一种基于软件接收机的分布式深组合导航方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于卫星导航技术领域，具体涉及一种基于软件接收机的分布式深组合导 航方法及系统。
【背景技术】
[0002]捷联惯性导航系统（Strap-down Inertial Navigation System, SINS)与全球导 航卫星系统（Global Navigation Satellite System, GNSS)结合后组成的组合导航系统充 分发挥了 GNSS定位精度不随时间改变和SINS完全自主导航的优势，其总体性能要远远地 优于各自独立的系统。SINS和GNSS的组合方式大概分为三种，其中深组合导航是目前最为 先进的组合形式。根据国内外相关文献，SINS和GNSS的深组合导航实现形式主要有两种： Draper实验室提出的基于深组合滤波器的集中式深组合和斯坦福大学提出的基于紧组合 滤波器的具备环路跟踪辅助功能的分布式深组合。
[0003] 分布式深组合根据SINS和GNSS输入的伪距和伪距率信息估计出SINS误差，利用 估计出的SINS误差对SINS进行反馈校正，并利用校正后的SINS信息辅助GNSS接收机跟 踪环路，实现SINS与GNSS双向辅助。但在目前的分布式深组合中，即使对GNSS接收机跟 踪环路进行了辅助，由于不能较精确地估计接收机时钟频率漂移，且无法完全消除高动态 对跟踪环路的动态应力作用和载体机械振动、时钟漂移等造成的频率偏移，GNSS接收机的 跟踪误差仍然较大，导致GNSS接收机的动态跟踪性能较差；同时，由于GNSS接收机噪声和 多路径效应的影响，GNSS接收机输出的伪距和伪距率信息不够精确，而目前的分布式深组 合都是直接对GNSS接收机输出的伪距和伪距率信息和SINS输出的伪距和伪距率信息进行 信息融合，无法降低接收机噪声和多路径效应的影响，从而使得现有的分布式深组合导航 系统在高动态环境下定位精度不高。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提出一种基于软件接收机的分布式深组合导航方法及系统，降 低了载体动态对载波跟踪环路的影响，减小了高动态环境下GNSS接收机的跟踪误差，提高 了高动态环境下GNSS接收机的动态跟踪性能，从而进一步提高了组合导航系统的导航定 位精度。
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于软件接收机的分布式深组合导航方 法，GNSS软件接收机使用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，辅助接收机跟踪环路 进行载波跟踪和码跟踪，并将输出的当前时刻的GNSS伪距和伪距率信息滤波后提供给组 合导航模块。
[0006] 进一步，在所述方法中使用多普勒频移辅助接收机跟踪环路进行载波跟踪和码跟 踪的方法为：载波跟踪环路根据所述多普勒频移和载波环滤波器输出的载波频率误差，调 整载波NC0,从而实现载波跟踪；码跟踪环路根据载波跟踪环路提供的频率和码环滤波器 输出的码频率误差，调整码NC0,从而实现码跟踪。
[0007] 进一步，在所述方法中采用Hatch滤波算法对GNSS伪距和伪距率进行滤波。
[0008] 本发明还提供一种基于软件接收机的分布式深组合导航系统，包括中频信号采 集器、多普勒频移估计模块、SINS模块、GNSS软件接收机模块和组合导航模块；其中，所述 GNSS软件接收机模块使用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，辅助接收机跟踪环路 进行载波跟踪和码跟踪，实现双向辅助，并将输出的当前时刻的GNSS伪距和伪距率信息并 进行滤波，剔除野值，使伪距和伪距率更加平滑，然后将滤波后的GNSS伪距和伪距率信息 提供给组合导航模块。
[0009] 进一步，在所述系统中，所述中频信号采集器用于采集卫星信号，将卫星信号转换 为数字中频信号后提供给GNSS软件接收机模块；所述多普勒频移估计模块根据组合导航 模块提供的载体在上一时刻的三维位置、速度和加速度辅助信息，预测获得当前时刻载体 的三维位置、速度和加速度信息；然后根据GNSS软件接收机模块提供的卫星星历信息和所 述预测获得的当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息，实时计算获得载体与卫星相 对运动造成的多普勒频移及其变化率，并提供给GNSS软件接收机模块；所述SINS模块采集 当前时刻载体的角速度和比力信息并进行SINS导航解算，获得当前时刻的SINS伪距、伪距 率信息以及载体的位置、速度、加速度及姿态信息，并提供给组合导航模块；所述GNSS软件 接收机模块使用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，辅助接收机跟踪环路进行载波 跟踪和码跟踪，并将输出的当前时刻的GNSS伪距和伪距率信息并进行滤波，剔除野值，使 伪距和伪距率更加平滑，将滤波后的GNSS伪距和伪距率信息提供给组合导航模块；同时， GNSS软件接收机通过数据解析解调出导航电文获得卫星星历，将卫星星历信息提供给多普 勒频移估计模块；所述组合导航模块对SINS模块和GNSS软件接收机模块输入的伪距、伪距 率信息进行信息融合，对SINS模块的系统误差进行反馈校正，即组合导航模块对SINS模块 输入的上一时刻的载体位置、速度、加速度和姿态进行校正，将校正后的载体位置、速度和 加速度信息作为辅助信息提供给多普勒频移估计模块，并将校正后的载体位置、速度和姿 态信息作为组合导航信息输出。
[0010] 本发明与现有技术相比，其显著优点在于，（1)本发明中GNSS软件接收机模块利 用多普勒频移估计模块计算出的多普勒频移消除GNSS接收机载波跟踪环路中的动态应力 误差，并将多普勒频移估计模块计算的当前时刻的多普勒频移和载波跟踪环路输出的上一 时刻的载波频移的差值作为接收机时钟频率漂移造成的频率偏移观测值，通过滤波估计出 接收机时钟频率漂移造成的频率偏移，从而实现多普勒频移辅助GNSS软件接收机跟踪环 路进行跟踪，有效降低了 GNSS接收机载波跟踪环路的带宽，减小了 GNSS软件接收机的跟踪 误差，从而提高了 GNSS接收机的动态跟踪性能；（2)本发明中GNSS软件接收机模块根据多 普勒频移估计模块计算出的多普勒频移，通过积分得到一个导航周期内多普勒频移及其变 化率的累加值，GNSS软件接收机模块再根据上述积分得到的累加值采用Hatch算法对GNSS 伪距和伪距率进行滤波，有效抑制了噪声和多路径效应的影响，提高了伪距和伪距率的精 度，从而提高了高动态环境下组合导航定位的精度。
【附图说明】
[0011] 图1是本发明基于软件接收机的分布式深组合导航系统结构简图。
[0012] 图2是本发明基于软件接收机的分布式深组合导航系统结构详图；
[0013]图3是本发明多普勒频移辅助接收机载波跟踪环路的数学模型。
[0014] 图4是仿真实验中组合导航定位结果图。
[0015] 图5是仿真实验中组合导航测速结果图。
[0016] 图6是仿真实验中组合导航测姿结果图。
【具体实施方式】
[0017] 本发明的分布式深组合导航系统，包括中频信号采集器、多普勒频移估计模块、 SINS模块、GNSS软件接收机模块和组合导航模块。
[0018] -、中频信号采集器
[0019] 中频信号采集器对接收到的卫星信号进行下变频和数字化处理，产生数字中频信 号并保存为二进制文件，并提供给GNSS软件接收机模块使用。
[0020] 二、多普勒频移估计模块
[0021] 多普勒频移估计模块根据组合导航模块提供的载体在上一时刻的三维位置、速 度和加速度辅助信息，预测获得当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息；然后根据 GNSS软件接收机模块提供的卫星星历信息和所述预测获得的当前时刻载体的三维位置、速 度和加速度信息，实时计算获得载体与卫星相对运动造成的多普勒频移及其变化率，并提 供给GNSS软件接收机模块。其中，
[0022] 所述预测当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息的方法如公式（1)所示，
[0024] 公式（1)中，足、匕、元分别为上一时刻载体的三维位置、速度和加速度信息，T 为跟踪环路积分时间，Ru、vu、au分别为当前时刻载体的三维位置、速度和加速度信息；
[0025] 所述计算获得载体与卫星相对运动造成的多普勒频移及其变化率的计算方法如 公式⑵所示，
[0027] 公式（2)中，/rf与J^分别为载体与卫星相对运动造成的多普勒频移及其变化率， 入1为载波L1的波长，R s、v s、as分别为地心地固直角坐标系（ECEF坐标系）下卫星三维位 置、速度和加速度矢量，Ru s为载体与