一种gnss-ins组合中的桥接方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高精度后处理组合定位定向技术领域，具体是一种GNSS-INS组合中的 桥接方法。
【背景技术】
[0002] 美国GPS、中国"北斗"系统、俄罗斯"GLONASS"系统、欧盟"伽利略"系统合称为全球 导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System)。惯性导航系统INS(Inertial Navigation System)是一种依靠牛顿力学为基础，不依靠外部设备，通过加速度计测量载 体在惯性坐标系下的加速度，对时间进行积分，结合陀螺仪所测角速度算出的旋转矩阵转 化到导航坐标系中，进而得到载体的位置、速度、姿态角的自主式导航系统。卫星定位不会 产生积分误差，但易收到外界环境的干扰;惯性导航仅靠自身设备就能完成，但各项误差会 随时间产生积分误差，因而两个导航系统具有鲜明的优势互补关系。二者的组合定位定向 也就变成了测绘导航领域的研究热点问题。
[0003] 与实时的组合导航领域不同，事后的组合定位定向一般对于位置姿态的精度要求 很高。GNSS采用差分定位模式，采用载波相位观测量求解出整周模糊度进而能得到厘米级 的定位精度JMU可持续提供载体的姿态信息，并且能在GNSS卫星失锁的时候提供载体的位 置信息，但此时的位置精度一般不高。受硬件设备属性的影响，目前通常GNSS的采样频率是 l-20Hz，但是MJ的采样频率在100-500HZ，所以在GNSS和MJ观测时刻不相同的历元点上只 能由MU独立导航，在相同观测时刻点系统由GNSS-INS组合滤波器决定，期间很短的时间内 可以看成是"卫星假象失锁"。另一方面在城市峡谷下，GNSS卫星的观测条件比较恶劣，致使 会发生大量的短时甚至长时间的真正失锁现象，系统转变回单独的MU独立导航，整个组合 定位系统的精度都会下降。以上出现的两种情况下，都会导致整个系统质量的不统一，即导 致最终结果中会有很多突变的"锯齿"存在。前者对于系统精度的影响不大，"锯齿"的长度 都比较小；后者GNSS卫星出现真正失锁时，失锁的时间越长，"锯齿"的宽度就越大，这对组 合系统的精度影响尤为严重。对此很多人提出神经网络的方法，补偿由MU独立导航的历元 参数，但该方法依赖于长时间的良好GNSS观测数据，且需要观测时间较长，但只要是正常的 GNSS观测时间段内就会出现"卫星假象失锁"，这种方法的补偿频率高，存在适用性较低，稳 定性较低、精度差等问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种适应能力强、稳定性强并且精度高的GNSS-INS组合中 的桥接方法，解决了 GNSS正常连续观测中定位结果存在的"锯齿"问题和因 GNSS失锁导致系 统精度降低的问题。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0006] -种GNSS-INS组合中的桥接方法，包括：
[0007] 第一，利用载波相位观测值求出厘米级的位置量；
[0008] 第二，若没有GNSS定位结果，则进行INS的独立导航推算；
[0009] 第三，若存在GNSS定位结果，则启动GNSS-INS滤波器，把前两步中的位置量之差组 成扩展卡尔曼滤波的量测值，计算出各状态量的补偿量，更新校正系统的状态量。
[0010] 作为本发明进一步的方案:具体步骤为：
[0011] (l)GNSS利用C/A码和双频载波相位数据，采用双频相关法（Dual Frequency Method，DUFC0M)搜索出正确的整周模糊度，获取厘米级的位置量；
[0012] (2)把陀螺仪输出的角速度，结合已知的地球自转角速度，利用四元数更新方法， 得到由载体坐标系b系至导航坐标系e系的旋转矩阵和加速度计输出的加速度一起进行 一次积分得到速度^二次积分得到位置^&^
[0013] (3)若步骤(1)中GNSS卫星未发生失锁，把所得位置、速度和步骤(2)中由惯性导航 方程推算出的位置、速度组成扩展卡尔曼滤波中的量测观测值，这里采用的是闭环校正的 方式，即得到的状态量进行实时更新校正，以提高下一个历元的惯性导航计算的精度；
[0014] (4)若步骤（1)中GNSS卫星发生了失锁，则无法获得GNSS定位结果；或者是和GNSS 采样历元不同步的頂U采样历元，系统都会转变成INS独立导航，受其导航原理的影响和惯 性器材精度的影响，系统精度会逐渐降低；当重新获取GNSS定位结果时，系统重新恢复成 GNSS-INS组合滤波器，当前历元的状态量重新获取补偿校正量，故可解算出新的高精度的 位置、速度、姿态角信息。这里可直接不需证明的给出该历元的误差补偿量是由于整个"卫 星失锁"期间INS独立导航的误差累积而成，即和整个"失锁"期间的各个历元都相关，故可 以此为新的观测量，依次对"失锁"期间的各个历元重新进行误差补偿。没有严密的理论依 据表明位置、速度、姿态角的误差因子一定相同，因而本发明采用独立参数的位置、速度、姿 态误差补偿桥接方法。即使用独立的参数方程进行拟合，再以各惯性导航历元和失锁时的 时间差为自变量算出相应惯性导航历元的位置、速度、姿态补偿量，得到精度更高的位置、 速度、姿态角。
[0015] 作为本发明进一步的方案:其中前3个步骤采用的常规的分布式卡尔曼滤波器，首 先以GNSS的双差观测值解算出高精度的位置、速度结果，然后和INS导航结果组建松散卡尔 曼滤波，因系统的状态方程是非线性方程，故本发明中使用的是扩展的卡尔曼滤波器，即以 各参数的误差作为状态量，滤波器直接得到各参数的误差，再反馈校正各个参数；以上两个 滤波器的内容属于GNSS-INS组合中的常规内容。
[0016] 作为本发明进一步的方案:上述步骤(4)中涉及到的利用补偿量来桥接，即导航参 数所对应的桥接拟合参数方程如下：
[0017] 在导航坐标系为地固系(e系）中INS的姿态误差方程为：
[0019] 其中，ε，d分别表示误差角和陀螺漂移；《表示b系到e系的旋转矩阵；1?表示e系 相对于i系的角速度?名所对应的反对称矩阵；
[0020] GNSS在经过闭环的校正后，尤其是在高精度GNSS-INS组合中，误差角本身就是一 种可观测状态，误差角ε、陀螺漂移d非常小，当在忽略第二项的情况下，那么认为ε和时间呈 指数函数的关系：
[0022] 考虑到地球自转的角速度很小，上式在很短的时间内，可以被看成是个常数，这个 模型显然和实际的不符;若忽略第一项，并认为在一个滤波的周期内载体的姿态角不会变 化，那么误差角ε可以被看成是时间的线性函数：
[0023] ε=Κε? 3)
[0024] 上述的模型更加符合实际，虽然把载体的姿态角看成不变，在实际载体运动中很 难满足，但是由于姿态误差角属于小量，上述模型带来的误差并不大，而且有比较强的适用 性；
[0025] 同时针对本发明提出的误差补偿单向桥接方法，实际的导航计算中，尤其是在 GNSS失锁时间较长的情况下，位置、速度对应的误差因子通常并不相同，此外，如果二者使 用相同的误差因子，那么必须使用最小二乘拟合，另一方面没有严密的理论表明需要使用 相同的拟合参数，实际计算后的残差更小；因而在本发明中采用不同的拟合参数，这也更加 合理，适用性更高、精度更高、稳定性更强;最终的桥接公式为：
[0027] 其中，ΔΓ、Δν分别表示位置误差、速度误差;t为滤波周期;Kr，U表示各方程的 参数。
[0028] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0029] 本发明不需区分卫星是否真实失锁，以GNSS-INS的松组合为基础，在分布式扩展 卡尔曼滤波框架中来实现，紧密利用卫星恢复正常时的误差补偿量，以GNSS对頂U的补偿量 为新的观测量，独立反算出三种导航参数对应的拟合系数，具体是二次关系拟合位置误差， 速度误差、姿态角误差则选用线性关系拟合，从而补偿IMU独立导航期间的误差，达到连续 的、平滑的高精度稳定状态输出。
[0030] 本发明对于因 GNSS正常连续观测校正頂U时，主要体现在避免结果出现的"锯齿" 现象，而对于GNSS失锁期间，主要体现在提升整个失锁期间的精度水平。本发明统一解决了 GNSS正常连续观测中定位结果存在的"锯齿"问题和因 GNSS失锁导致系统精度降低的问题， 具有适应能力强、稳定性强并且精度高的优点。
【附图说明】
[0031 ]图1是一种GNSS-INS组合中的桥接方法流程图；
[0032]图2是车载运动轨迹；
[0033] 图3是人为删除GNSS结果轨迹图；
[0034] 图4是本发明对于GNSS正常连续观测时平面位置效果；
[0035] 图5是本发明对于GNSS正常连续观测时高程部分数据效果；
[0036]图6是本发明中GNSS连续正常观测时三轴位置导航参数拟合系数；
[0037] 图7是本发明中GNSS连续正常观测时三轴速度导航参数拟合系数；
[0038] 图8是本发明中对于GNSS失锁2分钟时高斯投影北坐标效果图；
[0039] 图9是本发明中对于GNSS失锁2分钟时高斯投影东坐标效果图；
[0040] 图10是本发明中对于GNSS失锁2分钟时椭球高效果图；
[0041 ]图11是本发明中对于GNSS失锁2分钟时东向速度效果图；
[0042]图12是本发明中对于GNSS失锁2分钟时北向速度效果图。
【具体实施方式】
[0043] 下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例仅仅是本发