CN107179084A - Gnss兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法 - Google Patents

Gnss兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,包括如下步骤:步骤1,基于伪距观测误差估计三轴位置误差;步骤2,基于三轴位置误差估计位置/速度修正量;步骤3,基于速度误差修正量和PI滤波估计加表漂移;步骤4,基于位置/速度误差修正量和加表漂移进行轨道积分推算。本发明基于GNSS兼容机伪距估计位置/速度修正量,基于速度修正量和PI滤波估计加表漂移,该GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计算法简单,易于工程应用。

Description

GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法
技术领域
本发明涉及空间飞行器组合导航技术领域,具体是一种GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,用于空间飞行器自主导航。
背景技术
现有的空间飞行器一般直接基于GNSS兼容机输出的位置/速度与加表进行组合导航,飞行器上轨道推算输出的位置/速度与GNSS兼容机输出位置/速度的作差获得位置/速度误差,可以直接用于修正组合导航位置/速度误差。
高轨GNSS兼容机接收地球另一侧的导航星信号,这些导航星信号较弱,可探测的导航星数有限;空间站下方对接的卫星受空间站遮挡影响,收到的导航星数有限。探测的导航星数较少时,不能直接定位,只能输出少数星的伪距,飞行器需要基于伪距进行组合导航。
基于GNSS兼容机输出的伪距与加表组合导航,伪距误差与位置/速度误差存在非线性关系,一般采用卡尔曼滤波进行组合导航,位置/速度估计共6维,计算量较大,如进行加表漂移估计,维数增加至9维,计算量更大。如何根据伪距误差估计位置/速度误差,并基于位置/速度误差直接修正组合导航位置/速度误差,减小计算量,易于工程应用。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足,提供了一种GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,该方法基于GNSS兼容机伪距估计位置/速度修正量,基于速度修正量和PI滤波估计加表漂移,该GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计算法简单,易于工程应用。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,包括如下步骤:
步骤1,基于伪距观测误差估计三轴位置误差:
-计算伪距观测误差;
-估计三轴位置误差;
步骤2,基于三轴位置误差估计位置/速度修正量:
-位置误差修正量估计;
-速度误差修正量估计;
步骤3,基于速度误差修正量和PI滤波估计加表漂移:
步骤4,基于位置/速度误差修正量和加表漂移轨道推算:
所述步骤1具体包括如下步骤:
步骤1.1,计算伪距观测误差:
根据推算的卫星位置(x,y,z)和第i颗GNSS卫星位置,求得伪距估计值ρi′:
其中:(xi,yi,zi)表示第i颗GNSS卫星在J2000系位置和速度。
Δρi=ρi′-ρi=|r′sni|-|rsni|
Δρi为伪距观测误差,ρi为GNSS兼容机输出的卫星相对第i颗GNSS卫星的伪距测量值。
步骤1.2,估计三轴位置误差:
由图1得卫星位置误差方程如下:
drsi=r′si-rsi
其中:r′si为推算的卫星位置,rsi为卫星真实位置。
星地矢量与星星矢量夹角:
其中:r′si为推算的J2000惯性系卫星位置相对地心位置矢量,r′sni为推算的J2000惯性系卫星位置相对GNSS导航星位置矢量。
推算卫星位置误差矢量,如果|αi|≤α0或|π-αi|≤α0
drsi=0
否则:
令:
drsi=[dxsi dysi dzsi]T
对于n颗导航星基于伪距求卫星推算误差如下:
求得在J2000惯性系位置误差:
Δri=[dxs dys dzs]T
在惯导积分过程中逐步增加位置/速度误差修正量Δri,k,可以确保误差修正的平稳性。
所述步骤2具体包括如下步骤:
步骤2.1,位置误差修正量估计:
在惯导解算过程对位置和速度误差修正量进行积分,为防止积分饱和,需要对积分进行限幅,实际工程应用中可以对位置误差Δri,k进行限幅,设对Δri,k限幅后位置/速度误差为
基于GNSS兼容机伪距求得的限幅后位置误差估计位置误差修正量dri,k如下:
其中:
kp,r为位置/速度误差修正量估计比例系数,kp,r为3×3对角阵,可以独立估计位置/速度误差修正量。
令:
dri,k=[dxi,k dyi,k dzi,k]T
三轴独立估计位置误差修正量形式如下:
其中:
kp,rx、kp,ry、kp,rz为三轴位置误差修正量估计比例系数。
步骤2.2,速度误差修正量估计:
考虑到位置误差也反映速度误差,基于位置误差修正量dri,k估计速度误差修正量。
由位置误差修正量dri,k估计速度误差修正量dvi,k,为防积分饱和也需要对dri,k限幅,设对dri,k限幅后的位置误差修正量为得速度误差修正量dvi,k如下:
其中:
kp,v为速度误差修正量估计比例系数,kp,v为3×3对角阵,可以独立估计速度误差修正量。
令;
dvi,k=[dvxi,k dvyi,k dvzi,k]T
三轴独立估计速度误差修正量形式如下:
其中:
kp,vx、kp,vy、kp,vz为三轴速度误差修正量估计比例系数。
所述步骤3具体包括如下步骤:
将速度误差修正量dvi,k转换到加表坐标系:
dva,k=Aai·dvi,k
其中:
Aai为J2000惯性系到加表坐标系的姿态转换矩阵。
由速度误差修正量dva,k估计加表漂移,为防积分饱和也需要对dva,k限幅,设对dva,k限幅后的位置误差修正量为基于PI滤波估计加表加速度漂移算法如下:
其中:
daa,k为第k步估计的加表漂移,kp,a为PI滤波估计比例系数,ki,a为PI滤波估计积分系数,kp,a、ki,a为3×3对角阵,可以独立估计加速度漂移。
令:
daa,k=[daxa,k daya,k daza,k]T
三轴独立估计加速度漂移形式如下:
其中:
kp,ax、kp,ay、kp,az为三轴加速度漂移估计比例系数,ki,ax、ki,ay、ki,az为三轴加速度漂移估计积分系数。
所述步骤4具体包括如下步骤:
设加表坐标系到J2000惯性系的姿态转换矩阵为Aia,求得J2000惯性系下卫星非惯性加速度fi如下:
fi=Aia·(fs-dfs)
其中:
fs为加表测得的比力,dfs为加表漂移估计值。
令:
fi=[fx fy fz]T
考虑J2项摄动的影响,在J2000惯性系卫星的运动方程可以表示为:
其中,fx、fy、fz为加表测得的比力扣除漂移转换到J2000惯性系的三轴分量。
令:
ai=[ax ay az]T
在J2000惯性系扣除位置/速度误差修正量,应用简化积分算法进行惯导解算如下:
vi,k=vi,k-1+[ai,k-1+(ai,k-ai,k-1)/2]·T-dvi,k-1
ri,k=ri,k-1+[vi,k-1+(vi,k-vi,k-1)/2]·T-dri,k-1
其中:
ai,k-1为第k-1步扣除加表漂移的加速度。
ai,k为第k步扣除加表漂移的加速度。
dvi,k-1为第k-1步估计的速度误差修正量。
vi,k-1为第k-1步扣除速度误差修正量的速度。
vi,k为第k步扣除速度误差修正量的速度。
dri,k-1为第k-1步估计的位置误差修正量。
ri,k-1为第k-1步扣除位置误差修正量的位置。
ri,k为第k步扣除位置误差修正量的位置。
T为导航周期。
本发明提供的GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,与现有技术相比,具有以下优点和有益效果:
1、基于伪距观测误差估计三轴位置误差;
2、基于三轴位置误差估计位置/速度误差修正量;
3、基于速度误差修正量和PI滤波估计加表漂移;
4、组合导航算法简单,易于工程应用。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1是本发明导航星和卫星相对位置关系示意图;
图2是本发明组合导航过程。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明:本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。
请同时参阅图1至图2。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,包括如下步骤:
步骤1,基于伪距观测误差估计三轴位置误差:
-计算伪距观测误差;
-估计三轴位置误差;
步骤2,基于三轴位置误差估计位置/速度修正量:
-位置误差修正量估计;
-速度误差修正量估计;
步骤3,基于速度误差修正量和PI滤波估计加表漂移;
步骤4,基于位置/速度误差修正量和加表漂移轨道推算。
所述步骤1具体包括如下步骤:
步骤1.1,计算伪距观测误差:
根据推算的卫星位置(x,y,z)和第i颗GNSS卫星位置,求得伪距估计值ρi′:
其中:(xi,yi,zi)表示第i颗GNSS卫星在J2000系位置和速度。
Δρi=ρi′-ρi=|r′sni|-|rsni|
Δρi为伪距观测误差,ρi为GNSS兼容机输出的卫星相对第i颗GNSS卫星的伪距测量值。
步骤1.2,估计三轴位置误差:
由图1得卫星位置误差方程如下:
drsi=r′si-rsi
其中:r′si为推算的卫星位置,rsi为卫星真实位置。
星地矢量与星星矢量夹角:
其中:r′si为推算的J2000惯性系卫星位置相对地心位置矢量,r′sni为推算的J2000惯性系卫星位置相对GNSS导航星位置矢量。
推算卫星位置误差矢量,如果|αi|≤α0或|π-αi|≤α0
drsi=0
否则:
令:
drsi=[dxsi dysi dzsi]T
对于n颗导航星基于伪距求卫星推算误差如下:
求得在J2000惯性系位置误差:
Δri=[dxs dys dzs]T
在惯导积分过程中逐步增加位置/速度误差修正量Δri,k,可以确保误差修正的平稳性。
所述步骤2具体包括如下步骤:
步骤2.1,位置误差修正量估计:
在惯导解算过程对位置和速度误差修正量进行积分,为防止积分饱和,需要对积分进行限幅,实际工程应用中可以对位置误差Δri,k进行限幅,设对Δri,k限幅后位置/速度误差为
基于GNSS兼容机伪距求得的限幅后位置误差估计位置误差修正量dri,k如下:
其中:
kp,r为位置/速度误差修正量估计比例系数,kp,r为3×3对角阵,可以独立估计位置/速度误差修正量。
令:
dri,k=[dxi,k dyi,k dzi,k]T
三轴独立估计位置误差修正量形式如下:
其中:
kp,rx、kp,ry、kp,rz为三轴位置误差修正量估计比例系数。
步骤2.2,速度误差修正量估计:
考虑到位置误差也反映速度误差,基于位置误差修正量dri,k估计速度误差修正量。
由位置误差修正量dri,k估计速度误差修正量dvi,k,为防积分饱和也需要对dri,k限幅,设对dri,k限幅后的位置误差修正量为得速度误差修正量dvi,k如下:
其中:
kp,v为速度误差修正量估计比例系数,kp,v为3×3对角阵,可以独立估计速度误差修正量。
令;
dvi,k=[dvxi,k dvyi,k dvzi,k]T
三轴独立估计速度误差修正量形式如下:
其中:
kp,vx、kp,vy、kp,vz为三轴速度误差修正量估计比例系数。
所述步骤3具体包括如下步骤:
将速度误差修正量dvi,k转换到加表坐标系:
dva,k=Aai·dvi,k
其中:
Aai为J2000惯性系到加表坐标系的姿态转换矩阵。
由速度误差修正量dva,k估计加表漂移,为防积分饱和也需要对dva,k限幅,设对dva,k限幅后的位置误差修正量为基于PI滤波估计加表加速度漂移算法如下:
其中:
daa,k为第k步估计的加表漂移,kp,a为PI滤波估计比例系数,ki,a为PI滤波估计积分系数,kp,a、ki,a为3×3对角阵,可以独立估计加速度漂移。
令:
daa,k=[daxa,k daya,k daza,k]T
三轴独立估计加速度漂移形式如下:
其中:
kp,ax、kp,ay、kp,az为三轴加速度漂移估计比例系数,ki,ax、ki,ay、ki,az为三轴加速度漂移估计积分系数。
所述步骤4具体包括如下步骤:
设加表坐标系到J2000惯性系的姿态转换矩阵为Aia,求得J2000惯性系下卫星非惯性加速度fi如下:
fi=Aia·(fs-dfs)
其中:
fs为加表测得的比力,dfs为加表漂移估计值。
令:
fi=[fx fy fz]T
考虑J2项摄动的影响,在J2000惯性系卫星的运动方程可以表示为:
其中,fx、fy、fz为加表测得的比力扣除漂移转换到J2000惯性系的三轴分量。
令:
ai=[ax ay az]T
在J2000惯性系扣除位置/速度误差修正量,应用简化积分算法进行惯导解算如下:
vi,k=vi,k-1+[ai,k-1+(ai,k-ai,k-1)/2]·T-dvi,k-1
ri,k=ri,k-1+[vi,k-1+(vi,k-vi,k-1)/2]·T-dri,k-1
其中:
ai,k-1为第k-1步扣除加表漂移的加速度。
ai,k为第k步扣除加表漂移的加速度。
dvi,k-1为第k-1步估计的速度误差修正量。
vi,k-1为第k-1步扣除速度误差修正量的速度。
vi,k为第k步扣除速度误差修正量的速度。
dri,k-1为第k-1步估计的位置误差修正量。
ri,k-1为第k-1步扣除位置误差修正量的位置。
ri,k为第k步扣除位置误差修正量的位置。
T为导航周期。
本实施例基于GNSS兼容机伪距估计位置/速度修正量,基于速度修正量和PI滤波估计加表漂移,适用于空间飞行器自主导航,该GNSS兼容机伪距与加表组合导航算法简单,易于工程应用。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,其特征在于,包括如下步骤:
步骤1,基于伪距观测误差估计三轴位置误差;
步骤2,基于三轴位置误差估计位置/速度误差修正量;
步骤3,基于速度误差修正量和PI滤波估计加表漂移;
步骤4,基于位置/速度误差修正量和加表漂移进行轨道积分推算。
2.根据权利要求1所述的GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,其特征在于,所述步骤1进一步包括如下步骤:
步骤1.1,计算伪距观测误差:
根据推算的卫星位置(x,y,z)和第i颗GNSS卫星位置,求得伪距估计值ρi′:
<mrow> <msubsup> <mi>&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>y</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>+</mo> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>z</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>z</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> </mrow> </msqrt> </mrow>
其中:(xi,yi,zi)表示第i颗GNSS卫星在J2000系位置和速度;
Δρi=ρ′ii=|r′sni|-|rsni|
Δρi为伪距观测误差,ρi为GNSS兼容机输出的卫星相对第i颗GNSS卫星的伪距测量值;
步骤1.2,估计三轴位置误差:
卫星位置误差为:
drsi=r′si-rsi
其中:r′si为推算的卫星位置,rsi为卫星真实位置;
星地矢量与星星矢量夹角:
<mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;alpha;</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msubsup> <mi>r</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>r</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <msubsup> <mi>r</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>|</mo> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mo>|</mo> <msubsup> <mi>r</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>
其中:r′si为推算的J2000惯性系卫星位置相对地心位置矢量,r′sni为推算的J2000惯性系卫星位置相对GNSS导航星位置矢量;
推算卫星位置误差矢量,如果|αi|≤α0或|π-αi|≤α0
drsi=0
否则:
<mrow> <msub> <mi>dr</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;&amp;rho;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> <mrow> <msub> <mi>sin&amp;alpha;</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <mrow> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msup> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>&amp;times;</mo> <msubsup> <mi>r</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> </mrow> <mrow> <mo>|</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <msup> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>&amp;times;</mo> <msubsup> <mi>r</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </mrow> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <msup> <msub> <mi>r</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;prime;</mo> </msup> <mo>|</mo> </mrow> </mfrac> </mrow>
令:
drsi=[dxsi dysi dzsi]T
对于n颗导航星基于伪距求卫星推算误差如下:
<mrow> <msub> <mi>dx</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>dx</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <munderover> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mi>j</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1...</mn> <mi>n</mi> </mrow> </munderover> <mo>{</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dx</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dx</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dx</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mn>...</mn> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dx</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>}</mo> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>dy</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>dy</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <munderover> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1...</mn> <mi>n</mi> </mrow> </munderover> <mo>{</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dy</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dy</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dy</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dy</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>}</mo> </mrow> 1
<mrow> <msub> <mi>dz</mi> <mi>s</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>n</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>dz</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>l</mi> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <munderover> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mi>l</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1...</mn> <mi>n</mi> </mrow> </munderover> <mo>{</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dz</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dz</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mn>2</mn> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dz</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mo>|</mo> <msub> <mi>dz</mi> <mrow> <mi>s</mi> <mi>n</mi> </mrow> </msub> <mo>|</mo> <mo>}</mo> </mrow>
求得在J2000惯性系位置误差:
Δri=[dxs dys dzs]T
在惯导积分过程中逐步增加位置/速度误差修正量Δri,k
3.根据权利要求2所述的GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,其特征在于,所述步骤2进一步包括如下步骤:
步骤2.1,位置误差修正量估计:
在惯导解算过程对位置和速度误差修正量进行积分,设对位置误差Δri,k限幅后位置/速度误差为
基于GNSS兼容机伪距求得的限幅后位置/速度误差估计位置误差修正量dri,k如下:
<mrow> <msub> <mi>dr</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>r</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow>
其中:
kp,r为位置/速度误差修正量估计比例系数,kp,r为3×3对角阵,用以独立估计位置/速度误差修正量;
令:
dri,k=[dxi,k dyi,k dzi,k]T
<mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>r</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>T</mi> </msup> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>r</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>r</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>r</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
三轴独立估计位置误差修正量形式如下:
<mrow> <msub> <mi>dx</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>r</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>dy</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>r</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>dz</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>r</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow>
步骤2.2,速度误差修正量估计:
位置误差对应于速度误差,故基于位置误差修正量dri,k估计速度误差修正量dvi,k,设对dri,k限幅后的位置误差修正量为
<mrow> <msub> <mi>dv</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>r</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow>
令;
dvi,k=[dvxi,k dvyi,k dvzi,k]T
<mrow> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>r</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>T</mi> </msup> </mrow> 2
三轴独立估计速度误差修正量形式如下:
<mrow> <msub> <mi>dvx</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>dvy</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>dvz</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>v</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow>
其中:
kp,vx、kp,vy、kp,vz为三轴速度误差修正量估计比例系数。
4.根据权利要求3所述的GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,其特征在于,所述步骤3基于速度误差修正量和PI滤波估计加表漂移:
将速度误差修正量dvi,k转换到加表坐标系:
dva,k=Aai·dvi,k
其中:
Aai为J2000惯性系到加表坐标系的姿态转换矩阵;
由速度误差修正量dva,k估计加表漂移,设对dva,k限幅后的位置误差修正量为基于PI滤波估计加表加速度漂移算法如下:
<mrow> <msub> <mi>da</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>v</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>v</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow>
其中:
daa,k为第k步估计的加表漂移,kp,a为PI滤波估计比例系数,ki,a为PI滤波估计积分系数,kp,a、ki,a为3×3对角阵,用以独立估计加速度漂移;
令:
daa,k=[daxa,k daya,k daza,k]T
<mrow> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mi>v</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mrow> <mi>v</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mrow> <mi>v</mi> <mi>y</mi> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> <mtd> <mrow> <mi>d</mi> <mover> <mi>v</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mi>T</mi> </msup> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "[" close = "]"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <mn>0</mn> </mtd> <mtd> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>
三轴独立估计加速度漂移形式如下:
<mrow> <msub> <mi>dax</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mrow> <mi>v</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mrow> <mi>v</mi> <mi>x</mi> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow>
<mrow> <msub> <mi>day</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mrow> <mi>v</mi> <mi>y</mi> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <msub> <mover> <mrow> <mi>v</mi> <mi>y</mi> </mrow> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow> 3
<mrow> <msub> <mi>daz</mi> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>p</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mover> <mi>v</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mo>&amp;Integral;</mo> <msub> <mi>k</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>,</mo> <mi>a</mi> <mi>z</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mover> <mi>v</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mrow> <mi>a</mi> <mo>,</mo> <mi>k</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow>
其中:
kp,ax、kp,ay、kp,az为三轴加速度漂移估计比例系数,ki,ax、ki,ay、ki,az为三轴加速度漂移估计积分系数。
5.根据权利要求4所述的GNSS兼容机伪距与加表组合导航及漂移估计方法,其特征在于,所述步骤4基于位置/速度误差修正量和加表漂移轨道推算:
设加表坐标系到J2000惯性系的姿态转换矩阵为Aia,求得J2000惯性系下卫星非惯性加速度fi如下:
fi=Aia·(fs-dfs)
其中:
fs为加表测得的比力,dfs为加表漂移估计值;
令:
fi=[fx fy fz]T
考虑J2项摄动的影响,在J2000惯性系卫星的运动方程表示为:
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>=</mo> <mover> <mi>x</mi> <mo>&amp;CenterDot;&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;mu;</mi> <msup> <mi>r</mi> <mn>3</mn> </msup> </mfrac> <mi>x</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>J</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <mfrac> <mi>x</mi> <msup> <mi>r</mi> <mn>5</mn> </msup> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>5</mn> <msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>x</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mi>y</mi> </msub> <mo>=</mo> <mover> <mi>y</mi> <mo>&amp;CenterDot;&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;mu;</mi> <msup> <mi>r</mi> <mn>3</mn> </msup> </mfrac> <mi>y</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>J</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <mfrac> <mi>y</mi> <msup> <mi>r</mi> <mn>5</mn> </msup> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>5</mn> <msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>y</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>a</mi> <mi>z</mi> </msub> <mo>=</mo> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;CenterDot;&amp;CenterDot;</mo> </mover> <mo>=</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mi>&amp;mu;</mi> <msup> <mi>r</mi> <mn>3</mn> </msup> </mfrac> <mi>z</mi> <mo>-</mo> <mfrac> <mn>3</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <msub> <mi>J</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msubsup> <mi>R</mi> <mi>E</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;mu;</mi> <mfrac> <mi>z</mi> <msup> <mi>r</mi> <mn>5</mn> </msup> </mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mn>3</mn> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>5</mn> <msup> <mi>z</mi> <mn>2</mn> </msup> </mrow> <msup> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msup> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <mo>+</mo> <msub> <mi>f</mi> <mi>z</mi> </msub> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
其中,fx、fy、fz为加表测得的比力扣除漂移转换到J2000惯性系的三轴分量;
令:
ai=[ax ay az]T
在J2000惯性系扣除位置/速度误差修正量,应用简化积分算法进行惯导解算如下:
vi,k=vi,k-1+[ai,k-1+(ai,k-ai,k-1)/2]·T-dvi,k-1
ri,k=ri,k-1+[vi,k-1+(vi,k-vi,k-1)/2]·T-dri,k-1
其中:
ai,k-1为第k-1步扣除加表漂移的加速度;
ai,k为第k步扣除加表漂移的加速度;
dvi,k-1为第k-1步估计的速度误差修正量;
vi,k-1为第k-1步扣除速度误差修正量的速度;
vi,k为第k步扣除速度误差修正量的速度;
dri,k-1为第k-1步估计的位置误差修正量;
ri,k-1为第k-1步扣除位置误差修正量的位置;
ri,k为第k步扣除位置误差修正量的位置;
T为导航周期。
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