一种低轨导航增强下进行GNSS/INS组合导航的方法和装置与流程

本发明涉及地面实时高精度定位技术领域，尤其是涉及一种低轨导航增强(leo-na，lowearthorbit-navigationaugment)下进行gnss/ins组合导航的方法和装置。

背景技术：

卫星导航系统和惯性导航系统均为当前广泛使用的导航系统，当前已经建成的全球卫星导航系统包括：美国gps系统、俄罗斯glonass系统、欧盟galileo系统、中国北斗系统。

卫星导航系统不是自主式定位，由于建筑物遮挡等原因容易发生信号中断等问题。另外由于存在电离层误差、对流层误差等各项误差，当前传统gnss系统(全球导航卫星系统)只能为用户提供5～10m的定位精度。

惯性导航系统，通过加速度计和陀螺等测量设备，能够连续提供位置、速度、姿态、航向等导航参数，短时精度高，输出连续，但是惯性导航系统具有固有缺陷：定位误差随时间积累，难以长时间独立工作，因此需要其他导航手段加以辅助。

当前有地基增强系统对gnss用户进行定位精度增强，通过建设地面基准站，用户采用差分rtk技术实现实时厘米级服务，但是地面基准站单站覆盖范围有限，且用户需通过uhf/vhf电台或者移动蜂窝网络与基准站进行信息交互，限制了用户使用。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航的方法与装置，融合卫星导航系统和惯性导航系统各自的优势，并利用低轨卫星增强实现卫星导航的实时厘米级高精度定位，解决了现有技术存在的问题。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航的方法，可以包括以下步骤：

步骤一：接收gnss信号，实现粗定位，根据粗定位结果进行初始化设置；

步骤二：接收leo增强信号，进行联合实时非差精密单点定位；

步骤三：根据卫星导航系统高精度定位结果与惯性导航系统结果，得到最优估计结果和反馈校正；

步骤四：当卫星导航信号失锁时，则进入惯性导航独立定位模式；

步骤五：当卫星导航信号重新锁定时，通过失锁时间和惯性导航系统设备精度推算当前定位精度；

步骤六：判断当前定位精度是否小于系统粗定位精度，并且在判断结果为小于时，则使用当前定位结果对联合非差精密单点定位模块重新初始化；

步骤七：判断当前定位精度是否小于系统粗定位精度，并且在判断结果为大于时，则使用粗定位结果对联合非差精密单点定位模块重新初始化。

进一步地，步骤一包括：

步骤101：通过接收处理gnss信号，得到伪距测量值、载波相位测量值，解析gnss信号中广播电文，计算得到相应gnss星位置；

步骤102：根据伪距测量值和gnss星位置进行定位解算，得到用户粗定位结果，包括位置速度，然后将位置速度对惯性导航系统进行初始化赋值。

进一步地，步骤二包括：

步骤201：对接收到的gnss的伪距载波相位观测值和leo-na的伪距载波相位观测值进行数据预处理；

步骤202：解析leo-na信号中增强电文，获取gnss卫星精密轨道数据、gnss卫星精密钟差数据、gnss码偏差改正、地球自转参数、电离层改正和低轨卫星精密轨道、钟差；

步骤203：根据以上增强改正信息，对观测数据进行误差改正；

步骤204：根据联合观测方程，通过kalman滤波进行参数估计和整周模糊度固定处理，得到精密单点定位高精度定位结果；

进一步地，步骤三包括：

步骤301：根据卫星导航系统高精度定位结果与惯性导航系统结果获得位置速度差值，处理方式可以是两者做差；

步骤302：建立组合导航卡尔曼滤波状态方程；

步骤303：建立组合导航系统的量测方程；

步骤304：进行卡尔曼滤波递推。

进一步地，步骤六包括：

步骤601：在判断结果为小于时，则使用当前定位结果对联合非差精密单点定位模块滤波器初值进行设置，即步骤204中滤波初值的设定；

步骤602：重新进行联合非差精密单点定位，做组合导航滤波，得到最优估计。

进一步地，步骤七包括：

步骤701：在判断结果为不小于时，则使用粗定位结果对联合非差精密单点定位模块滤波器初值进行设置，即步骤204中滤波初值的设定；

步骤702：重新进行联合非差精密单点定位，做组合导航滤波，得到最优估计。

根据本申请的另一方面，还提供了一种低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航的装置，其包括卫星导航系统、惯性导航系统和组合导航卡尔曼滤波模块，并且该装置可以执行前述低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航的方法。

根据本申请的再一方面，提供了一种低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航的装置，其包括卫星导航系统、惯性导航系统和组合导航卡尔曼滤波模块，其中，卫星导航系统通过gnss接收处理模块、leo增强信号接收处理模块分别接收并处理gnss信号以及leo增强信号以获得gnss观测数据粗定位结果以及leo观测数据、增强信号，随之输出到联合非差精密单点定位模块进行处理以获得最终卫星导航系统输出位置、速度；惯性导航系统进行初始化赋值，并根据初始位置、加速度计和陀螺测量数据进行积分运算，输出当前位置速度结果；组合导航卡尔曼滤波模块根据卫星导航系统定位结果和惯性导航系统定位结果进行组合运算，得到最优估计结果。

与现有技术相比，本申请的技术方案具有以下优点：

(1)通过卫星导航和惯性导航的组合，弥补了双方的缺点，卫星导航系统高精度弥补了惯性导航系统误差随时间累计的缺陷，惯性导航系统稳定性弥补了卫星导航系统易受环境影响信号失锁的缺陷，并将系统输出率提高几十到几百倍，大大增强了系统的动态适应能力。

(2)卫星导航系统中采用了低轨导航增强信号，利用低轨运动速度快和实时gnss精密改正信息，实现实时广域高精度定位，比现有gnss/ins组合导航系统定位精度高，且摆脱了传统实时高精度定位对rtk基准站的依赖。

(3)短时失锁重新捕获时采用惯导组合定位结果给联合实时非差精密单点定位模块初始化，可以缩短高精度定位收敛的时间。

附图说明

图1为根据本发明的一种低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航的结构示意图；

图2为根据本发明的一种低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航的工作流程示意图；

图3为根据本发明的一种低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航中数据预处理的流程图。

在附图中，11-惯性导航系统，12-卫星导航系统，13-组合导航卡尔曼滤波器模块。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本描述中，动态航行体为携带gnss模块和惯导模块的车辆，然而，在其他实施过程中，动态航行体还可以为其他运动载体，比如是无人机、人。另外，低轨导航增强(leo-na，lowearthorbit-navigationaugment)是指利用低轨道卫星进行导航性能的增强。ins是指惯性导航系统。leo是指低轨道卫星。

如图1所示，示出了一种低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航的装置，其包括：卫星导航系统11、惯性导航系统12和组合导航卡尔曼滤波模块13。其中，惯性导航系统可以包括加速度计、陀螺模块。卫星导航系统可以包括gnss接收处理模块、leo增强信号接收处理模块、联合非差精密单点定位模块。

卫星导航系统通过gnss接收处理模块、leo增强信号接收处理模块分别接收并处理gnss信号以及leo增强信号，从而获得gnss观测数据粗定位结果以及leo观测数据、增强信号，输出到联合非差精密单点定位模块进行处理，最终卫星导航系统输出位置、速度，惯性导航系统进行初始化赋值，并根据初始位置、加速度计和陀螺测量数据进行积分运算，输出当前位置速度结果；组合导航卡尔曼滤波模块根据卫星导航系统定位结果和惯性导航系统定位结果进行组合运算，得到最优估计结果。

如图2所示，相对应地，示出了一种低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航的方法，其包括步骤一至步骤七(s1至s7)：

步骤一：设备加电开机，接收gnss信号，实现粗定位，根据粗定位结果给惯性导航系统进行初始化位置赋值。设备例如可以是车载gnss系统。gnss信号的接收、以及实现粗定位可以由卫星导航系统进行。粗定位结果对应有粗定位精度。

步骤二：接收leo增强信号，卫星导航系统进入高精度定位模式。在该模式下，卫星导航系统通过联合非差精密单点定位模块进行联合实时非差精密单点定位。

步骤三：卫星导航系统高精度定位结果与惯性导航系统定位结果做差进行组合运算，得到最优估计结果和反馈校正。

步骤四：当卫星导航信号失锁时，则进入惯性导航独立定位模式。导致卫星导航信号失锁的原因有多种，例如可以是设备进入隧道等。惯性导航独立定位模式是指在该模式下，文中所述的装置仅由惯性导航系统进行定位。

步骤五：当卫星导航信号重新锁定时，根据失锁时间和惯性导航系统各部件精度推算当前定位精度。卫星导航信号重新锁定是指重新实现对导航信号的跟踪捕获。失锁时间是指卫星导航信号被发现失锁到重新锁定所持续的时间。惯性导航系统各部件精度例如可以包括加速度计零位偏差、陀螺漂移率等。

步骤六：判断当前定位精度是否小于系统粗定位精度，并且在判断结果为小于时，则使用当前定位结果对联合非差精密单点定位模块重新初始化。

步骤七：判断当前定位精度是否小于系统粗定位精度，并且在判断结果为不小于时，则使用粗定位结果对联合非差精密单点定位模块重新初始化。

具体而言，上述步骤一可以包括如下步骤：

步骤101：通过接收处理gnss信号，得到伪距测量值、载波相位测量值，解析gnss信号中广播电文，根据广播电文计算得到相应gnss星位置。

步骤102：根据伪距测量值和gnss星位置进行定位解算，得到用户粗定位结果，包括位置速度，然后将位置速度对惯性导航系统进行初始化赋值。

上述步骤二可以包括如下步骤：

步骤201：对接收到的gnss的伪距载波相位观测值和leo-na的伪距载波相位观测值进行数据预处理。

联合精密单点定位是利用非差观测值进行定位，误差不能通过差分的方法消除，因此非差定位模式中数据预处理(包括周跳探测修复、粗差野值剔除、初始整周模糊度确定及相位平滑伪码等)是一项非常重要的工作，是后面能够得到高精度定位的重要保证。具体技术流程如附图3所示。对gnss观测数据通过mw组合法和电离层残差法进行双重周跳粗差的探测，对存在周跳的观测值进行周跳计算，并对原始观测值进行修复。

gnss接收处理模块采集四类观测值，对应以下四个观测方程：

l1＝c·φ1/f1＝r-i/f1²+λ1·n1+εl1

l2＝c·φ2/f2＝r-i/f2²+λ2·n2+εl2

p1＝r+i/f1²+εp1

p2＝r+i/f2²+εp2

其中，c为光速，φ1,φ2、f1,f2、λ1＝c/f1,λ2＝c/f2、n1,n2分别为l1,l2的相位观测值、频率、波长和整周模糊度；p1、p2是l1,l2频段所对应的测码观测值；i为电离层影响；r是伪距离观测值部分，包含几何距离ρ、卫星钟差δts、接收机钟差δtr、对流层延迟δtrop等，可以表示如下：

r～ρ+c·δtr+c·δts+δtrop

首先melbourne-wubbena组合观测法探测周跳粗差，公式如下：

式中φw＝φ1-φ2。

在周跳探测中利用模糊度互差nw直接作时间差。、假设观测过程中，载波相位观测值的中误差εl＝±0.01周，精密伪距定位中误差为εp＝±20cm，根据误差传播定律：

取4倍中误差为限差，如果不在这个值域内，则表明发生了粗差或周跳。

成立，则认为历元i-1到i之间有周跳，从i历元数据开始划分一个新的弧段；

成立，则认为历元i为粗差，i历元观测值进行剔除。

然后利用电离层变化率探测周跳；短时间内，电离层变化率可认为是一个常数，历元k-1的电离层tec计算公式为：

式中，γ＝f1²/f2²，f1和f2为对应的载波频率，bi和b^p分别为接收机端和卫星端的信号频间偏差，在一段时间内可以认为是常量。从而，历元k的电离层tec变化率tecr计算值为

因为短时间内电离层tecr的变化平缓的特点，理论上不发生周跳的时候当前历元的tecr计算值和tecr预测值差异值应很小，当差异值超过阈值时，认为发生了周跳，中轨gnss星观测数据阈值取0.15tecu/s，，低轨导航增强星观测数据阈值取0.2tecu/s。即：

相应周跳为：

计算相应周跳值，并对原观测数据进行修复。假定由m-w组合探测得到的周跳值为a,利用tecr探测得到的周跳值λ1δn1(k)-λ2δn2(k)为b，则原始观测值的周跳可根据下式计算

其中，a为整数，b为实数。对上式求得的实数值δn1、δn2取整，可得到l1频率和l2频率上的整周跳变值，进而对观测值进行修复。

步骤202：解析leo-na信号中增强电文，获取gnss卫星精密轨道数据、gnss卫星精密钟差数据、gnss码偏差改正、地球自转参数、电离层改正和低轨卫星精密轨道、钟差。

步骤203：根据leo-na增强电文中的信息，对伪距测量值和载波相位测量值进行误差改正。

1)gnss卫星轨道误差、gnss卫星钟差改正

基于低轨导航增强下的实时非差精密单点定位，采用的是间隔1min实时gnss精密轨道产品和间隔10s的实时gnss精密钟差产品。与事后精密单点定位算法通过精密产品进行拉格朗日内插不同，本算法需要根据之前时刻点精密轨道和钟差产品进行外推，三角函数多项式插值外推比拉格朗日插值外推精度高，因此本方法采用十阶三角函数多项式插值外推。三角函数多项式插值函数为：

y＝a0+a1sin(ωt)+a2cos(ωt)+a3sin(2ωt)+a4cos(2ωt)+....+a10cos(5ωt)

式中，y为对应的精密轨道坐标值或精密钟差，a0,a1,....a10为待求系数，ω＝2π/t，t为卫星运行的周期。

2)天线相位中心改正

包括gnss/leo星上天线相位中心偏差(pco)、星上天线相位中心变化(pcv)、地面接收机天线相位中心偏差(pco)三方面的相位中心改正。

卫星天线相位中心偏差改正方法为:已知卫星天线相位中心偏差(pco)在星固系下的坐标(dx，dy，dz)，其在地固系下为：

其中为星固系在地固系下的单位向量，其计算方式为：

卫星在地固系下位置太阳在地固系下位置为通过太阳星历表计算，综上卫星位置经过天线相位中心pco改正后位置为：

地面接收机天线相位中心偏差(pco)改正方法为：已知接收机天线相位中心偏差在地平坐标系三个分量(north，east，up)，然后进行坐标转换，转换到地固系下(δxδyδz)，然后即可得到接收机天线参考点真实位置为：

天线相位中心变化(pcv)分为地面接收机天线相位中心变化和卫星天线相位中心变化。首先通过当前接收机位置和卫星位置，计算当前接收机的天顶距、接收机信号方位角和卫星的天底角，然后通过查表得到相应的改正值。然后改正星地距离为：

星地几何距离＝观测距离-pcv

3)电离层延迟改正

对于双频接收机用户，采用双频观测值消电离层组合进行电离层延迟误差改正。

对于单频接收机用户，采用网格点电离层改正信息进行电离层误差消除。网格点电离层改正信息通过低轨增强信号播发。

首先单频用户根据卫星位置，接收机位置，通过三角函数计算接收到信号的电离层穿刺点对应经纬度，电离层参考高度400km，地球半径取6378km；

然后根据穿刺点经纬度从接收到的全球网格点电离层改正信息中找到穿刺点周边四个网格点；

最后采用双线性内插计算穿刺点电离层延迟，计算公式为：

ω1＝(1-xp)(1-yp)，ω2＝xp(1-yp)，ω3＝xpyp，ω2＝(1-xp)yp

式中(φp，λp)为穿刺点经纬度，周围四个网格点位置为(φi，λi，i＝1～4)，vteci为网格点对应的垂直电离层延迟。

4)对流层延迟改正

因为对流层由干湿分量组成，因此对流层延迟常用天顶方向干延迟、湿延迟和相应映射函数表示：

δdtrop＝ddrymdry(e)+dwetmwet(e)

式中ddry为天顶方向干延迟，dwet为天顶方向湿延迟，mdry(e)为干延迟投影函数，mwet(e)为湿延迟投影函数，e为卫星高度角。

干延迟通过萨斯塔莫宁(saastamoinen)模型加nmf投影模型进行修正。湿延迟通过参数估计得到后修正。

萨斯塔莫宁模型对流层干误差修正公式为：

p＝1013.25·(1.0-0.022557h)^5.2568

式中，p测站气压，为测站纬度(以弧度为单位)，h为测站海拔高(以km为单位)。计算得到的是测站天顶方向的对流层延迟，通过映射函数即可将其换算至信号传播路径上对流层延迟。

nmf干延迟投影函数为：

式中，aht＝2.53×10^-5，bht＝5.49×10^-3，cht＝1.14×10^-3，h为正高，e为卫星高度角。ah、bh、ch为干延迟投影系数，通过周期项改正公式计算：

aaverage、aamplitude通过下表1给出doy为年积日，doy0为参考年积日取28。

表1nmf干延迟投影函数改正系数与纬度关系对应表

5)硬件延迟误差改正

由于硬件延迟造成的同一时刻不同频率或者同一频率不同伪码观测值间的时间偏差。利用gnss差分码偏差改正数进行改正。

当使用非该系统钟差时刻参考点对应频段的观测数据时，需进行码偏差的改正，比如，gps系统是以l1、l2频点的组合电子相位中心为参考，当单独使用p1码定位时，对应的硬件延迟为：

同理单独使用c/a码时，对应的硬件延迟为：

式中f1、f2为gpsl1和l2载波中心频率，dcbp1p2和dcbp1c1为增强电文中播发的码偏差改正数。

bd系统以b3频点的天线电子相位中心为卫星钟差的参考点，因此当用户使用b1c和b2a信号时，相应双频无电离层组合观测值为：

式中f1、f2为bd的b1c和b2a载波中心频率，dcbb1c和dcbb2a为增强电文中播发的码偏差改正数。

步骤204：根据联合观测方程，通过kalman(卡尔曼)滤波进行参数估计和整周模糊度固定处理，得到精密单点定位高精度定位结果。

1)建立滤波的线性运动学模型和观测模型。其观测方程和状态方程可表示为

式中，xk是t(k)时刻的状态向量，包括接收机位置、速度、接收机钟差、对流层湿延迟、载波相位整周模糊度。φk,k-1为从t(k-1)时刻至t(k)时刻系统状态的一步转移矩阵，对于静态gnss用户，坐标、整周模糊度为常数，状态转移矩阵相应为1，对于动态gnss用户，接收机坐标和钟差可以表示为随机游走或者一阶高斯马尔可夫过程，整周模糊度为常数。γk-1为系统噪声驱动阵，wk-1为系统噪声向量，lk为t(k)时刻的观测向量，hk为观测方程的系数阵，vk为观测噪声。

其中系统噪声与观测噪声是互不相关的零均值高斯白噪声，其对应的随机模型可表示为：

式中，qk和rk分别成为系统噪声序列的方差阵(对称非负定阵)和量测噪声的方差阵(对称正定阵)。

2)时间更新

pk,k-1＝φk,k-1pk-1φ^tk,k-1+γk-1qk-1γ^tk-1

式中，pk,k-1分别为一步预测值及其方差-协方差阵。其中递推滤波初值x0根据具体情况设置；当设备初始加电开机时，滤波初值由gnss单点粗定位给出；若因隧道导航信号短暂失锁后重新滤波时，滤波初值由组合导航系统定位结果给出。

3)量测更新

pk＝(i-kkhk)pk,k-1(i-kkhk)^t+kkrkkk^t

式中，i为单位阵，kk为增益矩阵，pk分别为滤波估值及其方差-协方差阵。

上述步骤三可以包括如下步骤：

步骤301：根据卫星导航系统高精度定位结果与惯性导航系统结果获得位置速度差值，处理方式可以是两者做差。

步骤302：建立组合导航卡尔曼滤波状态方程：

xk＝φk,k-1xk-1+wk

式中：

状态向量x＝[δrx,δry,δrz,δvx,δvy,δvz,δθx,δθy,δθz,δdx,δdy,δdz,δbx,δby,δbz]^t包括位置误差、速度误差、平台失准误差、陀螺漂移随机分量和加速度零偏随机分量；

φk,k-1表示过度矩阵；wk为系统噪声，∑wk是系统噪声协方差阵δt为采样时间间隔，qk为系统噪声谱密度。

步骤303：建立组合导航系统的量测方程：

l＝ax+v

式中，下标表示gps或ins的输出位置速度，注意不同系统输出结果所在坐标系不同时，结果需做坐标系转换。

v是观测噪声，v～n(0,r)，r是观测噪声协方差阵。

步骤304：进行卡尔曼滤波递推:

和∑wk表示误差预测状态及k时刻的协方差阵，kk为k时刻的增益矩阵，和表示卡尔曼滤波估计值和其协方差阵。

得到的误差估计值作为输出校正和反馈校正值，初期进行输出校正和反馈校正，且反馈校正频次低于输出校正，比如输出校正每秒1次，反馈校正10秒1次；稳定后仅作反馈校正，不做输出校正。

上述步骤四包括：当卫星导航信号失锁时，进入惯导独立定位模式。

当例如地面接收机等设备的用户因为楼宇遮挡或者进入隧道失去对所有卫星导航信号的锁定，或者接收到的导航信号不足四颗星时，均认为卫星导航信号失锁，则系统进入惯导独立定位模式。

上述步骤五为：当卫星导航信号重新锁定时，根据失锁时间和惯性导航系统设备精度推算当前定位精度。

地面用户接收机工作环境恢复正常，重新锁定接收卫星导航信号时，则可以计算失锁时间，并根据当前惯性导航系统陀螺仪和加速度计配置精度计算失锁时间惯导定位结果漂移误差，从而获得当前定位精度。

上述步骤六包括：判断当前定位精度是否小于系统粗定位精度，并且在判断结果为小于时，则使用当前定位结果对联合非差精密单点定位模块重新初始化。具体地，

步骤601：在判断结果为小于时，则使用当前定位结果对联合非差精密单点定位模块滤波器初值进行设置，即步骤204中滤波初值的设定；

步骤602：重新进行联合非差精密单点定位，做组合导航滤波，得到最优估计。

上述步骤七包括：判断当前定位精度是否小于系统粗定位精度，并且在判断结果为不小于时，则使用粗定位结果对联合非差精密单点定位模块重新初始化。具体地，

步骤701：在判断结果为不小于时，则使用粗定位结果对联合非差精密单点定位模块滤波器初值进行设置，即步骤204中滤波初值的设定；

步骤702：重新进行联合非差精密单点定位，做组合导航滤波，得到最优估计。

相应地，文中的低轨导航增强下进行gnss/ins组合导航的装置，包括卫星导航系统、惯性导航系统和组合导航卡尔曼滤波模块，其可以执行前述的部分或全部步骤。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工作人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。