一种GNSS/MEMS惯性组合芯片定位算法中的多路径滤波方法与流程

本发明属于卫星导航技术领域与惯性导航技术领域，具体涉及一种基于gnss/mems组合导航芯片定位算法中的多路径滤波器技术。

背景技术：

以mems(micro-electro-mechanicalsystem)惯性传感器为基础部件的惯性导航具有不受干扰、完全自主式导航的特点，但误差随时间积累。卫星导航系统(gnss)的显著特点是直接提供绝对定位坐标，且误差不随时间积累，但存在无线电信号易受遮挡和干扰的不足。惯性/卫星导航紧密相结合的组合充分发挥了二者的优势，组合系统可以弱星环境下持续提供系统的位置、速度和时间信息。

在弱星环境下，如城市峡谷或高大建筑物旁，直线视距内的卫星信号会被折射形成多路径信号。受多径影响的伪距观测量成为真实伪距量与偏置量叠加而成。由于多径信号是由传播路径增加即传播时间加大造成的，通常为正偏置，偏置变化具有统计零均值特性。

抗多径干扰可在gnss接收机的任意三个环节之一进行，即天线/射频前端环节、信号跟踪环节和导航解算环节，前两个环节的专有技术将显著增加接收的成本，特别是芯片化的gnss接收机中不具实际实现性。芯片中需要更为先进的算法来实现低成本同时满足抗多径的目标，特别是在大众应用场景中更易出现的弱星环境下如何保持精度具有很大技术挑战。gnss/mems惯性组合导航芯片可借助于mems惯性器件的辅助信息更便捷地实现这一目标。

技术实现要素：

1、本发明的目的

本发明提供一种基于gnss/mems组合导航芯片定位算法中的多路径滤波器技术。该滤波技术由两级滤波器构成，第一级滤波器用于估计每颗卫星观测量的多路径的值，使用imu计算的伪距做为观测输入；第二级滤波器使用经修正多径后的gnss伪距和多普勒做为观测输入。两级滤波器均在组合导航芯片的解算单元进行，从而实现在弱星环境(如城市峡谷等)下抗多路径影响，持续保持导航定位精度的目标。

2、本发明所采用的技术方案

本发明公开了一种gnss/mems惯性组合芯片定位算法中的多路径滤波方法，包括在芯片的导航定位单位中建立两级滤波器：

第一级滤波器用于估计每颗卫星观测量的多路径的值，使用imu计算的伪距做为观测输入；第二级滤波器使用经修正多径后的gnss伪距和多普勒做为观测输入；

两级滤波器均在组合导航芯片的解算单元进行，根据第二级滤波器产生的三轴加速度计零偏、三轴陀螺零偏的估计值对mems传感器误差进行修正，从而抑制经过惯导解算后位置和速度误差，提高imu推算得到的伪距精度；钟差与钟漂反馈回gnss跟踪环路所产生的每颗卫星伪距和多普勒观测量，减小伪距部分除多路径误差外的其余误差对第一级滤波器中gnss伪距输入误差的影响。

优选的，第一级滤波器中根据每颗跟踪到的卫星建立一维滤波器形成滤波器族，每个单一滤波以多路径为待估计量，多路径是真值伪距的偏置，假设其数学模型其为随机常数。imu计算得到的伪距与gnss伪距的差值为滤波器观测更新量；每颗卫星多路径估计的结果在第二级滤波器中使用。

优选的，1.1根据每颗跟踪到的卫星建立一维滤波器形成滤波器族，每个单一滤波以多路径为待估计量；

假设每颗卫星的多路径具有如下动态方程

xk,i＝xk-1，i+vk,i,其中i表示第i颗跟踪的卫星，vk,i假设为零均值高斯噪声。

滤波的预测可表示为:pk,i＝pk-1，i+qk，i,其中qk，i为多径的动态噪声，可根据实际建模取值。

第i个多径的滤波在k时刻的新息sk，i可表示为：

sk，i＝hk，ipk,ihk,i+rk,i

其中，hk,i,rk,i分别表示滤波的设计矩阵和观测噪声。

滤波增益可表示为：mk,i＝pk，i/sk,i

滤波的量测更新的观测量为：zk,i＝ρimu,i-ρi

其中,ρimu,i、ρi分别为imu计算得到的第i颗卫星的伪距和gnss产生的原始伪距。imu的伪距和多普勒可推导出以下计算公式

(xi,yi,zi)表示imu的位置，ecef(earthcenteredearthfix)坐标系；(xs,i,ys,i,zs,i)表示第i颗卫星的位置，ecef坐标。

1.2：对gnss每颗星的原始伪距根据第一步结果进行修正；

1.3：检查ρimu,i、ρi之间的差值来判断是否在下一时刻继续运行该颗卫星的滤波器，若卫星跟踪不连续或差值小于门限，则重置该颗星的多径滤波，对于gps星和伽利略星而言门限选取为10m，对于北斗或格洛纳斯选取门限为15m。该门限可根据实际芯片环路噪声调整。

优选的，第二级滤波算法选用待估计误差作为状态，17维误差状态向量，包含三维位置误差、三维速度误差、三维姿态误差、三轴加速度计零偏、三轴陀螺零偏、接收机的钟差与钟漂。

优选的，建立第二级组合导航滤波器。

组合滤波算法选用待估计误差作为状态，17维误差状态向量，包含三维位置误差、三维速度误差、三维姿态误差、三轴加速度计零偏、三轴陀螺零偏、接收机的钟差与钟漂。

使用卫星的伪距和多普勒为滤波器观测量

则每一对伪距和多普勒观测量为

其中,ρimu,fdopp-imu分别为imu计算得到的伪距和多普勒，ρi,fidopp-gps为第i颗卫星的伪距和多普勒测量值，m表示m颗有效卫星。

其中imu的伪距和多普勒可推导出以下计算公式

其中(vins,x,vins,y,vins,z)表示imu的速度，ecef坐标系；

(vsv,xi,vsv,yi,vsv,zi)表示第i颗卫星的速度，ecef坐标系；λ为该卫星信号的波长；(eix,eiy,eiz)为第i颗星的视距向量。

其对应的设计矩阵可写为

其中e为由当前估计位置和卫星位置所决定的视距向量组成的视距矩阵。

优选的，还包括反馈校正传感器误差步骤。

优选的，还包括反馈校正时钟误差，即在下一时刻的gnss原始伪距中移除钟差，在gnss原始多普勒中移除钟漂步骤。

3、本发明所采用的有益效果

本发明可以抑制在城市峡谷、高层建筑物附近、茂密树木等弱星环境下卫星多路径信号带来的对导航定位的负面影响。第一级滤波器用于估计每颗卫星观测量的多路径的值，使用imu计算的伪距做为观测输入；第二级滤波器使用经修正多径后的gnss伪距和多普勒做为观测输入。两级滤波器均在组合导航芯片的解算单元进行，从而实现在弱星环境(如城市峡谷等)下抗多路径影响，持续保持导航定位精度的目标。

附图说明

图1是本发明gnss/mems芯片定位算法中的多路径滤波器原理架构。

图2为est-mp使用该发明提出的第一级滤波器对gnss多径估计出的结果。

图3为多径补偿后的输入第二级滤波器的imu与gnss观测量信息示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实例中的附图，对本发明实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明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

下面将结合附图对本发明实例作进一步地详细描述。

实施例

对每颗连续跟踪到的卫星建立多径滤波器，直接使用该卫星的伪距多径值做为待估计状态；imu计算的伪距做为多径滤波器的观测输入进行卡尔曼滤波计算，多径滤波器本质为一个滤波器族，由多个单一的滤波组成，滤波族的中滤波单元的个数根据所跟踪的卫星数动态确定，当卫星不再被跟踪或不存在多径影响时对每个滤波单元进行初始化；每颗星多径滤波器的触发与初始化由imu进行门限判断；对gnss/mems组合导航建立紧组合滤波器，使用经修正多径后的gnss伪距和多普勒做为观测输入进行卡尔曼滤波计算。

在芯片的导航定位单位中建立两级滤波器，第一级用于确定多径观测量，第二级用于提供连续的导航定位结果。第一级滤波器的运行与初始化由imu推算的伪距和多普勒确定。两级滤波器均在组合导航芯片的解算单元进行，从而可在弱星环境(如城市峡谷等)下抵抗卫星信号多路径效应的影响，持续保持导航定位的精度。其原理如图1所示。该滤波技术由两级滤波器构成，第一级滤波器用于估计每颗卫星观测量的多路径的值；第二级滤波器使用经修正多径后的gnss伪距和多普勒做为观测输入，从而实现在弱星环境(如城市峡谷等)下抗多路径影响，持续保持导航定位精度的目标。两级滤波器均在组合导航芯片的解算单元进行，

第一步：根据每颗跟踪到的卫星建立一维滤波器形成滤波器族，每个单一滤波以多路径为待估计量。

假设每颗卫星的多路径具有如下动态方程

xk，i＝xk-1，i+vk，i,其中i表示第i颗跟踪的卫星，vk，i假设为零均值高斯噪声。

滤波的预测可表示为:pk，i＝pk-1，i+qk，i,其中qk，i为多径的动态噪声，可根据实际建模取值。

第i个多径的滤波在k时刻的新息sk，i可表示为：

sk，i＝hk,ipk,ihk,i+rk,i

其中，hk,i,rk,i分别表示滤波的设计矩阵和观测噪声。

滤波增益可表示为：mk,i＝pk,i/sk,i

滤波的量测更新的观测量为：zk,i＝ρimu,i-ρi

其中,ρimu,i、ρi分别为imu计算得到的第i颗卫星的伪距和gnss产生的原始伪距。imu的伪距和多普勒可推导出以下计算公式

(xi,yi,zi)表示imu的位置，ecef(earthcenteredearthfix)坐标系；(xs,i,ys,i,zs,i)表示第i颗卫星的位置，ecef坐标。

第二步：对gnss每颗星的原始伪距根据第一步结果进行修正；

第三步：检查ρimu,i、ρi之间的差值来判断是否在下一时刻继续运行该颗卫星的滤波器，若卫星跟踪不连续或差值小于门限，则重置该颗星的多径滤波，对于gps星和伽利略星而言门限选取为10m，对于北斗或格洛纳斯选取门限为15m。该门限可根据实际芯片环路噪声调整。

第四步：建立第二级组合导航滤波器。

组合滤波算法选用待估计误差作为状态，17维误差状态向量，包含三维位置误差、三维速度误差、三维姿态误差、三轴加速度计零偏、三轴陀螺零偏、接收机的钟差与钟漂。

使用卫星的伪距和多普勒为滤波器观测量

则每一对伪距和多普勒观测量为

其中,ρimu,fdopp-imu分别为imu计算得到的伪距和多普勒，ρi,fidopp-gps为第i颗卫星的伪距和多普勒测量值，m表示m颗有效卫星。

其中imu的伪距和多普勒可推导出以下计算公式

其中(vins,x,vins,y,vins,z)表示imu的速度，ecef坐标系；

(vsv,xi,vsv,yi，vsv，zi)表示第i颗卫星的速度，ecef坐标系；λ为该卫星信号的波长；(eix，eiy，eiz)为第i颗星的视距向量。

其对应的设计矩阵可写为

其中e为由当前估计位置和卫星位置所决定的视距向量组成的视距矩阵。

第五步：反馈校正传感器误差；

第六步：反馈校正时钟误差，即在下一时刻的第一步和第二步的gnss原始伪距中移除钟差，在第二步的gnss原始多普勒中移除钟漂。

对该发明所提出的算法进行了效果测试，测试环境为密集城市楼群环境。使用高等级的gnss/imu组合系统做为参考真值，有如下结果，以北斗svid15为例。如图2，其中est-mp为使用该发明提出的第一级滤波器对gnss多径估计出的结果，truth-mp表示以参考系统为基准计算出的gnss多径真值。可看出est-mp对多径估计有效。经多径补偿后的输入第二级滤波器的imu与gnss观测量信息如图3所示。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。