组合接收机不能进行正常定位，组合导航也无 法正常更新，运时惯性器件误差与组合导航位置、速度和姿态误差会持续发散，即INS生成 的多普勒辅助信息误差会随时间增加而增大。为了验证所有卫星被遮挡时开环跟踪的分析 结论，设定组合导航不更新，测试MEMS惯导、IXSEA惯导开环控制环路跟踪误差结果。
[0145] 图16是MEMS惯导控制开环跟踪10s的测试结果。图16中图（a)是载波相位误 差变化曲线，可W发现从开环控制开始（第4秒）相位误差迅速增大，且随着时间的推移 相位误差增长速度比图13中图（a)所示结果更快。图16中图化）是载波频率误差曲线， 可W发现载波频率误差随时间而发散，运与组合导航不更新时辅助信息误差发散的理论相 符。因此，在组合导航结果无法正常更新的情况下载波频率误差会持续增长，MEMS惯导开 环跟踪载波频率时，需要根据频率误差发散速度设定合理的开环跟踪时间阀值。
[0146] 图17是IXSEA惯导控制开环跟踪10s的测试结果。图17中图（a)是载波相位误 差曲线，可W发现从开环控制开始（第4秒）相位误差随时间的推移而增大，开环10s后相 位误差接近1. 57rad(即90° )，组合导航不更新时辅助信息误差发散的理论可W解释该现 象。因此，组合导航结果无法正常更新的情况下载波相位误差会持续增长，IXSEA惯导开环 跟踪载波相位时需要根据相位误差发散速度设定合理的开环跟踪时间阀值。图17中图化） 是载波频率误差曲线，可W发现载波频率误差发散速度远小于MEMS惯导开环跟踪的结果。
[0147] 综述测试分析，在少数卫星信号遮挡时，低精度惯导可W持续开环跟踪载波频率， 中等精度惯导可W持续开环跟踪载波相位；在所有卫星信号遮挡时，低精度惯导只能维持 几秒的开环跟踪载波频率，中等精度惯导只能维持几秒的开环跟踪载波相位。结论与INS 控制开环跟踪误差模型分析结论一致，验证了模型建立和结果分析的正确合理性，运对于 指导基于不同等级惯导进行GNSS基带的开环跟踪设计具有重要的现实意义。
【主权项】
1. 一种INS控制GNSS基带的开环跟踪误差分析方法，其特征是，包括： 步骤1，构建INS误差与开环跟踪误差间的拉氏域数学模型，本步骤进一步包括： I. 1根据GNSS/INS深组合接收机的闭环跟踪环结构，采用拉氏域构建GNSS/INS深组合 接收机的闭环跟踪误差模型； 1. 2断开闭环跟踪误差模型中环路滤波器输出，仅保留INS误差，得INS控制GNSS基带 的开环跟踪误差模型，INS误差包括頂U零偏类误差和頂U比例因子类误差； 1. 3根据开环跟踪误差模型分别获得頂U零偏类误差和頂U比例因子类误差与开环跟 踪误差间的函数关系；基于所得函数关系，将MU零偏类误差分为随机常数误差和噪声误 差，将IMU比例因子类误差简化为随机常数误差，分别构建頂U零偏类误差与开环跟踪误差 间的第一拉氏域数学模型、以及IMU比例因子类误差与开环跟踪误差间的第二拉氏域数学 丰旲型； 步骤2,在采用不同精度等级惯导系统下，分别在不同开环跟踪模式下求解第一拉氏域 数学模型和第二拉氏域数学模型，得各精度等级惯导系统下不同开环跟踪模式对应的开环 跟踪误差变化规律，从而获得各精度等级惯导系统适用的开环跟踪模式及对应的开环跟踪 时间阈值。2. 如权利要求1所述的INS控制GNSS基带的开环跟踪误差分析方法，其特征是： IMU零偏类误差与开环跟踪相位误差δ Θ (s)间的第一拉氏域数学模型为：IMU零偏类误差与开环跟踪频率误差δ ω (s)间的第一拉氏域数学模型为：其中，λ表示信号波长，bax。表示加速度计零偏常值，δ Vn(O)表示初始速度误差，bgy_ 。表示陀螺零偏常值，表示初始姿态误差，Wbax(S)表示加速度计白噪声，GM bax(S)表 示加速度计的一阶高斯-马尔科夫驱动噪声，Wbgy(s)表示陀螺白噪声，GMbgy(s)表示陀螺的 一阶高斯-马尔科夫驱动噪声，g为重力加速度；s表示拉氏域。3. 如权利要求1所述的INS控制GNSS基带的开环跟踪误差分析方法，其特征是： MU比例因子类误差Ka(S)与开环跟踪相位误差δ Θ (s)间的第二拉氏域数学模型为：MU比例因子类误差Ka(S)与开环跟踪频率误差δ ω (s)间的第二拉氏域数学模型为：其中，4?表示载体与卫星相对运动加速度值，s表示拉氏域。4. 如权利要求1所述的INS控制GNSS基带的开环跟踪误差分析方法，其特征是： 步骤2中，第一拉氏域数学模型和第二拉氏域数学模型的求解具体为： 2. 1对第一拉氏域模型中随机常数误差项和第二拉氏域模型进行拉氏反变换，得开环 跟踪误差的时域模型； 2. 2对时域模型进行仿真分析，得頂U零偏类误差中的随机常数误差和頂U比例因子类 误差引起的开环跟踪误差值； 2. 3采用蒙特卡洛仿真统计噪声误差，经第一拉氏域模型误差传递产生的时域响应，得 IMU零偏类误差中噪声误差引起的开环跟踪误差值。5. -种INS控制GNSS基带的开环跟踪控制方法，其特征是： 该方法针对可正常跟踪卫星数不小于4时的情况： INS辅助跟踪环中的环路滤波器输出和NCO控制输入间设有第一判决开关、INS辅助信 息输出和NCO控制输入间设有第二判决开关； 闭合第一判决开关和第二判决开关，INS辅助跟踪环进行闭环跟踪； 当有卫星信号的即时相关峰值不大于峰值门限值，通过第一判决开关断开该卫星信号 通道对应INS辅助跟踪环的环路滤波器输出对NCO的控制，该对应INS辅助跟踪环进入所 采用惯导系统的精度等级适用的开环跟踪模式进行开环跟踪，适用的开环跟踪模式采用权 利要求1中所述方法获得； 当该卫星信号的即时相关峰值大于峰值门限值，通过第一判决开关恢复该卫星信号通 道对应INS辅助跟踪环的环路滤波器输出对NCO的控制，该对应INS辅助跟踪环恢复闭环 跟踪； 所述的峰值门限值设定为比各卫星信号通道Q路的相关累加值均值大10~20dB。6. -种INS控制GNSS基带的开环跟踪控制方法，其特征是： 该方法针对可正常跟踪卫星数小于4且开环跟踪时间不大于开环跟踪时间阈值的情 况： INS辅助跟踪环中的环路滤波器输出和NCO控制输入间设有第一判决开关、INS辅助信 息输出和NCO控制输入间设有第二判决开关； 闭合第二判决开关，同时通过第一判决开关断开无法正常跟踪的卫星信号通道对应 INS辅助跟踪环的环路滤波器输出对NCO的控制，该对应INS辅助跟踪环进入所采用惯导系 统的精度等级适用的开环跟踪模式进行开环跟踪，适用的开环跟踪模式采用权利要求1中 所述方法获得； 在开环跟踪时间不大于开环跟踪时间阈值时，若有无法正常跟踪的卫星信号的即时相 关峰值大于峰值门限值，通过第一判决开关恢复该卫星信号通道对应INS辅助跟踪环的环 路滤波器输出对NCO的控制，该对应INS辅助跟踪环进行闭环跟踪； 所述的峰值门限值设定为比各卫星通道Q路的相关累加值均值大10~20dB。7. -种INS控制GNSS基带的开环跟踪控制方法，其特征是： 该方法针对可正常跟踪卫星数小于4且开环跟踪时间大于开环跟踪时间阈值的情况： INS辅助跟踪环中的环路滤波器输出和NCO控制输入间设有第一判决开关、INS辅助信 息输出和NCO控制输入间设有第二判决开关； 闭合第二判决开关，同时通过第一判决开关断开无法正常跟踪的卫星信号通道对应 INS辅助跟踪环的环路滤波器输出对NCO的控制，该对应INS辅助跟踪环进入所采用惯导系 统的精度等级适用的开环跟踪模式进行开环跟踪，适用的开环跟踪模式采用权利要求1中 所述方法获得； 至开环跟踪时间大于开环跟踪时间阈值时，仍有无法跟踪的卫星信号的即时相关峰值 仍不大于峰值门限值，断开该卫星信号通道对应INS辅助跟踪环的第二判决开关，GNSS接 收机转入对该卫星信号的重捕。
【专利摘要】本发明公开了一种INS控制GNSS基带的开环跟踪误差分析及控制方法，本发明基于GNSS/INS深组合接收机的闭环跟踪环结构构建INS误差与开环跟踪误差间的拉氏域数学模型；采用拉氏域数学模型分析基于不同精度等级惯导的开环跟踪误差发散规律；基于开环跟踪误差发散规律提出合理的INS控制GNSS基带的跟踪机制。本发明方法可用于短时间卫星信号不可用的情况，能有效提高GNSS接收机信号跟踪环路的连续性，从而获取较高精度的连续观测量信息，这对高精度连续定位与导航具有重要意义。
【IPC分类】G01S19/47
【公开号】CN105182392
【申请号】CN201510621827
【发明人】张提升, 牛小骥, 张鹏辉, 蔡磊, 严昆仑
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年9月25日