一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法
【专利摘要】本发明公开了一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，首先对IMU输出数据捷联解算获得SINS当前姿态、速度、位置信息。对卫星星历报文进行星历解算得到各卫星位置、速度，各卫星系统时空统一，进行卫星选星。其次，利用选取的卫星位置、速度信息与捷联解算得到的SINS位置、速度信息计算得到SINS伪距、伪距率。再次，利用GNSS输出的原始测量数据，即测码伪距和多普勒频移，与SINS伪距、伪距率进行比较，将差值作为滤波器的观测量，经过滤波器的最优估计，给出校正SINS的补偿量，闭环校正，得到SINS姿态、速度、位置最优解。本发明解决了惯导与单卫星组合导航在高楼遮挡、树木掩盖等复杂环境下卫星数目过少影响紧组合导航精度的问题。
【专利说明】一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法
【技术领域】
[0001]本发明属于导航【技术领域】，具体涉及一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，特别适用于高楼遮挡、树木掩盖等复杂环境下卫星数目过少的情况下的组合解
笪
【背景技术】
[0002]惯性导航以牛顿经典运动力学定律为基础，是一种利用惯性测量元件测量载体的角运动和线运动参数、在初始状态基础上进行递推来确定运载体姿态、速度和位置的自主式推算导航方法。目前，惯性导航技术已发展较为成熟，但在远程、长时间航行及武器发射等高精度导航时还不能完全满足要求，其主要缺点是导航定位误差随时间积累。导航误差主要由初始对准的精度、惯性传感器的误差以及载体运动轨迹的动态特性决定，长时间独立工作后误差会发散很快。组合导航技术的出现为这一问题的解决提供了一种有效途径，卫星导航能够实时的测定载体速度和位置，与惯性导航系统组合在一起，通过信息融合技术可进一步提高导航系统的精度。目前，组合导航技术已成为导航技术发展的重要方向之一。但是在高楼遮挡、数目掩盖等复杂环境下卫星数目过少的情况下，单一的卫星与捷联惯性导航系统组合导航解算精度下降。

【发明内容】

[0003]针对惯导与单卫星组合导航在高楼遮挡、树木掩盖等复杂环境下卫星数目过少影响紧组合导航精度的问题，本发明提出一种多卫星系统与惯性导航系统紧合导航的方法。
[0004]一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，包括以下步骤:
[0005](I)对惯性测量元件(MU)输出数据通过捷联解算获得捷联惯导当前姿态、速度、位置，对卫星系统接收机输出的星历报文进行卫星数据处理，获得卫星的速度、位置信息；
[0006](2)利用卫星速度、位置与SINS位置、速度信息通过SINS伪距、伪距率计算得到SINS伪距、伪距率；
[0007](3)从卫星系统接收机输出的伪距报文获得测码伪距和多普勒频移，与SINS伪距、伪距率进行比较，将差值作为滤波器的观测量，建立紧组合状态模型及量测模型，经过最优估计与滤波，输出系统的误差校正量；对系统误差进行校正，输出SINS姿态、速度、位置的最优组合解。
[0008]所述的捷联解算算法是利用IMU测量载体的角运动和线运动参数，在初始状态基础上进行递推来确定安装了 SINS的运载体姿态、速度和位置的自主式推断导航。
[0009]所述的卫星数据处理包括卫星选星、卫星星历解算及卫星系统数据融合。
[0010]所述的SINS伪距、伪距率计算过程是由SINS的位置，卫星的位置计算得到相应于SINS所在位置处的伪距；由SINS的速度、卫星的速度，获得SINS相对于卫星相对运动即SINS的伪距变化率。
[0011]所述的最优估计与滤波采用的是卡尔曼滤波器。[0012]所述的紧组合状态模型及量测模型的建立方法如下:
[0013](I)多系统紧组合状态方程建立
[0014]将捷联误差方程和卫星系统建模转为状态方程描述
[0015]
【权利要求】
1.一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)对惯性测量元件aMU)输出数据通过捷联解算获得捷联惯导当前姿态、速度、位置，对卫星系统接收机输出的星历报文进行卫星数据处理，获得卫星的速度、位置信息； (2)利用卫星速度、位置与SINS位置、速度信息通过SINS伪距、伪距率计算得到SINS伪距、伪距率； (3)从卫星系统接收机输出的伪距报文获得测码伪距和多普勒频移，与SINS伪距、伪距率进行比较，将差值作为滤波器的观测量，建立紧组合状态模型及量测模型，经过最优估计与滤波，输出系统的误差校正量；对系统误差进行校正，输出SINS姿态、速度、位置的最优组合解。
2.根据权利要求1所述的多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，其特征是:所述的捷联解算算法是利用MU测量载体的角运动和线运动参数，在初始状态基础上进行递推来确定安装了 SINS的运载体姿态、速度和位置的自主式推断导航。
3.根据权利要求1所述的多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，其特征是:所述的卫星数据处理包括卫星选星、卫星星历解算及卫星系统数据融合。
4.根据权利要求 1所述的一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，其特征是:所述的SINS伪距、伪距率计算过程是由SINS的位置，卫星的位置计算得到相应于SINS所在位置处的伪距；由SINS的速度、卫星的速度，获得SINS相对于卫星相对运动即SINS的伪距变化率。
5.根据权利要求1所述的一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，其特征是:所述的最优估计与滤波采用的是卡尔曼滤波器。
6.根据权利要求1所述的一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，其特征是:所述的紧组合状态模型及量测模型的建立方法如下: (I)多系统紧组合状态方程建立 将捷联误差方程和卫星系统建模转为状态方程描述
7.根据权利要求3所述的多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，其特征是:所述的卫星选星即选择合适的卫星进行导航解算，具体过程为:首先，判断各卫星系统卫星数目；若某卫星系统卫星数目小于两颗，则将该系统排除；其次，若采用单独卫星与SINS组合导航，选取4星组合；若采用双星座系统与SINS组合，增加卫星系统的同步误差未知数，至少需要5颗星进行导航解算即3+2模式；若采用三个卫星系统与SINS组合时需要6颗星进行定位解算即2+2+2模式；若采用四个卫星系统组合时需要8颗星进行定位解算即2+2+2+2模式；最后，在选取卫星总数目及各个卫星系统数目满足的前提下按照最大矢端多面体体积法或最小二乘法的选星算法进行选星。
8.根据权利要求3所述的一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，其特征是:所述的卫星星历解算算法是指判断卫星系统输出的星历报文的格式，根据不同卫星系统星历报文的格式进行星历解析；卫星系统星历按照格式分为两种:类GPS的广播星历参数格式及类GLONASS的广播星历参数格式；类GPS的广播星历参数格式的报文解析采用卫星位置算法；类GLONASS的广播星历参数格式的报文解析采用推导运动方程积分运算方法。
9.根据权利要求3所述的一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，其特征是:所述的卫星系统数据融合具体为选择主卫星系统，其它辅助卫星系统按照主卫星系统的参考时间、坐标系进行时间、坐标的转换。
10.根据权利要求7所述的一种多卫星系统与捷联惯性导航系统紧组合导航方法，其特征是:所述的3+2模式即双星座与SINS组合时，一个卫星系统选取3颗卫星另一个系统选取2颗卫星；所述的2+2+2模式指三个卫星系统分别选取两颗卫星；所述的2+2+2+2模式为四个卫星系统分别选取两颗卫星。
【文档编号】G01S19/49GK103969672SQ201410204477
【公开日】2014年8月6日 申请日期:2014年5月14日 优先权日:2014年5月14日
【发明者】张涛, 宫淑萍, 徐晓苏, 王立辉, 李瑶, 李佩娟 申请人:东南大学