CN104931994A - 一种基于软件接收机的分布式深组合导航方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于软件接收机的分布式深组合导航方法及系统。GNSS软件接收机使用多普勒频移估计计算出的多普勒频移，辅助接收机跟踪环路进行载波跟踪和码跟踪，并将输出的GNSS伪距和伪距率信息滤波后提供给组合导航模块；其中，载波跟踪环路根据所述多普勒频移和载波环滤波器输出的载波频率误差，调整载波NCO；码跟踪环路根据载波跟踪环路提供的频率和码环滤波器输出的码频率误差，调整码NCO，从而实现GNSS与SINS的双向辅助。本发明降低了载体动态对载波跟踪环路的影响，减小了高动态环境下GNSS接收机的跟踪误差，提高了高动态环境下GNSS接收机的动态跟踪性能，从而进一步提高了组合导航系统的导航定位精度。

Description

一种基于软件接收机的分布式深组合导航方法及系统

技术领域

本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种基于软件接收机的分布式深组合导航方法及系统。

背景技术

捷联惯性导航系统(Strap-down Inertial Navigation System,SINS)与全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)结合后组成的组合导航系统充分发挥了GNSS定位精度不随时间改变和SINS完全自主导航的优势，其总体性能要远远地优于各自独立的系统。SINS和GNSS的组合方式大概分为三种，其中深组合导航是目前最为先进的组合形式。根据国内外相关文献，SINS和GNSS的深组合导航实现形式主要有两种：Draper实验室提出的基于深组合滤波器的集中式深组合和斯坦福大学提出的基于紧组合滤波器的具备环路跟踪辅助功能的分布式深组合。

分布式深组合根据SINS和GNSS输入的伪距和伪距率信息估计出SINS误差，利用估计出的SINS误差对SINS进行反馈校正，并利用校正后的SINS信息辅助GNSS接收机跟踪环路，实现SINS与GNSS双向辅助。但在目前的分布式深组合中，即使对GNSS接收机跟踪环路进行了辅助，由于不能较精确地估计接收机时钟频率漂移，且无法完全消除高动态对跟踪环路的动态应力作用和载体机械振动、时钟漂移等造成的频率偏移，GNSS接收机的跟踪误差仍然较大，导致GNSS接收机的动态跟踪性能较差；同时，由于GNSS接收机噪声和多路径效应的影响，GNSS接收机输出的伪距和伪距率信息不够精确，而目前的分布式深组合都是直接对GNSS接收机输出的伪距和伪距率信息和SINS输出的伪距和伪距率信息进行信息融合，无法降低接收机噪声和多路径效应的影响，从而使得现有的分布式深组合导航系统在高动态环境下定位精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种基于软件接收机的分布式深组合导航方法及系统，降低了载体动态对载波跟踪环路的影响，减小了高动态环境下GNSS接收机的跟踪误差，提高了高动态环境下GNSS接收机的动态跟踪性能，从而进一步提高了组合导航系统的导航定位精度。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于软件接收机的分布式深组合导航方法，GNSS软件接收机使用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，辅助接收机跟踪环路进行载波跟踪和码跟踪，并将输出的当前时刻的GNSS伪距和伪距率信息滤波后提供给组合导航模块。

进一步，在所述方法中使用多普勒频移辅助接收机跟踪环路进行载波跟踪和码跟踪的方法为：载波跟踪环路根据所述多普勒频移和载波环滤波器输出的载波频率误差，调整载波NCO，从而实现载波跟踪；码跟踪环路根据载波跟踪环路提供的频率和码环滤波器输出的码频率误差，调整码NCO，从而实现码跟踪。

进一步，在所述方法中采用Hatch滤波算法对GNSS伪距和伪距率进行滤波。

本发明还提供一种基于软件接收机的分布式深组合导航系统，包括中频信号采集器、多普勒频移估计模块、SINS模块、GNSS软件接收机模块和组合导航模块；其中，所述GNSS软件接收机模块使用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，辅助接收机跟踪环路进行载波跟踪和码跟踪，实现双向辅助，并将输出的当前时刻的GNSS伪距和伪距率信息并进行滤波，剔除野值，使伪距和伪距率更加平滑，然后将滤波后的GNSS伪距和伪距率信息提供给组合导航模块。

进一步，在所述系统中，所述中频信号采集器用于采集卫星信号，将卫星信号转换为数字中频信号后提供给GNSS软件接收机模块；所述多普勒频移估计模块根据组合导航模块提供的载体在上一时刻的三维位置、速度和加速度辅助信息，预测获得当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息；然后根据GNSS软件接收机模块提供的卫星星历信息和所述预测获得的当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息，实时计算获得载体与卫星相对运动造成的多普勒频移及其变化率，并提供给GNSS软件接收机模块；所述SINS模块采集当前时刻载体的角速度和比力信息并进行SINS导航解算，获得当前时刻的SINS伪距、伪距率信息以及载体的位置、速度、加速度及姿态信息，并提供给组合导航模块；所述GNSS软件接收机模块使用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，辅助接收机跟踪环路进行载波跟踪和码跟踪，并将输出的当前时刻的GNSS伪距和伪距率信息并进行滤波，剔除野值，使伪距和伪距率更加平滑，将滤波后的GNSS伪距和伪距率信息提供给组合导航模块；同时，GNSS软件接收机通过数据解析解调出导航电文获得卫星星历，将卫星星历信息提供给多普勒频移估计模块；所述组合导航模块对SINS模块和GNSS软件接收机模块输入的伪距、伪距率信息进行信息融合，对SINS模块的系统误差进行反馈校正，即组合导航模块对SINS模块输入的上一时刻的载体位置、速度、加速度和姿态进行校正，将校正后的载体位置、速度和加速度信息作为辅助信息提供给多普勒频移估计模块，并将校正后的载体位置、速度和姿态信息作为组合导航信息输出。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于，(1)本发明中GNSS软件接收机模块利用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移消除GNSS接收机载波跟踪环路中的动态应力误差，并将多普勒频移估计模块计算的当前时刻的多普勒频移和载波跟踪环路输出的上一时刻的载波频移的差值作为接收机时钟频率漂移造成的频率偏移观测值，通过滤波估计出接收机时钟频率漂移造成的频率偏移，从而实现多普勒频移辅助GNSS软件接收机跟踪环路进行跟踪，有效降低了GNSS接收机载波跟踪环路的带宽，减小了GNSS软件接收机的跟踪误差，从而提高了GNSS接收机的动态跟踪性能；(2)本发明中GNSS软件接收机模块根据多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，通过积分得到一个导航周期内多普勒频移及其变化率的累加值，GNSS软件接收机模块再根据上述积分得到的累加值采用Hatch算法对GNSS伪距和伪距率进行滤波，有效抑制了噪声和多路径效应的影响，提高了伪距和伪距率的精度，从而提高了高动态环境下组合导航定位的精度。

附图说明

图1是本发明基于软件接收机的分布式深组合导航系统结构简图。

图2是本发明基于软件接收机的分布式深组合导航系统结构详图；

图3是本发明多普勒频移辅助接收机载波跟踪环路的数学模型。

图4是仿真实验中组合导航定位结果图。

图5是仿真实验中组合导航测速结果图。

图6是仿真实验中组合导航测姿结果图。

具体实施方式

本发明的分布式深组合导航系统，包括中频信号采集器、多普勒频移估计模块、SINS模块、GNSS软件接收机模块和组合导航模块。

一、中频信号采集器

中频信号采集器对接收到的卫星信号进行下变频和数字化处理，产生数字中频信号并保存为二进制文件，并提供给GNSS软件接收机模块使用。

二、多普勒频移估计模块

多普勒频移估计模块根据组合导航模块提供的载体在上一时刻的三维位置、速度和加速度辅助信息，预测获得当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息；然后根据GNSS软件接收机模块提供的卫星星历信息和所述预测获得的当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息，实时计算获得载体与卫星相对运动造成的多普勒频移及其变化率，并提供给GNSS软件接收机模块。其中，

所述预测当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息的方法如公式(1)所示，

$\begin{array}{c}{R}_u={\tilde{R}}_u+{\tilde{v}}_u\·T+0.5{\tilde{a}}_u\·T^2\\ v_u={\tilde{v}}_u+{\tilde{a}}_u\·T\\ a_u={\tilde{a}}_u\end{array}---\left(1\right)$

公式(1)中，分别为上一时刻载体的三维位置、速度和加速度信息，T为跟踪环路积分时间，R_u、ν_u、a_u分别为当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息；

所述计算获得载体与卫星相对运动造成的多普勒频移及其变化率的计算方法如公式(2)所示，

$\begin{array}{c}{\hat{f}}_d=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}(v_u-v_s)\·\frac{R_u-R_s}{R_{u\_s}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}(v_u-v_s)\·e\\ {\stackrel{\·}{\hat{f}}}_d=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}(a_u-a_s)\·\frac{R_u-R_s}{R_{u\_s}}=\frac{1}{{\mathrm{\λ}}_1}(a_u-a_s)\·e\end{array}---\left(2\right)$

公式(2)中，与分别为载体与卫星相对运动造成的多普勒频移及其变化率，λ₁为载波L1的波长，R_s、ν_s、a_s分别为地心地固直角坐标系(ECEF坐标系)下卫星三维位置、速度和加速度矢量，R_{u_s}为载体与卫星之间的视距，e为卫星在GNSS软件接收机处的单位观测矢量。

三、SINS模块

SINS模块包括惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)和SINS导航解算单元，IMU包括加速度计和陀螺仪，陀螺仪用于测量得到载体的当前时刻角速度信息，加速度计用于测量当前时刻载体的比力信息，SINS导航解算单元根据IMU输出的载体角速度和比力信息进行惯性导航解算，获得当前时刻载体的位置、速度、加速度及姿态信息；SINS模块根据GNSS软件接收机模块提供的卫星星历信息及SINS导航解算单元计算获得的当前时刻载体位置、速度信息计算得到SINS的伪距和伪距率信息，SINS模块将当前时刻的载体位置P、速度V、加速度A、姿态信息Attitude和SINS伪距ρ_I、伪距率发送给组合导航模块。

四、GNSS软件接收机模块

结合图2，GNSS软件接收机模块包括载波跟踪环路(简称载波环)和码跟踪环路(简称码环)，载波跟踪环路包括载波环鉴别器、载波环滤波器和载波数控振荡器(载波NCO)，码跟踪环路包括码环鉴别器、码环滤波器和码环数控振荡器(码NCO)。

GNSS软件接收机模块使用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移辅助接收机跟踪环路进行载波跟踪和码跟踪时，载波跟踪环路根据多普勒频移估计模块计算的当前时刻多普勒频移和载波环滤波器输出的载波频率误差，调整载波NCO，从而实现载波跟踪；码跟踪环路根据载波跟踪环路提供的频率和码环滤波器输出的码频率误差，调整码NCO，从而实现码跟踪；GNSS软件接收机模块的码跟踪环路和载波跟踪环路分别输出码相位和载波频率信息，将其转换为GNSS伪距和伪距率信息并进行滤波，将滤波后的GNSS伪距ρ_G和伪距率送给组合导航模块；同时，GNSS软件接收机模块通过数据解析解调出导航电文并输出卫星星历信息，将卫星星历信息送给多普勒频移估计模块。

所述多普勒频移辅助GNSS软件接收机的载波跟踪环路进行跟踪的原理如下：

GNSS软件接收机模块采用三阶锁相环进行载波跟踪，如图3所示，载波环即锁相环的环路输出相位如公式(3)所示；

${\mathrm{\φ}}_{\mathrm{PLL}}\left(s\right)=H_1\left(s\right){\mathrm{\φ}}_r\left(s\right)+H_2\left(s\right){\mathrm{\ω}}_{\mathrm{\φ}}\left(s\right)+H_3\left(s\right)\mathrm{\δ}{\hat{f}}_d\left(s\right)---\left(3\right)$

公式(3)中，

$H_1\left(s\right)=\frac{\mathrm{\α}/(s+\mathrm{\α})\·s+F\left(s\right)}{s+F\left(s\right)}$

$H_2\left(s\right)=\frac{F\left(s\right)}{s+F\left(s\right)}$

$H_3\left(s\right)=\frac{1}{s+F\left(s\right)}$

$F\left(s\right)=\frac{{\mathrm{\τ}}_3{s}^2+{\mathrm{\τ}}_{2}s+1}{{\mathrm{\τ}}_1{s}^2}$

式中，为锁相环的环路输出相位，为参考输入信号，为外部相位噪声，为锁相环环路鉴别器输出的相位误差，F(s)为锁相环环路滤波器的传递函数，表示多普勒频移估计偏差，τ₁、τ₂、τ₃为锁相环环路滤波器系数，α/(s+α)为IMU滤波器，α表示IMU滤波带宽；图3中表示估计多普勒频移；

当IMU滤波带宽α较大时，α/(s+α)趋近于1，从而H₁(s)趋近于1，GNSS软件接收机动态引起的相位误差可以由惯性信息来消除。

因多普勒频移估计模块计算的多普勒频移存在偏差，从而造成环路跟踪存在误差，多普勒频移估计偏差造成的环路跟踪误差如公式(4)所示；

$\mathrm{\δ}{f}_{\mathrm{PLL}}\left(s\right)=-H_2\left(s\right)\mathrm{\δ}{\hat{f}}_d\left(s\right)---\left(4\right)$

式中，δf_PLL(s)为多普勒频移估计偏差造成的环路跟踪误差，表示多普勒频移估计偏差。

所述GNSS软件接收机模块利用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，辅助接收机载波跟踪环路进行跟踪的具体方法为：

GNSS信号传输过程中产生的载波频移主要包括载体与卫星的相对运动造成的多普勒频移、接收机时钟频率漂移造成的频率偏移和卫星时钟频率漂移造成的频率偏移，如公式(5)所示；

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{carr}}={\hat{f}}_d+\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{rec}}-\mathrm{\Δ}{f}_s---\left(5\right)$

式中，Δf_carr为载波信号的载波频移，为多普勒频移估计模块计算的载体与卫星之间相对运动产生的多普勒频移，Δf_rec为接收机时钟频率漂移造成的频率偏移，Δf_s为卫星时钟频率漂移造成的频率偏移，一般Δf_s较小，可忽略不计。

忽略卫星时钟频率漂移造成的频率偏移Δf_s，GNSS软件接收机模块根据公式(6)计算得到本地复制的载波频率来调整载波NCO，实现载波跟踪。

$f_{\mathrm{carr}}=f_{\mathrm{IF}}+{\hat{f}}_d^{k+1}+\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{rec}}^{k+1}---\left(6\right)$

式中，f_IF为载波信号中心频率,为多普勒频移估计模块计算的多普勒频移，为下一时刻接收机频漂造成的频率偏移。

所述接收机时钟频率漂移造成的频率偏移的计算过程如下：

步骤1)，GNSS软件接收机模块将多普勒频移估计模块计算的当前时刻的多普勒频移和载波跟踪环路输出的上一时刻的载波频移的差值作为接收机时钟频率漂移造成的频率偏移观测值，采用α-β滤波算法估计接收机时钟频率漂移造成的频率偏移，如公式(7)所示；

$\left\{\begin{array}{c}\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{rec}}^k\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{rec}}^k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}1& T\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\hat{f}}_{\mathrm{rec}}^{k-1}\\ \mathrm{\Δ}{\widehat{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{rec}}^{k-1}\end{array}\right]\\ \left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\hat{f}}_{\mathrm{rec}}^k\\ \mathrm{\Δ}{\widehat{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{rec}}^k\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{rec}}^{k-1}\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{rec}}^{k-1}\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}\mathrm{\α}\\ \frac{\mathrm{\β}}{T}\end{array}\right]\left(\mathrm{\Δ}{\tilde{f}}_{\mathrm{rec}}^{k-1}-\left[\begin{array}{cc}1& 0\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{f}}_{\mathrm{rec}}^k\\ \mathrm{\Δ}{\stackrel{\‾}{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{rec}}^k\end{array}\right]\right)\end{array}\right.---\left(7\right)$

公式(7)中，为当前时刻的多普勒频移与上一时刻的载波频移的差值， 分别是上一时刻频率偏移滤波值和频率偏移变化率滤波值，分别是当前时刻频率偏移滤波值和频率偏移变化率滤波值，分别是当前时刻频率偏移先验估计值、频率偏移变化率先验估计值，T为环路积分时间，α、β是α-β滤波器参数且0≤α≤1、0≤β≤4-2α。

步骤2)，根据当前时刻频率偏移滤波值和频率偏移变化率滤波值预测得到下一时刻接收机频漂造成的频率偏移，如公式(8)所示；

$\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{rec}}^{k+1}=\mathrm{\Δ}{\hat{f}}_{\mathrm{rec}}^k+\mathrm{\Δ}{\widehat{\stackrel{\·}{f}}}_{\mathrm{rec}}^k\·T---\left(8\right)$

公式(8)中，为下一时刻接收机时钟频率漂移造成的频率偏移。

所述GNSS软件接收机模块采用载波环辅助二阶码环进行码跟踪，载波环辅助码环路进行跟踪的比例因子如公式(9)所示，

$K=\frac{f_{\mathrm{CA}}}{f_1}=\frac{0.1f_0}{154f_0}=\frac{1}{1540}---\left(9\right)$

公式(9)中，K为载波环辅助码环跟踪的比例因子，f_CA表示C/A码的码率，f₁表示载波L1的频率，f₀表示基准频率。

码NCO根据公式(10)相应地调整其输出频率，实现码环跟踪；

$f_{\mathrm{ca}}=f_{\mathrm{CA}}+\mathrm{\δ}{f}_C+({\hat{f}}_d^{k+1}+\mathrm{\Δ}{f}_{\mathrm{rec}}^{k+1})\·K---\left(10\right)$

公式(10)中，f_ca为码NCO输出频率，δf_C为码环滤波器的输出。

C/A码发生器在f_ca的驱动下输出码率和相位得到相应调整的复制C/A码。

所述对GNSS伪距和伪距率信息并进行滤波的方法为，采用Hatch滤波算法对GNSS伪距和伪距率进行滤波，使得伪距和伪距率更平滑。计算过程如下：

步骤1)，GNSS软件接收机模块根据多普勒频移估计模块输出的多普勒频移及其变化率，计算得到一个导航周期内多普勒频移及其变化率的累加值，如公式(11)所示；

$\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{\hat{f}}_d={\∫}_{t_0}^{t_k}{\hat{f}}_d\mathrm{dt}=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({\hat{f}}_d\left(m\right)T\right)\\ \mathrm{\Σ}{\stackrel{\·}{\hat{f}}}_d={\∫}_{t_0}^{t_k}{\stackrel{\·}{\hat{f}}}_d\mathrm{dt}=\underset{m=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\left({\stackrel{\·}{\hat{f}}}_d\left(m\right)T\right)\end{array}---\left(11\right)$

公式(11)中，与分别为一个导航周期内多普勒频移及其变化率的累加值，与为m时刻多普勒估计模块计算的多普勒频移及其变化率，T为跟踪环路积分时间，取T＝1ms，n为导航解算周期内跟踪环路更新次数，取n＝100。

步骤2)，根据一个导航周期内多普勒频移及其变化率的累加值，GNSS软件接收机模块采用Hatch滤波算法对GNSS伪距和伪距率进行平滑滤波，如公式(12)所示；

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ρ}}_{G,k+1}=\frac{1}{M}{\mathrm{\ρ}}_{k+1}+\frac{M-1}{M}[{\mathrm{\ρ}}_{G,k}+(-{\mathrm{\λ}}_1\·\mathrm{\Σ}{\hat{f}}_d)]\\ {\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}_{G,k+1}=\frac{1}{M}{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}_{k+1}+\frac{M-1}{M}[{\stackrel{\·}{\mathrm{\ρ}}}_{G,k}+(-{\mathrm{\λ}}_1\·\mathrm{\Σ}{\stackrel{\·}{\hat{f}}}_d)]\end{array}---\left(12\right)$

式中，ρ_G,k+1、为k+1时刻滤波后的伪距、伪距率，ρ_G,k、为k时刻滤波后的伪距、伪距率，ρ_k+1、为k+1时刻伪距、伪距率观测值，M为平滑时间常数，取M＝10，初值ρ_G,1＝ρ₁、

五、组合导航模块

组合导航模块对SINS模块和GNSS软件接收机模块输入的伪距、伪距率信息进行信息融合，对SINS模块的系统误差进行反馈校正，即组合导航模块对SINS模块输入的上一时刻的载体位置、速度、加速度和姿态进行校正，将校正后的载体位置、速度和加速度信息作为辅助信息提供给多普勒频移估计模块，并将校正后的载体位置、速度和姿态信息作为组合导航信息输出。具体计算过程为：

步骤1)，组合导航模块根据系统误差状态建立系统状态方程。分布式深组合中组合导航模块的滤波器模型与紧组合系统类似，系统误差状态包括SINS误差状态和GNSS误差状态，SINS误差状态包括东北天姿态角误差东北天速度误差(δv_e,δv_n,δv_u)^T、纬经高位置误差(δL,δλ,δh)^T、载体系下三轴陀螺常值漂移(ε_x,ε_y,ε_z)^T、载体系下三轴加速度计零偏GNSS误差状态包括时钟等效距离误差δt_u、钟频等效距离率误差δt_ru。组合导航模块根据SINS误差状态和GNSS误差状态建立系统状态方程，如公式(13)所示；

$\stackrel{\·}{X}\left(t\right)=F\left(t\right)X\left(t\right)+G\left(t\right)W\left(t\right)---\left(13\right)$

公式(13)中，为系统状态向量，W＝[ω_gx,ω_gy,ω_gz,ω_ax,ω_ay,ω_az,ω_tu,ω_tru]^T为系统噪声向量，F(t)为状态转移矩阵，G(t)为噪声驱动阵；

$F={\left[\begin{array}{cccc}{\left(F_{\mathrm{ins}}\right)}_{9\×9}& {\left(F_{\mathrm{sg}}\right)}_{9\×6}& 0_{9\×1}& 0_{9\×1}\\ 0_{6\×9}& {\left(F_{\mathrm{imu}}\right)}_{6\×9}& 0_{6\×1}& 0_{6\×1}\\ 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& -{\mathrm{\β}}_{\mathrm{tru}}\end{array}\right]}_{17\×17}$

$G={\left[\begin{array}{cccc}{C}_b^n& 0_{3\×3}& 0_{3\×1}& 0_{3\×1}\\ 0_{3\×3}& C_b^n& 0_{3\×1}& 0_{3\×1}\\ 0_{9\×3}& 0_{9\×3}& 0_{9\×1}& 0_{9\×1}\\ 0& 0& 1& 0\\ 0& 0& 0& 1\end{array}\right]}_{17\×8}$

其中，F_ins为惯导系统误差矩阵，F_sg为惯性器件误差转换矩阵，F_imu由惯性器件的噪声特性决定。

步骤2)，组合导航模块根据量测信息建立系统观测方程。组合导航模块建立系统观测方程步骤如下：

步骤2.1)，组合导航模块根据有效收星数确定观测方程中观测矢量的维数。当GNSS接收机有效收星数大于4颗时，通过选星算法获取最佳4颗导航星，当有效收星数小于4颗时，所有通道量测信息都用于构造观测方程，观测方程中观测矢量的维数n和收到的卫星数目N的关系如公式(14)所示；

$n=\left\{\begin{array}{cc}N& (0<N<4)\\ 4& (N\&GreaterEqual;4)\end{array}\right.---\left(14\right)$

步骤2.2)，组合导航模块根据SINS伪距、伪距率与GNSS的伪距和伪距率计算量测信息。组合导航模块将SINS模块输出的SINS伪距、伪距率与软件接收机模块输出的GNSS的伪距和伪距率作差，将差值作为量测信息，如公式(15)所示；

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\&delta;\&rho;}={\mathrm{\&rho;}}_{I,k+1}-{\mathrm{\&rho;}}_{G,k+1}\\ \mathrm{\&delta;}\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}={\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}}_{I,k+1}-{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}}_{G,k+1}\end{array}\right.---\left(15\right)$

式中，ρ_I,k+1、为k+1时刻SINS模块输出的SINS伪距和伪距率，ρ_G,k+1、为k+1时刻软件接收机模块输出的滤波后的GNSS伪距和伪距率信息；

步骤2.3)，组合导航模块根据量测信息建立系统观测方程。组合导航模块根据公式(15)得到的量测信息，建立系统观测方程，具体如公式(16)所示。

Z(t)＝H(t)X(t)+V(t)        (16)

式中，为系统观测向量，H(t)为系统观测矩阵， $V={[{\mathrm{\&upsi;}}_{{\mathrm{\&rho;}}_1},{\mathrm{\&upsi;}}_{{\mathrm{\&rho;}}_2},...,{{\mathrm{\&upsi;}}_{{\mathrm{\&rho;}}_n,}\mathrm{\&upsi;}}_{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}}_1},{\mathrm{\&upsi;}}_{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}}_2},...,{\mathrm{\&upsi;}}_{{\stackrel{\&CenterDot;}{\mathrm{\&rho;}}}_n}]}^T$ 为系统观测噪声矩阵；

$H={\left[\begin{array}{cccc}{0}_{n\&times;6}& H_{\mathrm{\&alpha;}1}& 0_{n\&times;6}& H_{\mathrm{\&alpha;}2}\\ 0_{n\&times;3}& H_{\mathrm{\&beta;}1}& 0_{n\&times;9}& H_{\mathrm{\&beta;}2}\end{array}\right]}_{2n\&times;17}$

$H_{\mathrm{\&alpha;}1}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&alpha;}}_{11}& ...& {\mathrm{\&alpha;}}_{13}\\ .& & .\\ .& & .\\ .& & .\\ {\mathrm{\&alpha;}}_{n1}& ...& {\mathrm{\&alpha;}}_{n3}\end{array}\right],H_{\mathrm{\&alpha;}2}=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ 1_{n1}& 0_{n2}\end{array}\right]$

$H_{\mathrm{\&beta;}1}=\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\&beta;}}_{11}& ...& {\mathrm{\&beta;}}_{13}\\ .& & .\\ .& & .\\ .& & .\\ {\mathrm{\&beta;}}_{n1}& ...& {\mathrm{\&beta;}}_{n3}\end{array}\right],H_{\mathrm{\&beta;}2}=\left[\begin{array}{cc}0& 1\\ .& .\\ .& .\\ .& .\\ 0_{n1}& 1_{n2}\end{array}\right]$

其中，

α_i1＝(R_N+h)[-e_i1sin L cosλ-e_i2sin L sinλ]+[R_N(1-f)²+h]e_i3 cos L

α_i2＝(R_N+h)[-e_i1cos L sinλ+e_i2cos L cosλ]

α_i3＝e_i1cos L cosλ+e_i2cos L sinλ+e_i3sin L

β_i1＝-e_i1sinλ+e_i2cosλ

β_i2＝-e_i1sin L cosλ-e_i2sin L sinλ+e_i3cos L

β_i3＝e_i1cos L cosλ+e_i2sin L sinλ+e_i3sin L

式中，i取值1到n，e_i1，e_i2，e_i3为载体和第i颗卫星之间的三轴方向余弦，λ为经度，L为纬度，h为高程，R_N为主曲率半径。

步骤3)，组合导航模块对SINS模块进行反馈校正，对SINS模块输入的载体位置、速度、加速度和姿态进行校正并作为组合导航输出，同时将校正后的载体位置、速度和加速度信息作为辅助信息输入多普勒频移估计模块。

现以下述仿真实验，进一步说明本发明技术方案具有较好的动态适应性和导航稳定性。

(1)实验初始条件及参数设置

模拟高动态弹道轨迹设置如下：起点：北纬38.7580°、东经105.6100°、高程1431.90m，终点：北纬38.9961°、东经105.6195°、高程20767.6203m，初始静止20s，然后从起点飞至终点，飞行时长为60s，模拟时间共80s，飞行过程中最大速度1000m/s，最大加速度20g，最大加加速度40g/s。

采用双通道GNSS中频信号采集器采集全球定位系统(Global Positioning System,GPS)信号，采样率为16.369MHz，中频为3.996MHz；GNSS软件接收机采用三阶锁相环进行载波跟踪，采用载波环辅助二阶码环进行码跟踪，环路积分时间为1ms，GNSS伪距、伪距率输出频率为10Hz；SINS输出频率为200Hz，IMU测量精度为：加速度计比例误差200ppm，加速度计白噪声1mg，加速度计零偏1mg，陀螺仪比例误差200ppm，陀螺仪白噪声3.0°/h，陀螺仪漂移2°/h；组合导航模块组合频率为10Hz。

(2)实验结果分析

图4、图5和图6为使用本发明技术方案在前述实验条件下获得的导航定位、速度以及姿态的结果图。从前述结果图可知，本发明在静态和高动态下都能稳定导航定位，提高了高动态环境下GNSS接收机的动态跟踪性能和组合导航系统导航定位能力。

Claims (5)

1.一种基于软件接收机的分布式深组合导航方法，其特征在于，GNSS软件接收机使用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，辅助接收机跟踪环路进行载波跟踪和码跟踪，并将输出的当前时刻的GNSS伪距和伪距率信息滤波后提供给组合导航模块。

2.如权利要求1所述基于软件接收机的分布式深组合导航方法，其特征在于，所述使用多普勒频移辅助接收机跟踪环路进行载波跟踪和码跟踪的方法为：

载波跟踪环路根据所述多普勒频移和载波环滤波器输出的载波频率误差，调整载波NCO，从而实现载波跟踪；码跟踪环路根据载波跟踪环路提供的频率和码环滤波器输出的码频率误差，调整码NCO，从而实现码跟踪。

3.如权利要求1所述基于软件接收机的分布式深组合导航方法，其特征在于，采用Hatch滤波算法对GNSS伪距和伪距率进行滤波。

4.一种基于软件接收机的分布式深组合导航系统，其特征在于，包括中频信号采集器、多普勒频移估计模块、SINS模块、GNSS软件接收机模块和组合导航模块；其中，

所述GNSS软件接收机模块使用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，辅助接收机跟踪环路进行载波跟踪和码跟踪，并将输出的当前时刻的GNSS伪距和伪距率信息并进行滤波，将滤波后的GNSS伪距和伪距率信息提供给组合导航模块。

5.如权利要求1所述基于软件接收机的分布式深组合导航系统，其特征在于，所述中频信号采集器用于采集卫星信号，将卫星信号转换为数字中频信号后提供给GNSS软件接收机模块；

所述多普勒频移估计模块根据组合导航模块提供的载体在上一时刻的三维位置、速度和加速度辅助信息，预测当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息；然后根据GNSS软件接收机模块提供的卫星星历信息和所述预测获得的当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息，实时计算获得载体与卫星相对运动造成的多普勒频移及其变化率，并提供给GNSS软件接收机模块；

所述SINS模块采集当前时刻载体的角速度和比力信息并进行SINS导航解算，获得当前时刻的SINS伪距、伪距率信息以及载体的位置、速度、加速度及姿态信息，并提供给组合导航模块；

所述GNSS软件接收机模块同时通过数据解析解调出导航电文获得卫星星历，将卫星星历信息提供给多普勒频移估计模块；

所述组合导航模块对SINS模块和GNSS软件接收机模块输入的伪距、伪距率信息进行信息融合，对SINS模块的系统误差进行反馈校正，将校正后的载体位置、速度和加速度信息作为辅助信息提供给多普勒频移估计模块，并将校正后的载体位置、速度和姿态信息作为组合导航信息输出。