CN109459776A - 基于gnss信号非连续跟踪的gnss/ins深组合导航方法 - Google Patents

Abstract

一种基于GNSS信号非连续跟踪的GNSS/INS深组合导航方法，首先通过GNSS天线INS不辅助下连续地采集与跟踪GNSS卫星信号得到GNSS星历和定位解并对INS初始化；然后基于IMU采集得到的设备角速率信息和比力信息，通过捷联INS导航算法得到INS导航的位置、速度和姿态；再在INS辅助下非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号得到GNSS辅助测量值并以GNSS辅助测量值为观测量进行GNSS/INS深组合导航滤波和反馈校正。本发明所需运算量小，耗电量低，能在运算能力和电池容量比较有限的精巧设备中实现长时间的连续导航定位。

Description

基于GNSS信号非连续跟踪的GNSS/INS深组合导航方法

技术领域

本发明涉及的是一种导航领域的技术，具体是一种基于GNSS信号非连续跟踪的GNSS/INS深组合导航方法。

背景技术

全球卫星导航系统(GNSS)能全球、全天候、实时地提供定位、测速和授时等服务。为了得到GNSS定位结果，GNSS接收机通常需要连续采集GNSS信号，保持对GNSS信号的跟踪与锁定。连续跟踪GNSS信号将要求接收机必须具有较强的运算能力，和较大的电量供给以满足长时间定位的需求。对于很多精巧设备，如穿戴式手环，有实现连续导航定位的需求，但不需要高的定位输出率。要在降低其导航器件成本和电池重量的同时，延长其单次充电后的使用时间。惯性导航系统(INS)基于惯性测量单元(IMU)提供的惯性测量信息(角速率和比力)实现连续导航定位。INS不依赖于任何外部信息，具有很高的输出频率和抗干扰能力，且其所需运算量小，耗电量低；但同时INS是一种航位推算导航系统，其导航误差会随时间的增长而累积。因此，INS与GNSS具有很强的互补性，两者的有效组合能提高系统的导航可靠性和精度，有助于运算能力和电池容量比较有限的精巧设备实现长时间的连续导航定位。

发明内容

本发明针对基于GNSS信号连续跟踪定位方式所需运算量大和耗电量高，难于在运算能力和电池容量比较有限的精巧设备中实现长时间的连续GNSS定位等缺陷，提出一种基于GNSS信号非连续跟踪的GNSS/INS深组合导航方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种GNSS/INS深组合导航方法，首先通过GNSS天线INS不辅助下连续地采集与跟踪GNSS卫星信号得到GNSS星历和定位解并对INS初始化；然后基于IMU采集得到的设备角速率信息和比力信息，通过捷联INS导航算法得到INS导航的位置、速度和姿态；再在INS辅助下非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号得到GNSS辅助测量值并以GNSS辅助测量值为观测量进行GNSS/INS深组合导航滤波和反馈校正。

所述的GNSS星历和定位解包括：在INS不辅助情况下连续地采集与跟踪GNSS卫星信号得到GNSS星历，并通过GNSS定位得到设备的位置、速度、姿态、设备时钟时间和钟漂信息。

所述的INS辅助包括：INS辅助估算GNSS信号的伪码相位和载波多普勒频率。

所述的非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号是指：每隔一预设周期对GNSS信号进行采集与跟踪，每次采集的GNSS信号中频数据段的长度其中：L^code为GNSS信号一个伪码周期的码片数，为GNSS信号伪码码率，n_i为跟踪第i颗GNSS卫星信号时的相关积分时长对应的GNSS信号伪码周期数，f_s ^IF为GNSS信号中频频率，为INS辅助估算得到的第i颗GNSS卫星信号在采集的GNSS信号中频数据段起始(第一个)中频样点处的伪码相位值，为第i颗GNSS卫星信号的伪码多普勒频率估算值，f_car为GNSS信号载波频率，为INS辅助估算得到的第i颗GNSS卫星信号的载波多普勒频率。

所述的INS辅助估算GNSS信号的伪码相位，根据INS得到的设备位置[X_ins,Y_ins,Z_ins]、GNSS星历、修正后的设备时钟时间GNSS对流层延迟校正模型估算得到的第i颗GNSS卫星信号的伪码相位其中：为第i颗GNSS卫星的位置，δt_s为GNSS卫星钟差，_c为光速，为GNSS电离层延迟校正模型估算得到的电离层延迟，为对流层延迟校正模型估算得到的对流层延迟。

所述的INS辅助估算GNSS信号的载波多普勒频率，根据INS得到的设备位置[X_ins,Y_ins,Z_ins]和速度GNSS星历、设备时钟钟漂估算得到的第i颗GNSS卫星信号的载波多普勒频率为：

其中：为第i颗GNSS卫星的速度，为GNSS卫星钟漂。

所述的GNSS辅助测量值是指：对每隔一预设周期采集的GNSS信号中频数据段进行跟踪得到的GNSS伪码相位辅助误差其中：N为GNSS卫星个数，为对应于第i颗GNSS卫星的伪码相位辅助误差。

所述的GNSS伪码相位辅助误差的计算方法为：

①在每隔一预设周期采集的GNSS信号中频数据段中选取第个中频样点起长度为的中频数据；

②以载波起始相位为0、伪码即时支路起始相位为载波频率为伪码频率为及伪码前后相关器码片间距为D_i生成对应的第i颗GNSS卫星的本地信号，并与选取的中频数据进行相关得到伪码超前、即时和滞后的非相干积分值分别为E_i,P_i,L_i；

③由伪码鉴相器得到

所述的预设周期按如下方式确定：

①在INS辅助下非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号时，记第k-m+1至k次采集的GNSS信号中频数据段第一个中频样点处的时间分别为基于对第k-m+1至k次采集的GNSS信号中频数据进行跟踪得到的GNSS伪码相位辅助误差估算对应的INS位置误差分别为ΔR_k-m+1,ΔR_k-m+2,…,ΔR_k，其中：

G_j为对应于第j次采集与跟踪GNSS卫星信号的GNSS卫星几何矩阵，W_j为对应于第j次采集与跟踪GNSS卫星信号的最小二乘加权矩阵，为第j次采集与跟踪GNSS卫星信号得到的GNSS伪码相位辅助误差列阵；

②对和ΔR_k-m+1,ΔR_k-m+2,…,ΔR_k进行二次曲线拟合得到拟合曲线的系数a₀,a₁,a₂；

③则在INS辅助下第k+1次采集的GNSS信号中频数据段第一个中频样点处的时间由公式确定，其中：β＜1为一系数；即第k+1次采集与跟踪GNSS卫星信号的起始时间与第k次采集与跟踪GNSS卫星信号的起始时间相隔的时间为

所述的以GNSS辅助测量值为观测量进行GNSS/INS深组合导航滤波和反馈校正是指：

①以GNSS伪码相位辅助误差为观测量进行GNSS/INS深组合导航滤波，得到INS的位置误差估计值、速度误差估计值、姿态误差估计值，以及IMU角速率和比力测量偏差估计值、设备时钟钟差和钟漂残差估计值；

②利用滤波得到的误差估计值对INS位置对INS的位置、速度、姿态，及IMU输出和设备时钟进行修正。

特别地，当INS导航结果辅助跟踪GNSS信号出现连续失败时，则重新在INS不辅助情况下对GNSS信号进行连续采集与跟踪；在得到GNSS星历和定位解时初始化INS，并通过INS辅助非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号，实现GNSS/INS深组合导航。

技术效果

与现有技术相比，本发明利用INS导航结果估算GNSS信号的伪码相位和载波多普勒频率，对GNSS信号进行非连续地采集和跟踪；在GNSS信号采集和跟踪时段内对INS与GNSS进行深组合导航滤波，以修正INS导航结果、IMU测量输出和设备时钟的误差；在GNSS信号采集和跟踪间隔期间，设备的导航结果由INS基于IMU测量输出推算得到；因此，该方法所需运算量小，耗电量低，能在运算能力和电池容量比较有限的精巧设备中实现长时间的连续导航定位。

附图说明

图1为本发明GNSS/INS深组合导航示意图；

图2为实施例导航过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本实施例中的一种实现基于GNSS信号非连续跟踪的GNSS/INS深组合导航的系统，包括：INS导航模块、GNSS导航模块、组合导航模块，其中：INS导航模块接收GNSS导航模块的初始化信息，分别输出INS导航结果至GNSS导航模块和组合导航模块并接收组合导航模块的输入信息修正INS导航结果和IMU输出；GNSS导航模块接收INS导航模块的导航结果辅助信息，在INS不辅助或辅助下通过GNSS天线采集GNSS卫星信号，并对其进行跟踪后分别将定位结果输出至INS导航模块，将跟踪测量结果输出至组合导航模块；组合导航模块根据INS导航模块和GNSS导航模块的数据进行深组合导航滤波，并将滤波得到的误差估计值输出至INS导航模块并修正设备时钟。

所述的INS导航模块包括：IMU传感器和INS计算单元。

所述的IMU传感器包含陀螺仪和加速度计，采集设备的角速率信息和比力信息。

所述的INS计算单元基于IMU的测量信息进行捷联惯性导航计算。

所述的GNSS导航模块包括：载波NCO单元、伪码NCO单元、伪码剥离单元、载波剥离单元和预处理单元，其中：载波NCO单元在INS不辅助时根据预处理单元输入信息计算GNSS信号载波频率；在INS辅助时根据INS导航结果计算GNSS信号载波频率；与载波剥离单元相连并输出本地生成的GNSS载波信号数据；伪码NCO单元在INS不辅助时根据预处理单元输入信息和载波NCO单元计算得到的GNSS信号载波频率计算GNSS信号伪码频率；在INS辅助时根据INS导航结果计算GNSS信号伪码起始相位及根据载波NCO单元计算得到的GNSS信号载波频率计算GNSS信号伪码频率；与伪码剥离单元相连并输出生成的本地GNSS伪码信号数据；预处理单元接收载波剥离单元输入的非相干积分值，进行伪码鉴相、载波鉴相、电文解码、定位计算。

如图2所示，本实施例涉及上述系统的基于GNSS信号非连续跟踪的深组合导航方法，包括以下步骤：

1)在INS不辅助情况下GNSS导航模块连续地采集与跟踪N颗GNSS卫星信号得到GNSS星历，并通过GNSS定位得到设备的位置、速度、姿态、设备时钟时间和钟漂信息；

2)用GNSS定位得到设备的位置、速度和姿态对INS进行初始化；

3)基于IMU采集得到的设备角速率信息和比力信息，INS导航模块通过捷联INS导航算法得到INS导航的位置[X_ins,Y_ins,Z_ins]、速度和姿态；

4)利用INS导航的位置、速度、设备时钟钟漂修正后的设备时钟时间GNSS星历、GNSS对流层延迟校正模型等，估算GNSS信号的伪码相位和载波多普勒频率，对GNSS信号进行非连续地采集与跟踪。在INS辅助下非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号时，每隔一预设周期对GNSS信号进行采集与跟踪，每次采集的GNSS信号中频数据段的长度其中：L^code为GNSS信号一个伪码周期的码片数，为GNSS信号伪码码率，n_i为跟踪第i颗GNSS卫星信号时的相关积分时长对应的GNSS信号伪码周期数，f_s ^IF为GNSS信号中频频率，为INS辅助估算得到的第i颗GNSS卫星信号在采集的GNSS信号中频数据段起始(第一个)中频样点处的伪码相位值，为第i颗GNSS卫星信号的伪码多普勒频率估算值，f_car为GNSS信号载波频率，为INS辅助估算得到的第i颗GNSS卫星信号的载波多普勒频率。按公式计算，其中：为第i颗GNSS卫星的位置，δt_s为GNSS卫星钟差，_c为光速，为GNSS电离层延迟校正模型估算得到的电离层延迟，为对流层延迟校正模型估算得到的对流层延迟；按公式计算，其中：为第i颗GNSS卫星的速度，为GNSS卫星钟漂；

5)计算在INS辅助下非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号时的伪码相位辅助误差其计算方法为：①在每隔一预设周期采集的GNSS信号中频数据段中选取第个中频样点起长度为

的中频数据；②以载波起始相位为0、伪码即时支路起始相位为载波频率为伪码频率为及伪码前后相关器码片间距为D_i生成对应的第i颗GNSS卫星的本地信号，并与选取的中频数据进行相关得到伪码超前、即时和滞后的非相干积分值分别为E_i,P_i,L_i；③由伪码鉴相器得到

6)以GNSS辅助测量值为观测量进行GNSS/INS深组合导航滤波和反馈校正，方式为：①以GNSS伪码相位辅助误差为观测量进行GNSS/INS深组合导航滤波，得到INS的位置误差估计值、速度误差估计值、姿态误差估计值，以及IMU角速率和比力测量偏差估计值、设备时钟钟差和钟漂残差估计值；②利用滤波得到的误差估计值对INS位置对INS的位置、速度、姿态，及IMU输出和设备时钟进行修正。在GNSS信号跟踪间隔期间，设备的导航结果由INS基于IMU采集得到的设备角速率信息和比力信息连续推算得到；

7)根据在INS辅助下非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号时得到的伪码相位辅助误差确定预设周期，按如下方式确定：①在INS辅助下非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号时，记第k-m+1至k次采集的GNSS信号中频数据段第一个中频样点处的时间分别为基于对第k-m+1至k次采集的GNSS信号中频数据进行跟踪得到的GNSS伪码相位辅助误差估算对应的INS位置误差分别为ΔR_k-m+1,ΔR_k-m+2,…,ΔR_k，其中：G_j为对应于第j次采集与跟踪GNSS卫星信号的GNSS卫星几何矩阵，W_j为对应于第j次采集与跟踪GNSS卫星信号的最小二乘加权矩阵，为第j次采集与跟踪GNSS卫星信号得到的GNSS伪码相位辅助误差列阵；②对和ΔR_k-m+1,ΔR_k-m+2,…,ΔR_k进行二次曲线拟合得到拟合曲线的系数a₀,a₁,a₂；③则在INS辅助下第k+1次采集的GNSS信号中频数据段第一个中频样点处的时间确定，其中：β＜1为一系数；即第k+1次采集与跟踪GNSS卫星信号的起始时间与第k次采集与跟踪GNSS卫星信号的起始时间相隔的时间为

8)再利用修正后的INS导航的位置、速度、GNSS星历、设备时钟时间和钟漂信息等，估算GNSS信号的伪码相位和载波多普勒频率，对GNSS信号进行非连续地采集与跟踪；

9)当INS导航结果辅助跟踪GNSS信号出现连续失败时，则重新在INS不辅助情况下对GNSS信号进行连续采集与跟踪；在得到GNSS星历和定位解时初始化INS，并通过INS辅助非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号，实现GNSS/INS深组合导航。

上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (10)

1.一种GNSS/INS深组合导航方法，其特征在于，首先通过GNSS天线INS不辅助下连续地采集与跟踪GNSS卫星信号得到GNSS星历和定位解并对INS初始化；然后基于IMU采集得到的设备角速率信息和比力信息，通过捷联INS导航算法得到INS导航的位置、速度和姿态；再在INS辅助下非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号得到GNSS辅助测量值并以GNSS辅助测量值为观测量进行GNSS/INS深组合导航滤波和反馈校正；

所述的GNSS星历和定位解包括：在INS不辅助情况下连续地采集与跟踪GNSS卫星信号得到GNSS星历，并通过GNSS定位得到设备的位置、速度、姿态、设备时钟时间和钟漂信息；

所述的INS辅助包括：INS辅助估算GNSS信号的伪码相位和载波多普勒频率。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号是指：每隔一预设周期对GNSS信号进行采集与跟踪，每次采集的GNSS信号中频数据段的长度其中：L^code为GNSS信号一个伪码周期的码片数，为GNSS信号伪码码率，n_i为跟踪第i颗GNSS卫星信号时的相关积分时长对应的GNSS信号伪码周期数，f_s ^IF为GNSS信号中频频率，为INS辅助估算得到的第i颗GNSS卫星信号在采集的GNSS信号中频数据段起始(第一个)中频样点处的伪码相位值，为第i颗GNSS卫星信号的伪码多普勒频率估算值，f_car为GNSS信号载波频率，为INS辅助估算得到的第i颗GNSS卫星信号的载波多普勒频率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的INS辅助估算GNSS信号的伪码相位，根据INS得到的设备位置[X_ins，Y_ins，Z_ins]、GNSS星历、修正后的设备时钟时间GNSS对流层延迟校正模型估算得到的第i颗GNSS卫星信号的伪码相位其中：为第i颗GNSS卫星的位置，δ_s为GNSS卫星钟差，c为光速，为GNSS电离层延迟校正模型估算得到的电离层延迟，为对流层延迟校正模型估算得到的对流层延迟；

所述的INS辅助估算GNSS信号的载波多普勒频率，根据INS得到的设备位置[X_ins，Y_ins，Z_ins]和速度GNSS星历、设备时钟钟漂估算得到的第i颗GNSS卫星信号的载波多普勒频率为：

其中：为第i颗GNSS卫星的速度，为GNSS卫星钟漂。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的GNSS辅助测量值是指：对每隔一预设周期采集的GNSS信号中频数据段进行跟踪得到的GNSS伪码相位辅助误差其中：N为GNSS卫星个数，为对应于第i颗GNSS卫星的伪码相位辅助误差。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征是，所述的GNSS伪码相位辅助误差的计算方法为：

①在每隔一预设周期采集的GNSS信号中频数据段中选取第个中频样点起长度为的中频数据；

②以载波起始相位为0、伪码即时支路起始相位为载波频率为伪码频率为及伪码前后相关器码片间距为D_i生成对应的第i颗GNSS卫星的本地信号，并与选取的中频数据进行相关得到伪码超前、即时和滞后的非相干积分值分别为E_i，P_i，L_i；

③由伪码鉴相器得到

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的预设周期按如下方式确定：

①在INS辅助下非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号时，记第k-m+1至k次采集的GNSS信号中频数据段第一个中频样点处的时间分别为基于对第k-m+1至k次采集的GNSS信号中频数据进行跟踪得到的GNSS伪码相位辅助误差估算对应的INS位置误差分别为ΔR_k-m+1，ΔR_k-m+2，…，ΔR_k，其中：

G_j为对应于第j次采集与跟踪GNSS卫星信号的GNSS卫星几何矩阵，W_j为对应于第j次采集与跟踪GNSS卫星信号的最小二乘加权矩阵，为第j次采集与跟踪GNSS卫星信号得到的GNSS伪码相位辅助误差列阵；

②对和ΔR_k-m+1，ΔR_k-m+2，…，ΔR_k进行二次曲线拟合得到拟合曲线的系数a₀，a₁，a₂；

③则在INS辅助下第k+1次采集的GNSS信号中频数据段第一个中频样点处的时间由公式确定，其中：β＜1为一系数；即第k+1次采集与跟踪GNSS卫星信号的起始时间与第k次采集与跟踪GNSS卫星信号的起始时间相隔的时间为

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是，所述的以GNSS辅助测量值为观测量进行GNSS/INS深组合导航滤波和反馈校正是指：

①以GNSS伪码相位辅助误差为观测量进行GNSS/INS深组合导航滤波，得到INS的位置误差估计值、速度误差估计值、姿态误差估计值，以及IMU角速率和比力测量偏差估计值、设备时钟钟差和钟漂残差估计值；

②利用滤波得到的误差估计值对INS位置对INS的位置、速度、姿态，及IMU输出和设备时钟进行修正。

8.根据权利要求1或7所述的方法，其特征是，当INS导航结果辅助跟踪GNSS信号出现连续失败时，则重新在INS不辅助情况下对GNSS信号进行连续采集与跟踪；在得到GNSS星历和定位解时初始化INS，并通过INS辅助非连续地采集和跟踪GNSS卫星信号，实现GNSS/INS深组合导航。

9.一种实现上述任一权利要求所述方法的系统，其特征在于，包括：INS导航模块、GNSS导航模块、组合导航模块，其中：INS导航模块接收GNSS导航模块的初始化信息，分别输出INS导航结果至GNSS导航模块和组合导航模块并接收组合导航模块的输入信息修正INS导航结果和IMU输出；GNSS导航模块接收INS导航模块的导航结果辅助信息，在INS不辅助或辅助下通过GNSS天线采集GNSS卫星信号，并对其进行跟踪后分别将定位结果输出至INS导航模块，将跟踪测量结果输出至组合导航模块；组合导航模块根据INS导航模块和GNSS导航模块的数据进行深组合导航滤波，并将滤波得到的误差估计值输出至INS导航模块并修正设备时钟。

10.根据权利要求9所述的系统，其特征是，所述的GNSS导航模块包括：载波NCO单元、伪码NCO单元、伪码剥离单元、载波剥离单元和预处理单元，其中：载波NCO单元在INS不辅助时根据预处理单元输入信息计算GNSS信号载波频率；在INS辅助时根据INS导航结果计算GNSS信号载波频率；与载波剥离单元相连并输出本地生成的GNSS载波信号数据；伪码NCO单元在INS不辅助时根据预处理单元输入信息和载波NCO单元计算得到的GNSS信号载波频率计算GNSS信号伪码频率；在INS辅助时根据INS导航结果计算GNSS信号伪码起始相位及根据载波NCO单元计算得到的GNSS信号载波频率计算GNSS信号伪码频率；与伪码剥离单元相连并输出生成的本地GNSS伪码信号数据；预处理单元接收载波剥离单元输入的非相干积分值，进行伪码鉴相、载波鉴相、电文解码、定位计算。