Ins控制gnss基带的开环跟踪误差分析及控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于GNSS^NS深组合导航与定位技术领域，设及一种INS控制GNSS基带 的开环跟踪误差分析及控制方法。
【背景技术】
[0002] 全球导航卫星系统（Global化vigationSatelliteSystem,GNS巧泛指可W全天 候、连续地向用户提供位置、速度、时间（PositionVelocityandTime,PVT)信息的覆盖全 球的卫星系统及其增强系统。自问世W来，GNSS已充分显示了其在导航与定位领域中的霸 主地位，在军事和民用的许多领域由于GNSS的出现发生了革命性变化。随着GNSS应用范 围的不断扩大，其应用场景也变得复杂多样，普通接收机技术已无法满足日益苛刻的应用 需求。实际应用中会经常碰到卫星信号遮挡、多径等复杂场景（例如车载导航经常遇到高 楼林立的城市"峡谷"、枝叶茂密的大树W及错综复杂的立交桥等环境），由于遮挡情况随着 位置变化而迅速变化，导航型接收机的定位精度、连续性损失严重，测量型接收机则无法提 取连续的载波相位观测量信息。
[0003] 近几年发展起来的信息辅助技术是解决普通接收机不能满足复杂场景需求问题 的一种有效手段。惯性导航系统（In&rtial化vigationSystem,INS，简称惯导）具有动 态响应特性好、短时精度高、信息输出率高、全自主工作等特点，与GNSS的特点形成鲜明互 补。GNSS^NS组合导航技术利用GNSS和INS的优势互补特性，克服各自缺点，保证动态连 续导航，提高系统完好性。其中GNSS/INS深组合（又称为深禪合、超紧禪合）导航技术是 GNSS和INS在信号处理层面的信息融合，在GNSS辅助INS的松组合或者紧组合基础上，利 用INS测量载体动态生成多普勒辅助信息，能够有效的改善GNSS接收机的捕获和跟踪性 能。
[0004] 在GNSS信号受到遮挡、干扰等环境影响时，普通跟踪环路不能持续跟踪卫星信 号，接收机定位导航性能随之恶化。由于INS的短时精度较高，在GNSS信号短时间消失时， 多普勒辅助信息可W估计出GNSS信号与接收机位置、速度的相对变化，所W在跟踪环路断 开情况下可W采用多普勒辅助信息对数控振荡器（numericallycontrolledoscillator, NCO)进行短时间开环控制，即INS控制GNSS接收机基带信号跟踪环路的开环跟踪。一旦卫 星信号恢复，接收机不需要重新经过捕获和牵引过程，便可W直接继续正常的闭环跟踪，同 时也保证了观测量的持续有效，从而改善接收机观测量的连续性。例如行驶于城市环境的 车辆导航时频繁出现信号断续的情况，普通接收机跟踪环路经常失锁进入重捕，若在GNSS/ INS深组合接收机基带采用INS控制的开环跟踪策略，可W实现无缝导航与定位。
[0005] 然而目前受限于研究需求和研究条件，国内外对于INS辅助GNSS接收机跟踪环的 开环跟踪性能研究和具体设计仍存在较多不足：（1)没有基于INS控制GNSS基带的开环跟 踪误差模型对误差发散规律进行定量分析、仿真和实测验证；（2)没有分析不同精度等级 惯导的开环跟踪误差发散规律；（3)没有根据开环跟踪模型分析得到的结论，设计出合理 的开环跟踪结构和控制切换机制。
【发明内容】
[0006] 针对现有技术存在的问题，本发明基于GNSS/INS深组合导航技术，提出了一种可 实现高精度的连续导航与定位的INS控制GNSS基带的开环跟踪误差分析及控制方法。
[0007] 本发明思路为：
[0008] 基于GNSS/INS深组合接收机的闭环跟踪环结构构建INS误差与开环跟踪误差间 的拉氏域数学模型；采用拉氏域数学模型分析基于不同精度等级惯导的开环跟踪误差发散 规律；基于开环跟踪误差发散规律提出合理的INS控制GNSS基带的开环跟踪控制机制。
[0009] 为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
[0010] 一、一种INS控制GNSS基带的开环跟踪误差分析方法，包括：
[0011] 步骤1，构建INS误差与开环跟踪误差间的拉氏域数学模型，本步骤进一步包括：
[0012] 1. 1根据GNSS^NS深组合接收机的闭环跟踪环结构，采用拉氏域构建GNSS^NS 深组合接收机的闭环跟踪误差模型；
[0013] 1.2断开闭环跟踪误差模型中环路滤波器输出，仅保留INS误差，得INS控制GNSS 基带的开环跟踪误差模型，INS误差包括IMU零偏类误差和IMU比例因子类误差；
[0014] 1. 3根据开环跟踪误差模型分别获得IMU零偏类误差和IMU比例因子类误差与开 环跟踪误差间的函数关系；基于所得函数关系，将IMU零偏类误差分为随机常数误差和噪 声误差，将IMU比例因子类误差简化为随机常数误差，分别构建IMU零偏类误差与开环跟踪 误差间的第一拉氏域数学模型、W及IMU比例因子类误差与开环跟踪误差间的第二拉氏域 数学模型；
[0015] 步骤2,在采用不同精度等级惯导系统下，分别在不同开环跟踪模式下求解第一拉 氏域数学模型和第二拉氏域数学模型，得各精度等级惯导系统下不同开环跟踪模式对应的 开环跟踪误差变化规律，从而获得各精度等级惯导系统适用的开环跟踪模式及对应的开环 跟踪时间阔值；
[0016] 上述IMU零偏类误差与开环跟踪相位误差5 0(S)间的第一拉氏域数学模型为：
[0017]
[0018] 上述IMU零偏类误差与开环跟踪频率误差5 ?(S)间的第一拉氏域数学模型为：
[0019]
[0020] 式（1)~似中，A表示信号波长，b。,。表示加速度计零偏常值，5Vw(〇)表示 初始速度误差，bgy。表示巧螺零偏常值，巧表示初始姿态误差，Wbgy(S)表示加速度计 白噪声，GMbg,(S)表示加速度计的一阶高斯-马尔科夫驱动噪声，Wbgy(S)表示巧螺白噪声，GMbgy(s)表示巧螺的一阶高斯-马尔科夫驱动噪声，g为重力加速度；S表示拉氏域。
[002。上述IMU比例因子类误差Kg(s)与开环跟踪相位误差5 0(S)间的第二拉氏域数 学模型为：
[0022] (3,)
[002引上述IMU比例因子类误差Kg(s)与开环跟踪频率误差5 ?(S)间的第二拉氏域数 学模型为：
[0024]
C4)
[002引式做~（4)中，，金巧表示载体与卫星相对运动加速度值，S表示拉氏域。
[0026] 步骤2中，第一拉氏域数学模型和第二拉氏域数学模型的求解具体为：
[0027] 2. 1对第一拉氏域模型中随机常数误差项和第二拉氏域模型进行拉氏反变换，得 开环跟踪误差的时域模型；
[0028] 2. 2对时域模型进行仿真分析，得IMU零偏类误差中的随机常数误差和IMU比例 因子类误差引起的开环跟踪误差值；
[0029] 2. 3采用蒙特卡洛仿真统计噪声误差，经第一拉氏域模型误差传递产生的时域响 应，得IMU零偏类误差中噪声误差引起的开环跟踪误差值。
[0030] 二、一种INS控制GNSS基带的开环跟踪控制方法，包括：
[0031] (1)针对可正常跟踪卫星数不小于4时情况的控制方法：
[0032] INS辅助跟踪环中的环路滤波器输出和NC0控制输入间设有第一判决开关、INS辅 助信息输出和NC0控制输入间设有第二判决开关；
[0033] 闭合第一判决开关和第二判决开关，INS辅助跟踪环进行闭环跟踪；
[0034] 当有卫星信号的即时相关峰值不大于峰值口限值，通过第一判决开关断开该卫星 信号通道对应INS辅助跟踪环的环路滤波器输出对NC0的控制，该对应INS辅助跟踪环进 入所采用惯导系统的精度等级适用的开环跟踪模式进行开环跟踪，适用的开环跟踪模式采 用权利要求1中所述方法获得；
[0035] 当该卫星信号的即时相关峰值大于峰值口限值，通过第一判决开关恢复该卫星信 号通道对应INS辅助跟踪环的环路滤波器输出对NC0的控制，该对应INS辅助跟踪环恢复 闭环跟踪；
[0036] 所述的峰值口限值设定为比各卫星信号通道Q路的相关累加值均值大10~ 20地；
[0037] (2)针对可正常跟踪卫星数小于4且开环跟踪时间不大于开环跟踪时间阔值情况 的控制方法：
[0038] INS辅助跟踪环中的环路滤波器输出和NC0控制输入间设有第一判决开关、INS辅 助信息输出和NC0控制输入间设有第二判决开关；
[0039] 闭合第二判决开关