基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法，属于3S集成应用 领域。
【背景技术】
[0002] 组合导航系统有利于充分利用各导航系统进行信息互补与信息合作，成为导航系 统发展的方向。在所有的组合导航系统中，以GPS与INS组合的系统最为理想，而紧耦合方 式是GPS与INS组合的最优方法。鉴于GPS的不可依赖性，将北斗导航系统与INS的组合是 组合导航系统的发展趋势，因此研究其组合模式具有重要意义。鉴于此，解决GPS/Beid〇u2/ INS紧密组合进行导航与定位，具有重大的实际应用价值，也具有重要的科学意义。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，从而提供一种基于GPS/Beid〇u2/INS的 组合导航与定位方法。
[0004] 本发明的目的是通过下面的技术方案来实现的：一种基于GPS/Beidou2/INS的组 合导航与定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：
[0005] 步骤1 :卫星定位数据采集
[0006] 分别采集GPS卫星定位系统的定位数据和Beid〇u2卫星定位系统的定位数据；
[0007] 步骤2 :单点定位模型建立；
[0008] 分别建立GPS卫星定位系统模型和Beidou2卫星定位系统模型，均采用载波相位 求解法，采用如下解算方程：
[0009]
03
[0010] 其中，λ为载波波长，识为载波相位观测值，R为GPS卫星或Beidou2卫星到接收 机相位中心的几何距离；N为载波模糊度；t为GPS卫星或Beidou2卫星的接收机的钟差，t 为GPS卫星定位系统或Beidou2卫星定位系统的时间系统同步误差，^为GPS卫星Beidou2 卫星的钟差；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电尚层延迟误差；Μ为多路径误差；P为 GPS卫星或Beid〇u2卫星的天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪 声；
[0011] 步骤3 :GPS与BeiDou2联合定位解算
[0012] 采用统一的时间基准和坐标基准，将BeiDou2的载波差分定位和GPS的载波差分 定位进行联立求解，得到如下定位方程组：
[0013]
[0014] 其中，Δ▽表示双差算子，λ为载波波长，#为载波相位观测值，R为卫星到接收 机相位中心的几何距离；N为载波模糊度；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟 误差；Μ为多路径误差；P为天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪 声；上标C和G分别对应于BeiDou2卫星定位和GPS卫星定位；
[0015] 得BeiDou2/GPS双差载波相位观测方程为：
[0016]
[0017]
[0018]
[0019] 其中，dX表示相对坐标改正向量；ΔΝ为双差整周模糊度向量；b为与dX相对应 的系数矩阵；a为与ΔΝ相对应的系数矩阵；L为常数项向量，其中△为单差算子；式中 (x〇，y〇，z。）为用户位置初始值，（xm，ym，zm)为卫星坐标；r。为用户初始值与卫星之间的几何 距离；m为观测到的同一系统卫星数；
[0020] 根据公式（3)、（4)、（5)，采用最小二乘法，先求出双差整周模糊度ΔΝ，然后求出 相对坐标改正值，进而得到相对位置信息。
[0021] 步骤4:INS数据采集
[0022] 通过GNSS板卡、三轴光纤陀螺和加速度计组合并采用紧耦合技术捕获INS数据；
[0023] 步骤5 :GPS/Beidou2/INS组合导航定位
[0024] 采用分布式卡尔曼滤波进行GPS/BeiDou2/INS组合导航，GPS和BeiDou2各个子 系统首先通过局部卡尔曼滤波器处理各自的测量信息以产生局部状念估计，每个观测方程 所得到的局部卡尔曼滤波器作为子滤波器，INS滤波器作为主滤波器，合并成总体状态滤波 器，给出组合导航系统的状态向量、测量向量；
[0025]设定GPS加权值和Beidou2加权值，分别令加权值为Wl，w2,则组合导航经炜度为：
[0026] ψ=
[0027]λ=Wiλi+Wgλ2
[0028]满足：Wi+w2= 1
[0029] 由不确定传播计算定律求得不确定度为：
[0030]
浦
[0031] 式中，（（μλ1、μλ2)为GPS和Beidou2卡尔曼滤波器的输出经度 和炜度的不确定度；（&、)为组合导航系统输出的经度和炜度的不确定度，（μ^ yj、μ。分别为卫星系统中各个传感器输出信号的不确定度和自适应滤波器输出信号的 不确定度；
[0032] 采用拉格朗日乘法对公式（6)进行求解：
[0033] 对（Wpw2)求偏导并令其等于0,分别求得加权值：
[0034]
[0035] 本发明方法的有益效果是：实现数百公里内厘米级至分米级精度高可靠性GPS/ Beidou2/INS紧密组合导航与定位。针对高精度需求，通过对GPS/Beidou2双模数据进行差 分处理，然后和INS数据进行紧密组合滤波，实现航空应用中厘米级定位和角秒至角分不 同精度级别的测姿；通过精密单点定位技术，使用GPS/Beidou2非差观测数据和IGS精密轨 道和钟差信息，实现非差精密单点GPS/Beidou2/INS紧密组合，达到小分米级定位和角秒 至角分精度级别的测姿。本发明方法可为不同精度需求的遥感平台定位与测姿应用提供理 论基础和工程实践经验。
[0036] 说明书附图
[0037] 图1是GPS/BeiDou2/INS分布式卡尔曼滤波框图。
【具体实施方式】
[0038] 下面给出【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。
[0039] -种基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法，其特征在于：它包括以下步 骤：
[0040] 步骤1 :卫星定位数据采集
[0041] 分别采集GPS卫星定位系统的定位数据和Beid〇u2卫星定位系统的定位数据；
[0042] 步骤2 :单点定位模型建立；
[0043] 分别建立GPS卫星定位系统模型和Beidou2卫星定位系统模型，均采用载波相位 求解法，采用如下解算方程：
[0044]
:⑴
[0045] 其中，λ为载波波长，p为载波相位观测值，R为GPS卫星或Beidou2卫星到接收机 相位中心的几何距离；N为载波模糊度；t为GPS卫星或Beidou2卫星的接收机的钟差，t为 GPS卫星定位系统或Beidou2卫星定位系统的时间系统同步误差，^为GPS卫星Beidou2卫 星的钟差；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟误差；Μ为多路径误差；P为GPS 卫星或Beid〇u2卫星的天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪声；
[0046] 在实际定位中，时间系统同步误差项会被接收机钟差项吸收，则载波相位差分解 算方程变为：
[0047]
[0048] 步骤3:GPS与BeiDou2联合定位解算
[0049] 在GPS和BeiDou2进行联合定位的时候，在时间基准同步时，由于BeiDouT与GPST 之间存在微小的时间同步误差，为了消除不同卫星系统对定位的影响，必须采用统一的时 间基准和坐标基准，可以统一采用WGS-84坐标和GPST基准，也可以采用CGCS2000坐标系 和BeiDouT基准。由于WGS-84与CGCS2000的系统差异理论上在0-0. 105mm范围内，对于 短距离的相对定位来说，可以忽略。
[0050] 采用WGS-84坐标和GPST基准，将BeiDou2的载波差分定位和GPS的载波差分定 位进行联立求解，得到如下定位方程组：
[0051]
[0052] 其中，Δ▽表示双差算子，λ为载波波长，P为载波相位观测值，R为卫星到接收 机相位中心的几何距离；Ν为载波模糊度；C为光速；Τ为对流层延迟误差；I为电离层延迟 误差；Μ为多路径误差；Ρ为天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪 声；上标C和G分别对应于BeiDou2卫星定位和GPS卫星定位；
[0053] 得BeiDou2/GPS双差载波相位观测方程为：
[0057] 其中，dX表示相对坐标改正向量；Δ