基于ins辅助gnss单天线测姿的组合导航方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及导航领域，特别涉及一种基于INS辅助GNSS单天线测姿的组合导航方 法及系统。
【背景技术】
[0002] 常规INS/GNSS组合导航，状态变量包括两部分，一部分是惯导系统（INS)的误差 状态，包括姿态，速度，位置，传感器零偏共15维，其状态方程为：
[0003] 「,.(.，)％(〇
[0004]式中，A= [A, INS东、北、天的方向失准角，δVE、δVN、δV。分别为INS东、北、天的速度误差，δL、δλ、SΗ分别为INS经度、纬度和高度的位置误差；εχ、εy、εζ分别为INS载体系X、Υ、Ζ三轴 的陀螺仪漂移，I.、V, %分别为INS载体系χ、γ、ζ三轴的加速度计漂移。
[0005] 误差状态的另一部分是GNSS的误差状态，包括钟差与钟漂。其观测方程为
[0006] X<:(/)= F(Ai)Xaa)-^rji)W(iii)
[0007] 式中，xe = [δtuδttu]T:δtu为时钟误差等效的距离误差，δttu为与时钟频率误 差等效的距离误差。
[0008] 将INS误差状态方程与GNSS误差状态方程合并，则得到组合系统的状态方程如 下：
[000!
[0010] 观测变量为Ζ?，气/，其中Ζρ =[δΡι，δρ2,δρ3,δP4]为伪距测量值 之差；[各V私，私，电]为多普勒测量值之差。
[0011] 伪距观测方程为
[0012] Zp (t) =Hp (t)X(t)+Vp (t)
[0013] 多普勒观测方程为
[0014] zji) =H)：(nx(i) +yAn
[0015] 将伪距观测方程与多普勒观测方程合并，可得组合系统的观测方程如下：
[0016]
[0017] 状态方程与观测方程均为线性，一般采用卡尔曼滤波进行数据融合。以上INS/ GNSS组合滤波器的观测量中无姿态相关量，姿态误差与陀螺误差可观测性较差，估计效果 不够理想，姿态难以保持较高精度，因此需要增加姿态测量值。
[0018] 姿态测量值可通过常用的GNSS单天线测姿方法获得。
[0019] 常用GNSS单天线测姿方法主要有GNSS多天线测姿与GNSS单天线测姿。GNSS多 天线测姿在固定基线长度的情况下，利用GNSS载波相位观测值求解基线的增量，进而求解 姿态；GNSS单天线测姿首先由GNSS在地固系中的速度与速度微分而来的加速度计算伪姿 态，然后转换为姿态。GNSS多天线测姿精度较高，但与GNSS单天线测姿相比有天线阵列复 杂、安装工艺难度大，成本高等缺点。GNSS单天线测姿具有成本低、精度高、体积小、重量轻、 结构简单等优点，在性价比方面有其他姿态测量所无法企及的优势，但在低速情况下姿态 误差较大。而且，以上两种方法在GNSS受遮挡等环境下失锁时均不可用，需要使用其它传 感器辅助GNSS单天线测姿。
【发明内容】
[0020] 有鉴于此，为克服上述至少一个缺点，并提供下述至少一种优点。本发明公开了一 种组合导航方法及系统，采用本发明解决了常规的INS/GNSS组合导航系统中姿态可观测 性差、估计效果不理想与GNSS单天线测姿在低速度情况下精度较差的问题，提高了姿态可 观测性与估计精度。
[0021] 为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0022] -方面，提供了一种组合导航方法，包括以下步骤：
[0023] 在第一速度区间范围内，利用第一组合滤波获取姿态测量值，所述第一组合滤波 为观测方程中包含INS与GNSS姿态角测量值差值的INS/GNSS组合滤波；
[0024] 在第二速度区间范围内，利用第二组合滤波和附加姿态滤波获取姿态测量值，所 述第二组合滤波为不包含INS与GNSS姿态角测量值差值的INS/GNSS组合滤波，所述附加 姿态滤波用于对所述第二组合滤波的滤波结果进行姿态滤波；
[0025] 在第三速度区间范围内，利用所述第二组合滤波获取姿态测量值。
[0026] 进一步的，在滤波的稳定状态下，对每次获取的所述姿态测量值进行输出校正，并 在完成预定次数的输出校正后进行一次反馈校正。
[0027] 进一步的，对在第二速度区间范围内获取的所述姿态测量值的步骤为：
[0028] 对所述第二组合滤波估计获得的位置误差、速度误差、姿态误差进行输出校正，获 取最终位置、速度结果与中间姿态结果；
[0029] 在反馈校正时刻，利用所述第二组合滤波估计获得的位置、速度误差与角速度零 偏，通过反馈校正，修改INS的位置矩阵、速度与加速度；
[0030] 将所述中间姿态结果和所述加速度进行附加姿态滤波，获取所述姿态测量值。
[0031] 进一步的，所述第一速度区间中的速度大于所述第二速度区间范围大于所述第三 速度区间范围。
[0032] 进一步的，所述附加姿态滤波的状态方程为：
[0033] XA=FAKd+rWA
[0034]式中，XA = [ΦΕ,ΦΝ,Φυ,εχ，εγ，εζ]τ，φΕ、φΝ、Φυ分别为INS东、北、天的方向 失准角，εχ、εy、εz分别为INS载体系X、Y、Z三轴的陀螺仪漂移；
[0035] 状态系数矩阵戈
[0036] 其中FAN的非零元素为
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041] 另一方面提供了一种组合导航系统，包括：
[0042] 速度判断模块，用于对速度进行判断，确定当前速度处于第一速度区间范围或第 二速度区间范围或第三速度区间范围；
[0043] 第一组合滤波模块,用于在第一速度区间范围内，利用第一组合滤波获取姿态测 量值，所述第一组合滤波为观测方程中包含INS与GNSS姿态角测量值差值的INS/GNSS组 合滤波；
[0044] 第二组合滤波模块，用于在第二速度区间范围内，利用第二组合滤波获取中间测 量值和/或在第三速度区间范围内，利用第二组合滤波获取姿态测量值，所述第二组合滤 波为不包含INS与GNSS姿态角测量值差值的INS/GNSS组合滤波；
[0045] 和，附加姿态滤波模块，用于在第二速度区间范围内，利用所述中间测量值获取姿 态测量值。
[0046] 进一步的，还包括输出校正模块和反馈校正模块，所述输出校正模块用于对每次 获取的所述姿态测量值进行输出校正；所述反馈校正模块用于在所述输出校正模块完成预 定次数的校正后进行一次反馈校正。
[0047] 进一步的，在第二速度区间范围内，所述输出校正模块对所述第二组合滤波模块 获取的位置误差、速度误差、姿态误差进行输出校正，获得最终位置、速度结果与中间姿态 结果；
[0048] 所述反馈校正模块利用所述第二组合模块获得的位置、速度误差与角速度零偏， 修改INS的位置矩阵、速度与加速度；
[0049] 所述附加姿态滤波模块对所述中间姿态结果和所述加速度进行附加姿态滤波，获 取所述姿态测量值。
[0050] 进一步的，所述第一速度区间中的速度大于所述第二速度区间范围大于所述第三 速度区间范围。
[0051] 进一步的，所述附加姿态滤波模块用于进行附加姿态滤波的状态方程为：
[0052] Χα = !'λΧλ +ΓW;
[0053]式中，XA = [ΦΕ,ΦΝ,Φυ,εχ，εy，εJT，φΕ、φΝ、Φυ分别为INS东、北、天的方向 失准角，εχ、εy、εz分别为INS载体系X、Y