专利名称：基于环路状态自检测的sins/gps深组合导航方法
技术领域：
本发明属于惯性与卫星组合导航的技术领域，特别是一种基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法。
背景技术：
惯性/卫星深组合技术是一种使用卫星导航系统内部跟踪环路信息作为观测量，并利用组合导航系统的输出反馈辅助GPS跟踪环路，提高高动态环境下接收机环路跟踪适应性能及导航精度的组合导航技术。捷联惯性导航系统和卫星导航系统的特性具有良好互补性，基于惯性和卫星系统互补特性而构建的惯性/卫星组合导航系统可实现全球范围内全天时、全天候的高精度连续导航，是导航技术近年来以及未来相当长一段时期内发展的主要方向。近年来，在高动态环境适应性和抗干扰、高精度等导航需求的牵引下，惯性导航与卫星导航的组合导航技术组合的层次和信息利用与处理的水平不断深化，深组合模式与当前的松组合和紧组合有着显著的不同，是惯性/卫星组合导航系统三种组合模式中的技术复杂度最高的组合模式。目前，深组合技术已成为国外组合导航领域的一个研究热点，其核心是将惯性系统与卫星接收机的导航信息实现深度耦合，通过断开卫星接收机中跟踪环路的反馈通道，利用卫星/惯性组合的导航结果直接控制卫星导航接收机中本地信号，实现惯性和卫星接收机信息的双向辅助。因此，惯性/卫星深度组合技术在导航系统要求更高导航性能的需求下，具有重要的应用研究价值与现实意义。
发明内容
本发明所解决的技术问题在于提供一种高动态环境下具有稳定导航性能的基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法。实现本发明目的的技术解决方案为一种基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法，包括以下步骤步骤I、对捷联惯性导航系统进行初始对准和GPS软件接收机参数初始化设置；步骤2、GPS软件接收机对接收到的数字中频信号进行捕获、码和载波跟踪、导航电文解码、伪距估算、位置和速度解算处理；步骤3、在GPS软件接收机各通道跟踪环路中建立环路预处理扩展卡尔曼滤波器模型，该模型利用码和载波跟踪环路中相关运算后生成的六路相关积分值作为观测量，利用跟踪环路本地信号特征参量作为状态量；环路预处理扩展卡尔曼滤波器对状态变量进行更新，得到状态估计值后通过参数转换后得到GPS卫星和载体视线方向上的伪距偏差和伪距率偏差输入到组合滤波器中；步骤4、建立捷联惯性导航系统和GPS导航系统深组合卡尔曼滤波器模型，该模型的状态量为捷联惯性导航系统在东、北、天地理坐标系下三维姿态误差、三维速度误差、三维位置误差、三维陀螺常值漂移误差、三维陀螺一阶马尔可夫漂移误差和三维加速度计零偏，以及GPS接收机在地心地固坐标系(ECEF)下的等效时钟误差对应的距离，等效时钟频率误差对应的距离率；该模型的观测量为步骤(3)中所述的GPS卫星和载体视线方向上的伪距偏差和伪距率偏差，根据获得的观测量信息，对状态量进行更新得到导航误差参数；
步骤5、利用步骤(4)中所述的导航误差参数对捷联惯性导航系统进行状态校正；步骤6、利用校正后的捷联惯性导航系统输出的位置和速度结果结合同时刻卫星位置、速度状态信息进行跟踪环路中码环及载波环的频率控制量估算，以控制下一周期跟踪环路中本地信号的生成，并利用环路预处理扩展卡尔曼滤波器估计得到的载波相位差最优估计值△ ΘΜ 对本地载波相位进行补偿，完成对跟踪环路中本地信号的反馈控制。进一步地，本发明基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法中，所述步骤3具体包括(a)建立环路预处理扩展卡尔曼滤波器模型观测量为跟踪环路的六路相关积分值IE，Ip, IL, Qe, Qp, Ql,其观测模型为
权利要求
1.一种基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤 步骤I、对捷联惯性导航系统进行初始对准和GPS软件接收机参数初始化设置； 步骤2、GPS软件接收机对接收到的数字中频信号进行捕获、码和载波跟踪、导航电文解码、伪距估算、位置和速度解算处理； 步骤3、在GPS软件接收机各通道跟踪环路中建立环路预处理扩展卡尔曼滤波器模型，该模型利用码和载波跟踪环路中相关运算后生成的六路相关积分值作为观测量，利用跟踪 环路本地信号特征参量作为状态量；环路预处理扩展卡尔曼滤波器对状态变量进行更新，得到状态估计值后通过参数转换后得到GPS卫星和载体视线方向上的伪距偏差和伪距率偏差输入到组合滤波器中； 步骤4、建立捷联惯性导航系统和GPS导航系统深组合卡尔曼滤波器模型，该模型的状态量为捷联惯性导航系统在东、北、天地理坐标系下三维姿态误差、三维速度误差、三维位置误差、三维陀螺常值漂移误差、三维陀螺一阶马尔可夫漂移误差和三维加速度计零偏，以及GPS接收机在地心地固坐标系(ECEF)下的等效时钟误差对应的距离，等效时钟频率误差对应的距离率；该模型的观测量为步骤(3)中所述的GPS卫星和载体视线方向上的伪距偏差和伪距率偏差，根据获得的观测量信息，对状态量进行更新得到导航误差参数； 步骤5、利用步骤4中所述的导航误差参数对捷联惯性导航系统进行状态校正； 步骤6、利用校正后的捷联惯性导航系统输出的位置和速度结果结合同时刻卫星位置、速度状态信息进行跟踪环路中码环及载波环的频率控制量估算，以控制下一周期跟踪环路中本地信号的生成，并利用环路预处理扩展卡尔曼滤波器估计得到的载波相位差最优估计值Δ ΘΜ 对本地载波相位进行补偿，完成对跟踪环路中本地信号的反馈控制。
2.根据权利要求I所述的基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法，其特征在于，步骤3具体包括 (a)建立环路预处理扩展卡尔曼滤波器模型 观测量为跟踪环路的六路相关积分值IE，Ip, IL, Qe, Qp, Qy其观测模型为
3.根据权利要求I所述的基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法，其特征在于，在步骤2与步骤3之间还包括利用码和载波跟踪环路中的六路相关积分值对码和载波跟踪环路进行状态自检测和载噪比信息计算的步骤，判断如果该通道未发生失锁则跟踪环路的跟踪状态正常并执行步骤3，否则返回步骤2。
4.根据权利要求3所述的基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法，其特征在于，利用码和载波跟踪环路中的六路相关积分值对码和载波跟踪环路进行锁定自检测及载噪比信息计算具体为 按设定周期计算接收信号载噪比信息，并判断跟踪时刻前面相邻η个积分周期的相关积分结果Ip值符号，I < η < 10且η为正整数，所述积分周期为1ms，如果在相邻η个积分周期内出现两次Ip值符号变化且载噪比下降大于阈值(阈值为10 20)，则判定该通道本时刻的信号发生失锁现象，如仅有载噪比下降而符号变化小于两次情况，则判定该通道信号还未失锁； 载噪比信息计算具体为 (I)计算每个时刻积分结果Ip、Qp的平方和，构造序列Z，Zk表示如下 Zk = (I2p,+Q2p,)其中k为标示时刻的下标，Ip为同相支路的即时累加输出，Qp为正交支路的即时累加输出； (2)计算载波功率均值 Pcarr = 其中Z为序列Zk的均值，户·为载波功率均值，Ζ = (ια)ΣΛ; 4为序列Zk的方差，4=^1Yd 私 (3)计算Ip、Qp噪声方差 (4)计算载噪比C/N。 其中τ为载噪比设定积分时间，载噪比单位为dB-Hz。
5.根据权利要求I所述的基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法，其特征在于，步骤4中状态量由两部分组成，可表示为X(t) = [X1 Xe]，其中X1和Xe分别为 xi=[<i 4 4 Kδλ 5h Sbx Sby Sbz εα εψ ε。Vx \ VzJ Xg = [ δ tu δ tru]T 其中，X1 Ssins系统中对应的状态量，分别为三维姿态误差(φε φν φ )、三维速度误差(δ Ve δνΝ δ Vu)、三维位置误差(δ L δ λ δ h)、三维陀螺常值漂移误差(ε bx ebyε bz)、三维陀螺一阶马尔可夫漂移误差(ε M ery ε rz)和三维加速度计零偏(Vx ' Vz )，T为转置运算；Xe为GPS系统中对应的状态量，分别为一维接收机等效时钟误差对应的距离Stu和一维等效时钟频率误差对应的距离率Stra; 捷联惯性导航系统和GPS导航系统深度组合系统状态方程为 X{t) = F(t)X(t) + G(t)W(t) 其中，t为时间下标，F(t)为一步转移阵，G(t)为系统噪声系数阵，ff(t)为系统噪声，X(t)为系统状态量。
6.根据权利要求I所述的基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法，其特征在于，步骤6中利用校正过的捷联惯性导航系统输出位置和速度结果结合同时刻卫星位置、速度状态信息进行跟踪环路中码环及载波环的频率控制量估算方法如下 Vecef =(VE-VE)T ■ ^ ~ ^user _ sate V us / ECEF f _ fuser _ sate ^ r J code J codeBasisJ codeBasisC ECEF ppuser sate p Jcarr = JlF +-"^ X Λ C 其中，为接收机和卫星相对速度在径向方向上的投影，<、<分别为接收机与卫星在地心地固直角坐标系中的速度，F/、F/分别为接收机与卫星在地心地固直角坐标系中位置，fcode为码环频率控制量，fcarr为载波环频率控制量，fIF为载波中频频率； 利用环路预处理扩展卡尔曼滤波器得到的本地信号和输入信号载波相位差的最优估计值△ θ carr,k+i对本地载波相位进行补偿，具体补偿方法如下 Θ= Θ , + Δ Θ carr, k+1carr, kcarr, k+1其中，θ carr,k+l为k+1时刻本地载波相位值。
全文摘要
本发明公开了基于环路状态自检测的SINS/GPS深组合导航方法，利用跟踪环路中的六路相关积分值进行环路状态自检测，建立环路预处理扩展卡尔曼滤波器模型对状态变量进行更新得到的伪距偏差和伪距率偏差输入到组合滤波器中；建立组合滤波器模型根据获得的观测量信息对状态量进行更新得到导航误差参数；利用导航误差参数对SINS系统进行状态校正；利用校正后的SINS状态与同时刻的卫星状态信息进行环路中码环及载波环的频率控制量估算，并利用环路预处理滤波器得到的本地信号和输入信号载波相位差的最优估计值对本地载波相位进行补偿，以控制本地码及本地载波信号的生成，提高SINS/GPS组合导航系统在高动态环境下的导航性能。
文档编号G01S19/48GK102636798SQ20121010610
公开日2012年8月15日 申请日期2012年4月12日 优先权日2012年4月12日
发明者刘建业, 孙永荣, 徐昭, 曹进, 曾庆化, 李荣冰, 武成峰, 王翌, 谢非, 黄隽祎 申请人:南京航空航天大学