增强系统在复杂环境下的工作性能。 

附图说明：

图1为分布滤波式全球定位及捷联惯导组合导航方法示意图； 

图2为卫星运动信息的获取过程； 

图3为SINS误差修正的选择性反馈流程； 

图4为信号跟踪单元信息传递与处理的具体方式。 

具体实施方式

结合附图说明本发明的具体实施方式。 

结合图1，本发明中的分布滤波式全球定位及捷联惯导组合导航方法，包括：天线单元（1），射频前端单元（2），信号捕获单元（3），信号跟踪单元（4），位同步、帧同步单元（5），惯性测量单元（6），捷联解算单元（7），观测量转换单元（8），组合滤波单元（9），以及校正触发单元（10）。其中，天线单元，射频前端单元，信号捕获单元，信号跟踪单元和位同步、帧同步单元构成了GPS子系统，惯性测量单元和捷联解算单元构成了SINS子系统，观测量转换单元和组合滤波单元实现组合系统的数据融合。信号跟踪单元和组合滤波单元构成了分布滤波形式的组合系统；捷联解算单元对信号跟踪单元的信息辅助，组合滤波单元对捷联解算单元的选择性校正，以及组合滤波单元对信号捕获单元的信号重捕获辅助，构成了交互信息辅助校正形式的组合系统。 

本发明的具体流程为：天线接收到的微弱的GPS信号，通过射频前端单元的功率放大、功率转换和模数转换，变为中频数字信号，之后经过信号捕获获得粗略的载波频率和码相位估计区间，转入信号跟踪单元，在信号跟踪单元中将射频前端输出的中频数字信号和本地的同向、正交信号相乘，得到同向支路信号和正交支路信号，将同向支路信号和正交支路信号与滞后延迟和超前码信号相乘，分别得到同向滞后信号，同向超前信号，正交滞后信号和正交超前信号后，利用非线性滤波完成GPS信号的参数估计。在信号跟踪单元中，不同通道建立的非线性信号参数估计的状态向量包括： 

（1）真实载波和本地复现载波的相位差x_φ； 

（2）载波相位漂移（即载波多普勒频率漂移）x_ω， 

（3）载波相位漂移变化率（即载波多普勒频率漂移变化率）x_a， 

（4）真实码相位和本地码相位的差x_t。 

在信号跟踪单元中，不同通道建立的非线性信号参数估计的观测向量包括：积分时间内的同向支路信号，正交支路信号，同向支路的超前和滞后信号的差值，以及正交支路的超前和滞后信号的差值。在经过位同步和帧同步后，即可获得不同卫星的伪距和伪距率信息。 

惯性测量单元的输出经过捷联解算后，获得位置、速度等信息，利用GPS输出的星历信息将其转化为伪距和伪距率形式，将GPS子系统和SINS子系统输出的伪距和伪距率信息送入组合滤波单元中，实现数据融合。 

组合滤波单元中的数据融合采用非线性滤波器，其状态向量包括： 

（1）东、北、天向的平台失准角 

（2）东、北、天向的速度误差δv_e，δv_n，δv_u； 

（3）经度，纬度和高度的位置误差δL，δλ，δh； 

（4）沿载体坐标系不同坐标轴的加速度计零偏ε_x，ε_y，ε_z； 

（5）沿载体坐标系不同坐标轴的陀螺漂移 

（6）GPS的时钟偏差误差和时钟漂移误差δt_u和δt_ru。 

组合滤波单元中的观测向量则选取了SINS子系统和GPS子系统的伪距之差和伪距率之差。 

本发明中组合滤波单元的输出将用于： 

（1）辅助可见视域内的卫星选择，对于失锁重捕获情况下，优先选择所处位置较优的卫星进行捕获；限制重捕获过程中载波和码信号多普勒频移的范围，需要通过导航解算输出的星历文件获取卫星的运动状态，计算流程如图2所示，首先读取星历文件，之后依次计算卫星运行的平均角速度，计算观测瞬间的卫星平近点角，计算归化时间、偏近点角、近点角、升交距角，计算偏近点角的变率、升交角距的变率，计算摄动改正项，以及经摄动改正的升聚角、卫星矢径和轨道倾角，计算经摄动改正的升交角距的变率、卫地距变率，计算卫星在轨道平面直角坐标系中的位置和速度，计算卫星在WGS-84坐标系中的位置和速度，至此获得卫星的运动状态。 

（2）选择性校正SINS子系统误差，包括组合导航的初期选择无反馈校正的模式，不对SINS子系统做任何修正，一般选取20s。在此之后，使用反馈校正，实时修正SINS子系统误差，如图3所示。 

本发明中捷联解算单元的输出信息实现对信号跟踪单元的信号跟踪辅助，利用其计算载体动态引起的多普勒值f_dyn，如公式（1）所示。 

$f_{\mathrm{dyn}}=\frac{1}{\mathrm{\λ}}(v_r-v_s)I_{\mathrm{los}}---\left(1\right)$

其中，λ为L1信号的波长，v_r为通过捷联解算单元输出的载体速度，v_s为卫星速度，I_los为卫星和接收机之间的视距方向矢量。 

同时，拟合本地时钟抖动引起的频率波动因子β，按照公式（2）计算本地时钟误差引起的多普勒值 

$f_{\mathrm{clc}}^r={\mathrm{\βf}}_L---\left(2\right)$

其中，f_L为载波频率。本发明中忽略卫星时钟的误差造成的频率偏移。 

用于辅助GPS跟踪环路的频率偏移量为： 

$f_{\mathrm{aid}}=f_{\mathrm{dyn}}+f_{\mathrm{clc}}^r---\left(3\right)$

本发明可在基于可编程的软件卫星导航接收机平台上开发和实现。 

Claims (3)

1.一种分布滤波式全球定位及捷联惯导组合导航方法，包括天线单元(1)，射频前端单元(2)，信号捕获单元(3)，信号跟踪单元(4)，位同步、帧同步单元(5)，惯性测量单元(6)，捷联解算单元(7)，观测量转换单元(8)，组合滤波单元(9)，以及校正触发单元(10)，其特征是，包括如下步骤：

(1)天线单元接收卫星信号，将信号发送至射频前端单元；

(2)射频前端单元将信号通过功率放大、频率转换和模数转换变为中频数字信号并发送至信号捕获单元和信号跟踪单元；

(3)信号捕获单元对卫星信号进行捕获、重捕获，根据输入的中频数字信号获得粗略的载波频率和码相位估计区间，对信号跟踪单元进行初始化；

(4)信号跟踪单元由跟踪环路滤波通道组成，根据中频数字信号获得精确的载波频率和码相位的估计值并发送至位同步、帧同步单元；

(5)位同步、帧同步单元根据信号跟踪单元发送的信息解调出导航电文，获得卫星的伪距和伪距率信息并发送给观测量转换单元和组合滤波单元；

(6)捷联解算单元对惯性测量单元的输出信号进行转换，输出位置和速度信息并发送给信号跟踪单元及观测量转换单元；

(7)观测量转换单元将捷联解算单元输出的位置和速度信息转化为卫星的伪距和伪距率信息并发送给组合滤波单元；

(8)组合滤波单元对位同步、帧同步单元和观测量转换单元输出的信息进行数据融合，对捷联解算单元进行选择性反馈校正，对信号捕获单元的全球定位系统信号重捕获进行辅助校正。

2.根据权利要求1所述的一种分布滤波式全球定位及捷联惯导组合导航方法，其特征是，所述根据中频数字信号获得精确的载波频率和码相位的估计值的方法包括如下步骤：

(1)将射频前端单元输出的中频数字信号和本地的同向、正交信号相乘，得到同向支路信号和正交支路信号；

(2)将同向支路信号和正交支路信号与滞后码和超前码信号相乘，分别得到同向滞后信号，同向超前信号，正交滞后信号和正交超前信号；

(3)将积分时间内的同向支路信号，正交支路信号，同向支路的超前和滞后信号的差值，以及正交支路的超前和滞后信号的差值作为信号跟踪单元中非线性滤波器的观测向量，同时选取信号参数作为状态向量，构建基于非线性滤波的信号跟踪环路。

3.根据权利要求1或2所述的一种分布滤波式全球定位及捷联惯导组合导航方法，其特征是，组合滤波单元根据系统状态进行选择性反馈校正，在组合信息融合的初期采取无反馈校正，组合结果趋于稳定时，反馈校正回路闭合。

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