一种SINS/GNSS深组合自适应导航方法与流程

本发明涉及组合导航技术领域，特别是一种相干模式自适应切换的sins/gnss深组合导航方法。

背景技术：

sins(捷联惯导系统，strap-downinertialnavigationsystem)/gnss(全球导航卫星系统，globalnavigationsatellitesystem)深组合导航系统，是一种新型的sins/gnss组合系统。目前国内外对各种sins/gnss组合导航方法的研究表明，相比于基于伪距、伪距率组合的紧组合导航方法和利用sins输出信息辅助gnss跟踪环路的超紧组合导航方法，sins/gnss深组合导航方法具有更高的鲁棒性、跟踪能力和导航精度。

深组合基于矢量跟踪方式，采用sins与gnss接收机信号相关器的输出进行数据融合。接收机内部不需要进行单独信号跟踪，信号跟踪在数据融合时统一进行。深组合可以充分利用gnss信号跟踪与导航状态解算之间的内在耦合关系，实现强信号通道对弱信号通道的辅助。矢量跟踪能降低信号的噪声，使之不易进入非线性区，从而提高接收机对弱信号的跟踪能力。当前有关sins/gnss深组合导航系统的论文和专利，都是针对单独采用相干模式或单独采用非相干模式的深组合导航方法进行研究。相干模式适用于载噪比理想情况，而在低载噪比的情况下不能实现很好的矢量跟踪；非相干模式适用于载噪比低的情况，但是两种工作模式之间缺少有效的方法实现工作模式切换，在卫星信号强度变化的条件下无法保障sins/gnss深组合导航系统的性能。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种实现系统相干模式和非相干模式自适应切换，鲁棒性更好，导航精度更优的sins/gnss深组合导航方法。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包含如下步骤：

步骤一.跟踪环路工作模式初始化，跟踪环路nco预测与控制信息初值设置为0；

步骤二.接收gnss输出的中频信号，依据中频信号包含的信号伪码选定信号解算通道，并将中频信号传输至伪码对应解算通道；

步骤三.在伪码对应解算通道中，利用自适应滞回控制器进行跟踪环路工作模式的自适应切换，并计算得到伪码对应解算通道的伪距残差和伪距率残差，具体包括以下子步骤：

(1)结合跟踪环路数字控制振荡器预测与控制信息，将gnss输出的中频信号通过混频器进行载波剥离，再通过相关器进行伪码相关和积分清除，得到六路相关器信号；

(2)通过窄带宽带功率比的方法，以预设周期计算并输出信号的c/n0值，并通过自适应滞回控制器对跟踪环路工作模式的自适应切换；

所述的利用自适应滞回控制器进行跟踪环路工作模式的自适应切换，切换的条件为：当信号的c/n0值低于下限阈值时，工作模式切换到非相干模式；当信号的c/n0值超过上限阈值时，工作模式切换回相干模式。

(3)估计载波相位残差、载波频率残差和码相位残差，再计算得到伪码对应通道的伪距残差和伪距率残差；

所述的估计载波相位残差、载波频率残差和码相位残差，其估计方法为：当工作模式为相干模式时，跟踪环路切换至从滤波器，由从滤波器估计得到载波相位残差、载波频率残差和码相位残差；当工作模式为非相干模式时，跟踪环路切换至鉴别器和通道滤波器，首先通过鉴别器，再由通道滤波器估计得到载波相位残差、载波频率残差和码相位残差。

步骤四.将伪码对应通道的伪距残差和伪距率残差输入导航滤波器，导航滤波器解算估计得到接收机位置误差、速度误差、时钟偏差和时钟漂移误差，并作为imu的补偿值；

导航滤波器的解算频率低于gnss输出的中频信号频率，单个导航滤波器解算周期内接收到多个伪码对应通道的伪距残差和伪距率残差。

步骤五.imu先进行误差补偿，再进行sins解算，实时得到sins导航信息；

步骤六.在各个解算通道中，更新跟踪参数，并计算跟踪环路nco的预测与控制信息；

利用sins位置信息更新从卫星到接收机的视向量，结合卫星星历估计卫星位置、速度，得到预测码和预测多普勒频率，通过数字控制振荡器得到伪码对应通道中跟踪环路nco的预测与控制信息；

步骤七.重复步骤二～步骤六，实时进行sins/gnss深组合自适应导航。

本发明所提出的方法具有以下优点：

1.本发明的方法依据卫星信号强度，自适应地控制系统通道工作在相干模式或非相干模式，提升了单个通道的伪距残差和伪距率残差计算精度，且自适应滞回控制器可有效避免开关延迟和频繁切换。

2.本发明方法中，导航滤波器的解算频率设置低于接收gnss信号频率，使系统单次导航解算具备处理多个通道的能力，进而使得系统整体工作在相关模式、非相干模式、非相干模式辅助相干模式三种模式下，系统的整体定位精度和鲁棒性得到提升。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明中解算通道结构示意图。

图3是本发明的自适应滞回控制器模式切换原理图。

图4是采用本发明方法与单独相干模式、单独非相干模式导航方法的性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法的实施进行进一步阐述。

本发明方法的实施流程，如图1所示。

1.首先将跟踪环路组合导航相干模式初始化，跟踪环路nco预测与控制信息初值设置为0。

2.接收gnss输出的中频信号，依据中频信号的信号伪码选定信号解算通道，并将中频信号传输至伪码对应解算通道。中频信号的伪码来自于伪码库，单次接收的中频信号中含有一个伪码。每个伪码配置对应的一个解算通道。解算通道结构，如图2所示。

3.在伪码对应解算通道中进行相关器信号计算。利用gnss输出的中频信号和跟踪环路nco预测与控制信息，经过混频器实现载波剥离，再通过相关器实现伪码相关和积分清除，得到六路相关器信号。六路相关器信号分别记为ie、qe、ip、qp、il、ql。其中，ie、ip和il分别为超前、即时和滞后的同相支路；qe、qp和ql分别为超前、即时和滞后的正交支路。

4.计算c/n0值，并通过自适应滞回控制器进行跟踪环路工作模式的自适应切换，并输出模式控制信息。通过窄带宽带功率比的方法，计算信号c/n0值。在预设周期内，计算c/n0值并周期性输出。然后，自适应滞回控制器根据与每个通道中的c/n0相关联的上限阈值和下限阈值来切换深组合模式。单个通道中，以相干模式和非相干模式两种模式工作，并根据信号c/n0值自适应地切换。本发明的自适应滞回控制器模式切换原理，如图2所示。

本发明中c/n0值计算通过窄带宽带功率比的方法实现。c/n0值计算表达式为

式中，c/n0表示c/n0值，m表示采用间隔数，τ为相干积分时间；μp表示k次迭代窄带功率均值，且有其中pnw为窄带宽带功率比，其计算表达式为

窄带功率计算表达式为：

宽带功率计算表达式为：

其中，ipi,qpi为相干积分结果。

此外，c/n0值标准差表达式为：

在低信噪比环境中，功率比方法在低噪声方面表现更好。在计算c/n0值之后，可以基于c/n0值设计环路模式的切换的条件。

正如c/n0值包含错误一样，用于决定是否切换回路模式的单个阈值，也可能导致在回路模式之间频繁切换。为了避免这种情况，本发明中提出了一种基于滞回比较电路的自适应滞环控制器。控制器的主要作用是在混合跟踪环路中，通过相干模式和非相干模式之间切换环路模式。

如图3所示，在控制器中存在上限阈值(k0)和下限阈值(k1)，它们都与c/n0相关联。根据相干模式的最佳工作范围，下限阈值由用户预设。基于c/n0值标准差自适应地确定阈值间隔。根据c/n0值的精度，阈值间隔可以被设置。在确定了下限阈值k1和阈值范围后，再确定更高的阈值k0。

通常各个通道中的跟踪环路初始化相干模式，控制方向设置为向下。当信号衰减，且c/n0值低于k1时，自适应滞回控制器将跟踪环路工作模式切换到非相干模式，直到信号再次增强并在c/n0值超过k0之前，保持系统模式不变。

5.估计载波相位残差、载波频率残差和码相位残差，再计算得到伪距残差和伪距率残差。在跟踪环路工作模式为相干模式时，跟踪环路切换到从滤波器，六路相关器信号被送入从滤波器，由从滤波器估计得到载波相位残差、载波频率残差和码相位残差。当工作模式切换为非相干模式时，跟踪环路切换至鉴别器和通道滤波器。ie，qe，il和ql相关器信号被传递到码相位鉴别器中，并且ip和qp相关器信号用于载波相位和频率鉴别器，再通过通道滤波器进行降噪，估计得到载波相位残差、载波频率残差和码相位残差。

伪距残差和伪距率残差，由载波频率残差和码相位残差结合载波波长和伪码波长计算得到。载波相位残差在跟踪环路做闭环控制。

6.导航滤波器解算。主导航滤波器采用扩展卡尔曼滤波器(extendedkalmanfilter，ekf)来实现通道之间的交互，并更新导航状态，包括：接收机位置、速度。在历元开始时通过伪距、伪距率公式的最小二乘法，获得接收机的初始导航状态。利用伪距残差和伪距率残差作为量测量，估计接收机的位置误差、速度误差、时钟偏差和时钟漂移误差，并作为惯性测量单元(inertialmessurementunit,imu)的补偿值。

7.先进行imu误差补偿，再进行sins解算，实时输出sins导航信息，包括位置、速度。

8.更新跟踪参数，并计算环路nco控制和预测信息。根据从步骤3导航状态(k时刻)的位置状态，更新从卫星到接收机的视线向量。通过预测的星历和导航状态(k+1时刻)在步骤3中获得的导航状态(k时刻)，利用预测码和载波频率(k+1时刻)同时估计环路nco控制和预测信息。

在每个积分和清除周期开始时，用多普勒频率预测加上载波的中频来初始化每个通道的载波nco。将估计的载波相位误差直接传递到载波nco，以校正深组合系统中矢量跟踪环路中的当前相位值。在主滤波器的每次测量更新之后，从滤波器和通道滤波器的状态变量(载波相位误差除外)设置为零。

9.通过重复步骤2～步骤8，实时进行sins/gnss深组合自适应导航。

通过试验对本发明设计的方法进行验证，本发明方法和传统的单独采用相干模式、单独采用非相干模式sins/gnss深组合导航系统的定位误差，如图4所示。

由图4可知，本发明方法相比于单独采用相干模式、单独采用非相干模式sins/gnss深组合导航方法，其位置误差和速度误差更小，在信号强度变化时导航性能稳定性更好，因此本发明方法具有更优的定位性能和鲁棒性。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。