CN106154300B - 一种惯性/卫星超紧组合实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种惯性/卫星超紧组合实现方法，采用分步式实现的思想，简化超紧组合实现的复杂性，在惯性/卫星紧组合实现方法的基础上，利用卫星接收机定位定速结果进行本地环路控制量的生成来验证控制量生成方案的正确性；利用误差正常发散的惯性导航结果进行本地环路控制获得有效的组合观测量；最后进行组合滤波估计与修正的闭环，完成超紧组合系统的搭建。本发明有效地简化了超紧组合实现的复杂性，实现了卫星导航系统与惯性导航系统的深度融合；适用于GPS、北斗等多种卫星导航系统及多频多系统卫星导航系统与惯性系统的组合。

Description

一种惯性/卫星超紧组合实现方法

技术领域

本发明涉及一种惯性/卫星超紧组合实现方法，属于组合导航方法的技术领域。

背景技术

惯性导航系统和卫星导航系统具有良好互补性，构建惯性/卫星组合导航系统可实现全球范围内全天时、全天候的高精度连续导航，是导航技术近年来以及未来相当长一段时期内发展的主要方向，是解决航空、航天、陆地、水面、水下等武器装备系统导航问题的主要技术手段，在国防和民用等领域具有重要的应用价值。

近年来，在高动态环境适应性和抗干扰、高精度等导航需求的牵引下，惯性/卫星组合导航系统的信息融合模式，经历了松组合、紧组合、超紧组合(也称为深组合)几个重要的阶段。目前，超紧组合技术已成为国外组合导航领域的一个研究热点，其技术要点是将卫星导航接收机设计和惯性导航系统进行信息深度耦合，实现惯性和卫星接收机信息的双向辅助，在组合导航系统的信息流程架构设计层面改变组合导航体制。

超紧组合需要惯性信息和卫星信息的双向辅助，需要断开原有接收机环路，构建包括惯导和组合滤波在内的大闭合回路，其实现的复杂度较高；且接收机的控制与观测量的提取相互影响，不利于系统搭建过程对问题的排查。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种惯性/卫星超紧组合实现方法，在惯性/卫星紧组合实现方法的基础上，采用分步式实现的思想，设计了环路控制量生成、观测量提取，有效地简化了超紧组合实现的复杂性，实现了卫星导航系统与惯性导航系统的深度融合。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种惯性/卫星超紧组合实现方法，包括如下步骤：

步骤1，搭建惯性/卫星紧组合系统，在此基础上断开紧组合系统中组合滤波器对惯性误差的估计与修正，使得惯性信息误差逐渐累积发散；

步骤2，根据卫星导航接收机的位置速度信息计算本地载波、码的NCO控制量，利用本地载波、码的NCO控制量分别对载波环和码环进行控制，使得环路能够正常跟踪；

步骤3，在步骤2实现对本地环路控制的基础上，将卫星导航接收机的位置速度信息替换为误差逐渐发散的惯导系统的位置速度信息，将惯性导航信息引入卫星导航接收机环路中，在此基础上利用载波环和码环的输出信息计算组合观测量；

步骤4，将步骤3得到的组合观测量加入到超紧组合滤波器中，并观察获得的惯性信息误差估计值，若惯性信息误差估计值与惯性位置、速度误差发散趋势一致，则利用惯性信息误差估计值对惯性信息进行误差修正，形成闭合回路，从而完成超紧组合的系统实现。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤2实现对本地环路控制的具体步骤为：

21)利用卫星导航接收机中载体位置速度、卫星位置速度信息估计计算本地载波、码的NCO控制量；

其中， 分别为估计的码相位、载波频率和伪距，φ_code为原码相位，ρ_G为原接收机伪距，λ_code、λ_carr分别为码、载波波长，f_IF为中频频率，r、分别为载体与卫星之间的相对距离、距离变化量，δf_u、δt_u分别为卫星导航接收机钟漂、钟差，δf^s、δt^s分别为卫星钟漂、钟差，Δθ为载波鉴相器结果，ΔT为环路控制周期，c为光速，T、I分别表示对流层、电离层传播影响，x,y,z为接收机计算的载体位置坐标，x_s,y_s,z_s为对应卫星的位置坐标，为接收机计算的载体速度，为对应卫星的速度；

22)断开卫星导航接收机原码环中的环路滤波器及NCO控制量生成环节，将21)计算得到的值写入码NCO控制字，得到新码环；

23)断开卫星导航接收机原载波环中的环路滤波器及NCO控制生成环节，将21)计算得到的值写入载波NCO控制字，得到新载波环；

24)利用卫星导航接收机原失锁判断条件对22)和23)得到的新环路跟踪情况进行判断，当新码环和新载波环都处于稳定跟踪状态时，本地环路控制完成。

作为本发明的一种优选方案，所述步骤3的具体步骤为：

31)将卫星导航接收机的位置速度信息替换为误差逐渐发散的惯导系统的位置速度信息，计算本地载波、码的NCO控制量，其中对惯性信息不做任何修正，使其位置速度结果正常发散；

32)利用31)计算得到的控制量对码环和载波环NCO进行控制，得到码鉴相值和载波鉴频值；

33)将每个滤波周期内的码鉴相值和载波鉴频值进行累加求平均后，乘以波长获得伪距差和伪距率差组合观测量。

作为本发明的一种优选方案，所述33)后面还包括步骤34)：对33)得到的组合观测量进行统计分析，如果各个通道的观测量变化趋势一致，且与紧组合系统观测量进行对比，如果量级和发散趋势一致，则组合观测量获取完成，否则，需要对31)、32)、33)完成的正确性进行检查。

作为本发明的一种优选方案，所述33)的计算公式为：

其中，Δρ、分别为伪距差、伪距率差，Δφ_code为码鉴相值，Δω_carr为载波鉴频值，λ_code为码的波长，λ_carr为载波的波长，T_c为组合滤波周期。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明惯性/卫星超紧组合实现方法，采用分步式实现的思想，设计了环路控制量生成和验证方案、观测量提取和验证方案，有效地简化了超紧组合实现的复杂性，实现了卫星导航系统与惯性导航系统的深度融合。

2、本发明惯性/卫星超紧组合实现方法，适用于GPS、北斗等多种卫星导航系统及多频多系统卫星导航系统与惯性系统的组合。

附图说明

图1是本发明惯性/卫星超紧组合实现方法的步骤流程图。

图2是实现本发明惯性/卫星超紧组合实现方法的装置结构示意图。

图3是利用本发明方法进行仿真后的组合经度、纬度、高度结果示意图。

图4是利用本发明方法进行仿真后的组合速度结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明提供了一种惯性/卫星超紧组合实现方法如图1所示，采用分步式实现的思想，简化超紧组合实现的复杂性，在惯性/卫星紧组合实现方法的基础上，利用卫星接收机定位定速结果进行本地环路控制量的生成来验证控制量生成方案的正确性；利用误差正常发散的惯性导航结果进行本地环路控制获得有效的组合观测量；最后进行组合滤波估计与修正的闭环，完成超紧组合系统的搭建。

图2为本发明实施例的装置结构示意图，本发明可以用本装置实现，但不局限于图2所示装置。整个装置包括：天线、射频模块和基带处理模块。基带处理模块由DSP(数字信号处理器)、FPGA(现场可编程门阵列)及外围芯片组成。其中FPGA和DSP共同配合完成本发明的超紧组合功能，由FPGA实现多通道并行处理，DSP控制流程的运行和外围信息的收发。

具体的步骤如下：

步骤1、完成惯性/卫星紧组合系统的搭建，在此基础上断开紧组合系统中组合滤波器对惯性误差的估计与修正，使得惯性信息误差逐渐累积发散。

步骤2、将卫星导航接收机导航结果引入本地环路进行环路控制。包括利用接收机位置速度等导航信息计算本地载波、码的NCO(数控振荡器)控制量，对载波环和码环进行控制，使得环路能够正常跟踪。具体为：

[1]、利用卫星导航接收机中载体位置速度、卫星位置速度等信息估计计算本地载波、码的NCO控制量；

其中，x,y,z为接收机计算的载体位置坐标；x_s,y_s,z_s为对应卫星的位置坐标；为接收机计算的载体速度；为对应卫星的速度；r、分别为载体与卫星之间的相对距离、距离变化量；分别为估计的伪距、码相位、载波频率；c为光速；δf_u、δt_u分别为卫星导航接收机钟漂、钟差，由接收机定位定速解算获得；δf^s、δt^s分别为卫星钟漂、钟差，由卫星星历信息计算获得；T、I分别表示对流层、电离层传播影响，由卫星星历信息计算获得；φ_code为原码相位；Δφ为估计的码相位差；ρ_G为原接收机伪距，由接收机内部给出；λ_code、λ_carr分别为码、载波波长；f_IF为中频频率；Δθ为载波鉴相器结果；ΔT为环路控制周期；

[2]、在接收机正常定位获得定位信息、卫星星历信息后，断开原码环中的环路滤波器及NCO控制量生成环节，将步骤[1]中计算的值写入码NCO控制字；

[3]、在接收机正常定位获得定位信息、卫星星历信息后，断开原载波环中的环路滤波器及NCO控制生成环节，将步骤[1]中计算的值写入载波NCO控制字；

[4]、在完成步骤[2]和[3]后，按照原接收机失锁判断条件对新环路跟踪情况进行判断。码环和载波环都应该处于稳定跟踪状态，本地环路控制完成。

步骤3、在步骤2实现对环路控制的基础上，将接收机的位置速度信息换为误差逐渐发散的惯导系统的位置速度信息，将惯性导航信息引入接收机环路中，在此基础上利用载波环和码环输出信息计算获得组合观测量，同时可以获得紧组合方式下的组合观测量作为对比。具体为：

a、将步骤[1]中利用接收机位置速度信息估计计算本地载波、码的NCO控制量，替换为利用惯性导航位置速度结果进行估计计算，其中对惯性信息不做任何修正，使其位置速度结果正常发散；

b、利用步骤a中获得的估计量对码环和载波环NCO进行控制；

c、将每个滤波周期内的码鉴相值和载波鉴频值进行累加求平均后，乘以波长获得伪距差和伪距率差组合观测量；

其中，Δρ、分别为伪距差、伪距率差；Δφ_code为码鉴相值；Δω_carr为载波鉴频值；λ_code为码的波长；λ_carr为载波的波长；T_c为组合滤波周期；

d、按照步骤c获得组合观测量，对组合观测量进行统计分析，如果各个通道的观测量变化趋势基本一致，且与紧组合系统观测量进行对比，如果量级和发散趋势基本一致，则说明组合观测量获取完成；否则需要检查步骤a、b、c完成的正确性。

步骤4、在步骤3实现组合观测量提取的基础上，将组合观测量加入到超紧组合滤波器中，观察获得的惯性信息误差估计值，如果与惯性位置、速度误差发散趋势基本一致，则利用滤波估计值对惯性信息进行误差修正，形成闭合回路，完成超紧组合的系统实现。

基于以上装置和超紧组合实现方法步骤，利用DSP和FPGA进行在线仿真，仿真结果如图3、图4所示，由仿真结果可以看出本发明的超紧方法能够稳定可靠地实现本地环路控制、组合观测量提取、组合滤波估计与修正功能，完成惯性与卫星信息的超紧组合融合。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种惯性/卫星超紧组合实现方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，搭建惯性/卫星紧组合系统，在此基础上断开紧组合系统中组合滤波器对惯性误差的估计与修正，使得惯性信息误差逐渐累积发散；

步骤2，根据卫星导航接收机的位置速度信息计算本地载波、码的NCO控制量，利用本地载波、码的NCO控制量分别对载波环和码环进行控制，使得环路能够正常跟踪；

步骤3，在步骤2实现对本地环路控制的基础上，将卫星导航接收机的位置速度信息替换为误差逐渐发散的惯导系统的位置速度信息，将惯性导航信息引入卫星导航接收机环路中，在此基础上利用载波环和码环的输出信息计算组合观测量；

步骤4，将步骤3得到的组合观测量加入到超紧组合滤波器中，并观察获得的惯性信息误差估计值，若惯性信息误差估计值与惯性位置和速度误差发散趋势一致，则利用惯性信息误差估计值对惯性信息进行误差修正，形成闭合回路，从而完成超紧组合的系统实现。

2.根据权利要求1所述惯性/卫星超紧组合实现方法，其特征在于，所述步骤2实现对本地环路控制的具体步骤为：

21)利用卫星导航接收机中载体位置速度、卫星位置速度信息估计计算本地载波、码的NCO控制量；

其中， 分别为估计的码相位、载波频率和伪距，φ_code为原码相位，ρ_G为原接收机伪距，λ_code、λ_carr分别为码、载波波长，f_IF为中频频率，r、分别为载体与卫星之间的相对距离、距离变化量，δf_u、δt_u分别为卫星导航接收机钟漂、钟差，δf^s、δt^s分别为卫星钟漂、钟差，Δθ为载波鉴相器结果，ΔT为环路控制周期，c为光速，T、I分别表示对流层、电离层传播影响，x,y,z为接收机计算的载体位置坐标，x_s,y_s,z_s为对应卫星的位置坐标，为接收机计算的载体速度，为对应卫星的速度；

22)断开卫星导航接收机原码环中的环路滤波器及NCO控制量生成环节，将21)计算得到的值写入码NCO控制字，得到新码环；

23)断开卫星导航接收机原载波环中的环路滤波器及NCO控制生成环节，将21)计算得到的值写入载波NCO控制字，得到新载波环；

24)利用卫星导航接收机原失锁判断条件对22)和23)得到的新环路跟踪情况进行判断，当新码环和新载波环都处于稳定跟踪状态时，本地环路控制完成。

3.根据权利要求1所述惯性/卫星超紧组合实现方法，其特征在于，所述步骤3的具体步骤为：

31)将卫星导航接收机的位置速度信息替换为误差逐渐发散的惯导系统的位置速度信息，计算本地载波、码的NCO控制量，其中对惯性信息不做任何修正，使其位置速度结果正常发散；

32)利用31)计算得到的控制量对码环和载波环NCO进行控制，得到码鉴相值和载波鉴频值；

33)将每个滤波周期内的码鉴相值和载波鉴频值进行累加求平均后，乘以波长获得伪距差和伪距率差组合观测量。

4.根据权利要求3所述惯性/卫星超紧组合实现方法，其特征在于，所述33)后面还包括步骤34)：对33)得到的组合观测量进行统计分析，如果各个通道的观测量变化趋势一致，且与紧组合系统观测量进行对比，如果量级和发散趋势一致，则组合观测量获取完成，否则，需要对31)、32)、33)完成的正确性进行检查。

5.根据权利要求3所述惯性/卫星超紧组合实现方法，其特征在于，所述33)的计算公式为：

其中，Δρ、分别为伪距差、伪距率差，Δφ_code为码鉴相值，Δω_carr为载波鉴频值，λ_code为码的波长，λ_carr为载波的波长，T_c为组合滤波周期。