CN114966792A - Gnss rtk与ins紧组合定位导航方法、装置和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法、装置和系统。其中，该方法包括：采用多频多系统RTK，选择参考卫星并进行双差处理，以得到双差观测值；根据惯性测量单元IMU的测量值计算预测的双差距离；根据双差观测值、模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数以及预测的双差距离对卡尔曼滤波器进行更新，以得到移动端当前的定位导航信息。本发明通过将电离层参数和对流层参数引入到紧组合卡尔曼滤波状态量中，能够剔除长基线或电离层活跃时电离层及对流层对RTK的影响，提高模糊度固定率。

Description

GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法、装置和系统
技术领域
本发明实施例涉及导航定位技术领域，尤其涉及一种长基线或电离层活跃时GNSSRTK与INS紧组合定位导航方法、装置和系统。
背景技术
实时动态定位（RTK，Real - time kinematic）技术是一种基于全球导航卫星系统（GNSS，Global Navigation Satellite System）的高精度定位技术，可以在室外区域提供厘米级导航定位服务。模糊度解算是GNSS定位算法中最大的难点之一。而RTK定位算法使用了双差运算，能够有效消除大气延迟、钟差等误差，从而具备快速固定模糊度的优势，成为了当今工业界应用最广的GNSS定位技术。在电离层扰动不严重的开阔条件下，RTK可以在短基线测量任务中实现快速甚至瞬时模糊度固定。随着RTK定位算法的不断成熟，硬件模块的小型化，这项技术越来越广地被应用于自动驾驶、无人机等新兴领域中。
由于GNSS在城市地区和其他遮挡环境中面临信号传播受阻和多径等问题，惯性导航系统（INS，Inertial Navigation System）被常用于辅助它。GNSS/INS组合导航系统是一种典型的组合导航系统，包括松耦合、紧耦合和超紧耦合（或深耦合）的组合导航系统，在学术界已经被研究了数十年，近年来在工业界也开始被广泛使用。对于RTK/INS组合导航系统，目前使用较多的是松组合，而紧组合的模型也通常只适用于短基线和电离层不活跃的场景。
对于长基线和电离层活跃的情形，RTK中使用的双差观测值并不能有效消除电离层和对流层引起的延迟（尤其是电离层），需要额外解算这些延迟量，才能获得高精度的固定解。在不借助其他传感器辅助的情况下，可以使用无电离层组合或弱电离层组合等方式来消除或减弱电离层的影响，也可以在扩展卡尔曼滤波（EKF，Inertial NavigationSystem）中估计电离层延迟。无电离层组合可以彻底消除电离层延迟中的低阶项，但是破坏了模糊度的整数特性，后续还需要解算宽巷、窄巷模糊度，算法繁琐且固定难度大；弱电离层组合虽然计算复杂度小，但是需要五频观测值，在普通的RTK应用中难以实现；而如果单纯使用RTK估计电离层延迟，则有可能因为卫星数量不足而导致秩亏问题，而且难以发现其中的粗差。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法、装置和系统，通过将电离层和对流层参数引入到紧组合卡尔曼滤波状态量中，用于剔除长基线或电离层活跃时电离层及对流层对RTK的影响，提高模糊度固定率。
第一方面，本发明实施例提供一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法，包括：
S1、采用多频多系统RTK，选择参考卫星并进行双差处理，以得到双差观测值；
S2、根据惯性测量单元IMU的测量值计算预测的双差距离；
S3、根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数以及预测的双差距离对卡尔曼滤波器进行更新，以得到移动端当前的定位导航信息。
可选的，所述S1包括：
S11、采用多频多系统RTK，选择参考星，将载波相位和伪距观测值进行双差处理以得到双差观测值；
S12、根据广播星历计算出每一颗卫星的当前时刻位置。
可选的，所述S2包括：
S21：根据加速度计和陀螺仪的测量值，计算INS移动端的定位导航信息；
S22：根据INS推算的移动站接收机位置、基站位置、IMU到GNSS天线的三维位置矢量以及卫星的当前时刻位置，计算预测的双差距离。
可选的，所述S3包括：
S31：根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数，以及预测的双差距离，计算出新息并更新卡尔曼滤波器；
S32：对卡尔曼滤波器估计的模糊度参数进行固定，以得到固定的模糊度；
S33：根据固定的模糊度、双差观测值、电离层延迟参数和对流层延迟参数，更新移动端的位置；
S34：确定移动端当前的定位导航信息。
可选的，新息为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 264510DEST_PATH_IMAGE002
为预测的双差距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE003
为浮点双差模糊度向量，
Figure 969161DEST_PATH_IMAGE004
为电离层延迟参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为对流层延迟参数，
Figure 25848DEST_PATH_IMAGE006
为双差伪距 ，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为双差载波相位，
Figure 524962DEST_PATH_IMAGE008
为载波的波长。
第二方面，本发明实施例提供一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航装置，包括：
双差观测模块，用于采用多频多系统RTK，选择参考卫星并进行双差处理，以得到双差观测值；
预测的双差距离计算模块，用于根据惯性测量单元IMU的测量值计算预测的双差距离；
定位导航模块，用于根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数以及预测的双差距离对卡尔曼滤波器进行更新，以得到移动端当前的定位导航信息。
可选的，所述双差观测模块具体用于执行：
S11、采用多频多系统RTK，选择参考星，将载波相位和伪距观测值进行双差处理以得到双差观测值；
S12、根据广播星历计算出每一颗卫星的当前时刻位置。
可选的，所述预测的双差距离计算模块具体用于执行：
S21：根据加速度计和陀螺仪的测量值，计算INS移动端的定位导航信息；
S22：根据INS推算的移动站接收机位置、基站位置、IMU到GNSS天线的三维位置矢量以及卫星的当前时刻位置，计算预测的双差距离。
可选的，所述定位导航模块具体用于执行：
S31：根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数，以及预测的双差距离，计算出新息并更新卡尔曼滤波器；
S32：对卡尔曼滤波器估计的模糊度参数进行固定，以得到固定的模糊度；
S33：根据固定的模糊度、双差观测值、电离层延迟参数和对流层延迟参数，更新移动端的位置；
S34：确定移动端当前的定位导航信息。
第三方面，本发明实施例还提供了一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航系统，包括设置有移动站和基站的RTK模块、设置有加速度计和陀螺仪的INS模块，以及包含EKF的组合导航模块，所述系统用于执行上述实施例中任一项所述的GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法，并配置有上述实施例中任一项所述的GNSS RTK与INS紧组合定位导航装置。
本发明通过将电离层和对流层参数引入到紧组合卡尔曼滤波状态量中，能够剔除长基线或电离层活跃时电离层及对流层对RTK的影响，提高模糊度固定率。
附图说明
图1本发明实施例提供的一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例
本发明提供了一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法，该方法适用于长基线或者电离层活跃时进行定位导航的情况。
本实施例中提供的定位导航系统包括RTK模块、INS模块以及组合导航模块；其中，RTK部分包括移动站和基站，移动站和基站分别设置有GNSS天线和接收机，用于获取观测值；INS部分为安装在移动端的惯性传感器（IMU，Inertial Measurement Unit），所述IMU包括加速度计和陀螺仪，加速度计用于测量移动端的三轴加速度或速度增量、陀螺仪用于测量移动端的三轴角速度或角度增量、IMU到GNSS天线的三维位置矢量。组合导航模块为EKF，包含了电离层和对流层参数，属于紧组合。
图1为本发明实施例提供的一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法流程图，具体的，该方法包括：
S1、采用多频多系统RTK，选择参考卫星并进行双差处理，以得到双差观测值。
具体的，上述S1包括以下步骤：
S11、采用多频多系统RTK，选择参考星，将载波相位和伪距观测值进行双差处理以得到双差观测值。
本实施例中，对于多频多系统RTK，在每一个共同观测卫星大于或等于2的频段均选择一颗参考星。参考星可以根据卫星的仰角、信噪比等观测条件来进行选择。
S12、根据广播星历计算出每一颗卫星的当前时刻位置。
S2、根据惯性测量单元IMU的测量值计算预测的双差距离。
具体的，上述S2包括以下步骤：
S21：根据加速度计和陀螺仪的测量值，计算INS移动端的定位导航信息。
其中，上述定位导航信息包括移动端位置、速度和姿态，可以采用机械编排算法计算移动端的位置、速度和姿态。
S22：根据INS推算的移动站接收机位置、基站位置、IMU到GNSS天线的三维位置矢量以及卫星的当前时刻位置，计算预测的双差距离。
其中，根据惯导位置计算双差距离所用的公式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
（1）
其中，
Figure 152252DEST_PATH_IMAGE010
是b系下的杆臂，e i 和 e j 是卫星i, j与接收机之间在e系下的单位矢量，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
表示移动站天线位置、
Figure 880168DEST_PATH_IMAGE012
表示基站天线位置、
Figure DEST_PATH_IMAGE013
表示由n系到e系的转换矩阵、δr n 表示EKF状态量中的位置向量、
Figure 338831DEST_PATH_IMAGE014
表示b系到n系的转换矩阵。
S3、根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数以及预测的双差距离对卡尔曼滤波器进行更新，以得到移动端当前的定位导航信息。
进一步的，步骤S3具体包括：
S31：根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数，以及预测的双差距离，计算出新息并更新卡尔曼滤波器。
其中，新息为：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
（2）
其中，
Figure 789273DEST_PATH_IMAGE016
为预测的双差距离，
Figure 638280DEST_PATH_IMAGE003
为浮点双差模糊度向量，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为电离层延迟参数，具体的，
Figure 684734DEST_PATH_IMAGE017
为根据（3）式和EKF估计的TEC参数计算的双差电离层延迟参数，
Figure 201166DEST_PATH_IMAGE018
为对流层延迟参数，具体的，
Figure DEST_PATH_IMAGE019
为根据（4）式和EKF估计的对流层参数计算的双差对流层延迟参数，
Figure 792815DEST_PATH_IMAGE020
为双差伪距 ，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为双差载波相位,
Figure 129119DEST_PATH_IMAGE008
为载波的波长。
在此之中，需要根据EKF中解算的电离层和对流层参数确定每个链路的延迟量。对于电离层，采用模型：
Figure 448105DEST_PATH_IMAGE022
（3）
其中，TEC为天顶方向的总电子含量，f是载波频率，r是地球半径，E是仰角，h为大地高。
对流层通过以下公式确定：
T=m h Z h +m w Z w （4）
其中，m h 和m w 分别为干、湿分量的投影函数，可以通过常用的对流层投影函数模型VMF1或者GMF计算得到，而Z h 和Z w 分别为干、湿分量的天顶对流层延迟。
在EKF中，状态量为：
Figure DEST_PATH_IMAGE023
（5）
其中，δ为一个表示误差状态的符号，δr，δv和Ψ是位置、速度和姿态误差，b g 和b a 是陀螺和加速度计的零偏误差，s g 和s a 是陀螺和加速度计的比例因子，
Figure 819043DEST_PATH_IMAGE024
是TEC的误差，
Figure DEST_PATH_IMAGE025
是天顶对流层延迟干分量的误差，
Figure 900304DEST_PATH_IMAGE026
是天顶对流层延迟湿分量的误差，x是一个维度为(24+n)*1的向量，其中n为双差载波相位观测值的数量。在一些低动态的场景下也可以不考虑比例因子，仅使用(18+n)*1的向量即可。
本实施例中的EKF采用目前常用的预测和更新的步骤，在更新后，速度、姿态和零偏都反馈到惯性导航系统中。
S32：对卡尔曼滤波器估计的模糊度参数进行固定，以得到固定的模糊度。
示例性的，本实施例可以采用LAMBDA算法进行模糊度固定，该算法为模糊度固定的现有技术，故不再进行赘述。
S33：根据固定的模糊度、双差观测值、电离层延迟参数和对流层延迟参数，更新移动端的位置，更新的位置将同时反馈给惯性导航系统。
S34：确定移动端当前的定位导航信息。
本实施例中使用卡尔曼状态量更新定位导航信息中的速度和姿态，并使用模糊度固定后更新的位置信息输出最终定位导航结果。
本实施例中，通过将电离层和对流层参数引入到紧组合卡尔曼滤波状态量中，能够剔除长基线或电离层活跃时电离层及对流层对RTK的影响，提高模糊度固定率。
进一步的，本发明实施例还提供一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航装置，包括：
双差观测模块，用于采用多频多系统RTK，选择参考卫星并进行双差处理，以得到双差观测值；
预测的双差距离计算模块，用于根据惯性测量单元IMU的测量值计算预测的双差距离；
定位导航模块，用于根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数以及预测的双差距离对卡尔曼滤波器进行更新，以得到移动端当前的定位导航信息。
其中，所述双差观测模块具体用于执行：
S11、采用多频多系统RTK，选择参考星，将载波相位和伪距观测值进行双差处理以得到双差观测值；
S12、根据广播星历计算出每一颗卫星的当前时刻位置。
所述预测的双差距离计算模块具体用于执行：
S21：根据加速度计和陀螺仪的测量值，计算INS移动端的定位导航信息；
S22：根据INS推算的移动站接收机位置、基站位置、IMU到GNSS天线的三维位置矢量以及卫星的当前时刻位置，计算预测的双差距离。
所述定位导航模块具体用于执行：
S31：根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数，以及预测的双差距离，计算出新息并更新卡尔曼滤波器；
S32：对卡尔曼滤波器估计的模糊度参数进行固定，以得到固定的模糊度；
S33：根据固定的模糊度、双差观测值、电离层延迟参数和对流层延迟参数，更新移动端的位置；
S34：确定移动端当前的定位导航信息。
其中，在S31中，新息为：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
其中，
Figure 520641DEST_PATH_IMAGE028
为预测的双差距离，
Figure 394051DEST_PATH_IMAGE029
为浮点双差模糊度向量，
Figure 353916DEST_PATH_IMAGE030
为电离层延迟参数，
Figure 271057DEST_PATH_IMAGE031
为对流层延迟参数，
Figure 581952DEST_PATH_IMAGE032
为双差伪距 ，
Figure 242741DEST_PATH_IMAGE033
为双差载波相位,
Figure 57113DEST_PATH_IMAGE008
为载波的波长。
本发明实施例所提供的一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航装置可执行本发明任意实施例所提供的GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果，不再进行赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法，其特征在于，包括：
S1、采用多频多系统RTK，选择参考卫星并进行双差处理，以得到双差观测值；
S2、根据惯性测量单元IMU的测量值计算预测的双差距离；
S3、根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数以及预测的双差距离对卡尔曼滤波器进行更新，以得到移动端当前的定位导航信息。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S1包括：
S11、采用多频多系统RTK，选择参考星，将载波相位和伪距观测值进行双差处理，以得到双差观测值；
S12、根据广播星历计算出每一颗卫星的当前时刻位置。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2包括：
S21：根据加速度计和陀螺仪的测量值，计算惯性导航系统INS移动端的定位导航信息；
S22：根据INS推算的移动站接收机位置、基站位置、IMU到GNSS天线的三维位置矢量以及卫星的当前时刻位置，计算预测的双差距离。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述S3包括：
S31：根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数，以及预测的双差距离，计算出新息并更新卡尔曼滤波器；
S32：对卡尔曼滤波器估计的模糊度参数进行固定，以得到固定的模糊度；
S33：根据固定的模糊度、双差观测值、电离层延迟参数和对流层延迟参数，更新移动端的位置；
S34：确定移动端当前的定位导航信息。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在S31中，新息为：
Figure 167122DEST_PATH_IMAGE001
其中，
Figure 264391DEST_PATH_IMAGE002
为预测的双差距离，
Figure 566060DEST_PATH_IMAGE003
为浮点双差模糊度向量，
Figure 707060DEST_PATH_IMAGE004
为电离层延迟参数，
Figure 359758DEST_PATH_IMAGE005
为对流层延迟参数，
Figure 729560DEST_PATH_IMAGE006
为双差伪距 ，
Figure 151314DEST_PATH_IMAGE007
为双差载波相位，
Figure 948368DEST_PATH_IMAGE008
为载波的波长。
6.一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航装置，其特征在于，包括：
双差观测模块，用于采用多频多系统RTK，选择参考卫星并进行双差处理，以得到双差观测值；
预测的双差距离计算模块，用于根据惯性测量单元IMU的测量值计算预测的双差距离；
定位导航模块，用于根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数以及预测的双差距离对卡尔曼滤波器进行更新，以得到移动端当前的定位导航信息。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述双差观测模块具体用于执行：
S11、采用多频多系统RTK，选择参考星，将载波相位和伪距观测值进行双差处理以得到双差观测值；
S12、根据广播星历计算出每一颗卫星的当前时刻位置。
8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预测的双差距离计算模块具体用于执行：
S21：根据加速度计和陀螺仪的测量值，计算惯性导航系统INS移动端的定位导航信息；
S22：根据INS推算的移动站接收机位置、基站位置、IMU到GNSS天线的三维位置矢量以及卫星的当前时刻位置，计算预测的双差距离。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述定位导航模块具体用于执行：
S31：根据双差观测值、浮点双差模糊度、电离层延迟参数、对流层延迟参数，以及预测的双差距离，计算出新息并更新卡尔曼滤波器；
S32：对卡尔曼滤波器估计的模糊度参数进行固定，以得到固定的模糊度；
S33：根据固定的模糊度、双差观测值、电离层延迟参数和对流层延迟参数，更新移动端的位置；
S34：确定移动端当前的定位导航信息。
10.一种GNSS RTK与INS紧组合定位导航系统，包括设置有移动站和基站的RTK模块、设置有加速度计和陀螺仪的INS模块，以及包含卡尔曼滤波器的组合导航模块，所述系统用于执行权利要求1-5中任一项所述的GNSS RTK与INS紧组合定位导航方法，并配置有权利要求6-9中任一项所述的GNSS RTK与INS紧组合定位导航装置。
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