CN111190208A - 一种基于rtk的gnss/ins紧组合导航解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及组合导航技术，其公开了一种基于RTK的GNSS/INS紧组合导航解算方法，减少计算量和对资源的消耗需求，在相同资源下，提高解算效率。包括：计算各个卫星的初始载波观测量的模糊度N1，N2，...，Nm，将其作为已知值带入解算模型；通过滤波器估计GNSS'中的GNSS'other部分，完成对导航输出位姿信息的解算；若下一周期卫星载波观测量与本周期相同，则保持当前解算模型，进入下一周期解算；若某卫星在下一周期不参与解算，则去除解算模型中下一周期不参与解算的卫星的载波观测量数据，进入下一周期解算；若在下一周期有新的卫星参与解算，则采用已知卫星载波观测量估算新的卫星的观测量模糊度，带入解算模型，进入下一周期解算。

Description

一种基于RTK的GNSS/INS紧组合导航解算方法

技术领域

本发明涉及组合导航技术，具体涉及一种基于RTK的GNSS/INS紧组合导航解算方法。

背景技术

惯性导航(INS)具有很多优点：连续工作，硬件故障率低、输出频率高。它既能提供有效的姿态，角速率和加速度测量，又能输出位置和速度，而且不易被干扰，对外无辐射。然而，由于惯性仪表误差通过导航方程被不断的积分，因此惯性导航解算的精度随时间下降。

全球导航卫星系统(GNSS)可以提供长时间误差稳定的高精度位置输出。但与INS相比，其输出频率低，且标准的GNSS设备不能测量姿态。GNSS信号会被遮挡或干扰，因此不能依赖GNSS来提供连续导航参数。当前高精度的GNSS定位一般采用的是RTK技术，也就是基于载波相位观测值的实时动态定位技术，它能够实时地提供测站点在指定坐标系中的三维定位结果，并达到厘米级精度。

可以看出，INS和GNSS的优缺点是互补的，因此可以将二者组合在一起，结合两种技术的优势，以提供连续，高带宽，长时和短时的高精度，完整的导航参数。在INS/GNSS或GNSS/INS组合导航系统中，GNSS测量抑制了惯性导航的漂移，而INS对GNSS导航结果进行了平滑并弥补了其信号的中断。

INS/GNSS组合导航需要对INS和GNSS系统各个误差值进行估计，然后校正，从而得到更加精确的结果。位姿输出信息概括的表示如式1所示：

其中x，y，z，roll，pitch，heading是用户导航输出位姿信息，Gyro＇和Acc′是对惯性器件相关的误差估计，GNSS′是对GNSS相关的各观测量的误差估计。

常规的基于RTK的GNSS/INS组合导航技术中，对系统状态向量中的GNSS'分量通常包括载波相位的模糊度值。因此，其模型可以表述为：

可以看出，式1中的GNSS'在式2中被分为“N1、N2、...、Nm”和“GNSS'other”两部分。前者为各个卫星对应的载波相位模糊度，后者为其他的需要求解的值。

从模型可以看出，解算需要的计算量和耗费的资源是随着每个周期参与解算的卫星个数增大而呈现出几何倍的增长的。特别的，当前GNSS包括GPS、北斗、伽利略、格罗拉斯等全球范围内不同的卫星导航系统时候，参与解算的卫星个数通常是很多的。这样对于解算的计算量十分巨大，解算资源需求大，耗费时间长。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种基于RTK的GNSS/INS紧组合导航解算方法，减少计算量和对资源的消耗需求，在相同资源下，提高解算效率。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：

一种基于RTK的GNSS/INS紧组合导航解算方法，包括以下步骤：

a.计算各个卫星的初始载波观测量的模糊度N1，N2，...，Nm；

b.将N1，N2，...，Nm作为已知值带入解算模型；

c.通过滤波器估计GNSS′中的GNSS′other部分，完成对导航输出位姿信息的解算；

d.判断下一周期卫星载波观测量是否与本周期相同，若是，则保持当前解算模型，返回步骤c，进入下一周期解算；否则，进入步骤e；

e.若某卫星在下一周期不参与解算，则去除解算模型中下一周期不参与解算的卫星的载波观测量数据，返回步骤c进入下一周期解算；若在下一周期有新的卫星参与解算，则采用已知卫星载波观测量估算新的卫星的观测量模糊度，带入解算模型，返回步骤c进入下一周期解算。

作为进一步优化，步骤a中，通过RTK技术的Lamda算法计算各个卫星的初始载波观测量的模糊度N1，N2，…，Nm，m表示卫星的编号。

作为进一步优化，步骤b中，所述解算模型为：

式中，x，y，z，roll，pitch，heading是用户导航输出位姿信息，Gyro＇和Acc′是对惯性器件相关的误差估计，GNSS′other为GNSS相关的观测量误差估计GNSS′中除初始载波观测量的模糊度之外的部分。

本发明的有益效果是：

(1)采用新的解算模型将卫星观测量的整周模糊度作为滤波器的已知数进行估算，因此，对于同样的滤波器，相比传统解算模型中将卫星观测量的整周模糊度作为未知数进行解算，需求计算量更小，相应对资源的消耗也更小；

(2)解算模型每次根据卫星个数进行自适应更新：在卫星增多的时候方程组中方程式增加；在卫星少的时候方程组中方程式减少，从而减少了模型的解算维度，提高效率；

(3)只有在最初的时候进行了一次Lamda搜索卫星观测量的模糊度，其余时刻均在初始模糊度的基础上进行估算可得到新的卫星的模糊度，节约了时间，提高解算效率。

附图说明

图1为本发明中的组合导航解算方法流程图。

具体实施方式

本发明旨在提出一种基于RTK的GNSS/INS紧组合导航解算方法，减少计算量和对资源的消耗需求，在相同资源下，提高解算效率。其核心思想是：通过RTK的Lamda算法搜索初始各个卫星的观测量模糊度，并将其作为滤波器的已知数参与解算模型的解算，且保持解算模型的自适应更新。

在具体实现上，本发明中的基于RTK的GNSS/INS紧组合导航解算方法流程如图1所示，其包括以下步骤：

1.计算各个卫星的初始载波观测量的模糊度N1，N2，...，Nm；

本步骤中，通过RTK技术的Lamda算法计算各个卫星的初始载波观测量的模糊度N1，N2，...，Nm，m表示卫星的编号。

2.将N1，N2，...，Nm作为已知值带入解算模型，解算模型如式3所示：

3.通过滤波器估计GNSS'中的GNSS'other部分，完成对导航输出位姿信息(x、y、z、roll、pitch、heading等值)的解算；

4.判断下一周期卫星载波观测量是否与本周期相同，若是，则保持当前解算模型，返回步骤3，进入下一周期解算；否则，进入步骤5；

本步骤中，若下一周期卫星载波观测量未发生变化，则说明参与解算的卫星并未发生变化，则不改变解算模型，进入下一周期的解算过程；若下一周期卫星载波观测量未发生变化，说明有可能出现新增参与解算的卫星，或者有本周期参与解算的卫星在下一周期不参与解算。

5.若某卫星在下一周期不参与解算，则去除解算模型中下一周期不参与解算的卫星的载波观测量数据，返回步骤3进入下一周期解算；若在下一周期有新的卫星参与解算，则采用已知卫星载波观测量估算新的卫星的观测量模糊度，带入解算模型，返回步骤3进入下一周期解算。

本步骤中，对于有某颗或某些卫星在下周期不参与解算的情况，则在解算模型中将相应卫星的观测量方程去掉，减少模型维度。对于有新卫星在下周去加入解算的情况，则采用已知卫星的观测量来估算新卫星的初始模糊度。

将本发明的上述式3的解算模型与传统技术中式2的解算模型比较可以看出，本发明把整周模糊度作为滤波器的已知数进行估算。也就是说，同样的滤波器，本发明比传统的方法需要估算的值少了M个(M为对应周期的卫星个数)。此外，解算模型每次根据卫星个数进行自适应更新，在卫星多的时候方程组中方程式增加；在卫星少的时候方程组中方程式减少；只有在最初的时候进行了一次Lamda搜索卫星观测量的模糊度，其余时刻均在初始模糊度的基础上进行一次除法运算即可得到新的卫星的模糊度。所以，整体解算大大减少了计算量。

Claims (3)

1.一种基于RTK的GNSS/INS紧组合导航解算方法，其特征在于，

包括以下步骤：

a.计算各个卫星的初始载波观测量的模糊度N1，N2，...，Nm；

b.将N1，N2，...，Nm作为已知值带入解算模型；

c.通过滤波器估计GNSS'中的GNSS'other部分，完成对导航输出位姿信息的解算；

d.判断下一周期卫星载波观测量是否与本周期相同，若是，则保持当前解算模型，返回步骤c，进入下一周期解算；否则，进入步骤e；

e.若某卫星在下一周期不参与解算，则去除解算模型中下一周期不参与解算的卫星的载波观测量数据，返回步骤c进入下一周期解算；若在下一周期有新的卫星参与解算，则采用已知卫星载波观测量估算新的卫星的观测量模糊度，带入解算模型，返回步骤c进入下一周期解算。

2.如权利要求1所述的一种基于RTK的GNSS/INS紧组合导航解算方法，其特征在于，

步骤a中，通过RTK技术的Lamda算法计算各个卫星的初始载波观测量的模糊度N1，N2，...，Nm，m表示卫星的编号。

3.如权利要求1或2所述的一种基于RTK的GNSS/INS紧组合导航解算方法，其特征在于，

步骤b中，所述解算模型为：

式中，x，y，z，roll，pitch，heading是用户导航输出位姿信息，Gyro′和Acc′是对惯性器件相关的误差估计，GNSS'other为GNSS相关的观测量误差估计GNSS′中除初始载波观测量的模糊度之外的部分。

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