专利名称：一种gnss/mins超深组合导航方法、系统及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于组合导航技术领域，尤其涉及一种GNSS/MINS超深组合导航方法、系统及装置。
背景技术：
GNSS/MINS (Global Navigation Satellite System 全球卫星导航系统 /Micro-Electro-Mechanical Systems Inertial Navigation System微机电惯性导航系统)组合导航系统是指以MIMU (MEMS Inertial Measurement Unit微机电惯性测量单元)作为传感器，由GNSS接收机输出位置/速度等参考信息校正MINS误差，由MINS输出位置/速度辅助GNSS接收机捕获跟踪的导航系统。GNSS/MINS组合导航系统因其成本低、体积小、误差不随时间累积、高灵敏度、抗高动态应力等优点，在未来航空、车载应用中有着良好的前景。目前组合导航算法有松组合、紧组合、深组合三种，分别基于位置/速度、伪距/伪距率、I/Q累加值层面进行组合。目前为止，无论松组合、紧组合还是深组合，GNSS和MINS两者之间相对独立。MINS以MIMU为传感器，附加捷联解算实现惯性导航功能；GNSS以基带相关器为传感器，附加导航解算算法实现卫星导航功能；GNSS和MINS再在顶层组合模块中实现融合。用于组合导航的INS —般采用捷联解算算法。GNSS环路跟踪可分为标量环路和矢量环路(VDFLL)。标量环路中使用独立的DLL (延迟锁定环)和PLL (相位锁定环)跟踪每颗卫星，每颗卫星的观测值在输入导航解算模块，使用卡尔曼滤波器或递推最小二乘法进行PVT (位置、速度和时间)解算；矢量算法首先根据预测位置和速度计算卫星伪距、伪距率，再根据伪距、伪距率推算载波频率和码相位，鉴相器输出作为观测量，代表预测伪距、伪距率与真实伪距、伪距率之差，反馈到卡尔曼滤波器对用户位置再进行预测，从而闭合环路。可见，标量环路跟踪和解算分开进行，而矢量环路跟踪和解算在一个卡尔曼滤波器中完成。标量算法各通道独立工作，无法利用各通道之间的冗余信息，因此跟踪灵敏度低且动态性能不好，但优点是各通道不会相互影响。尽管矢量环路耦合多个通道信息进行跟踪和定位，其跟踪灵敏度优于标量环路，但矢量环路中使用的鉴相器为非线性鉴相器，且随载噪比下降，鉴相误差非线性增长，导致跟踪和定位性能下降，因此矢量环路不适于跟踪GNSS弱信号。

发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的第一目的在于提出一种具有融合程度好、导航精度高的GNSS/MINS超深组合导航方法。根据本发明实施例的GNSS/MINS超深组合导航方法，以MIMU和GNSS基带相关器为传感器，进行组合导航计算，包括:步骤S01，组 合导航系统初始化参数设置；步骤S02，GNSS捕获卫星并获取导航电文，INS在GNSS辅助下完成大失准角初始对准；步骤S03，根据INS输出的位置和速度以及GNSS输出的初始钟偏和初始钟漂，进行第一网格划分，并完成从位置、速度、钟偏和钟漂到载相频率和码相位的映射，实现第二网格划分，对应每个第二网格中心点建立相关器；步骤S04，进行I比特电文长度的相干积分，相关器输出相关值；步骤S05，判断是否达到积分时间T，若未达到，进入步骤S06，反之进入步骤S07 ;步骤S06，系统进行非相干累加以及捷联导航解算，并根据所述捷联导航解算结果实时调整所述第二网格划分中心位置，返回步骤S05 ;步骤S07，将每颗卫星的非相干累加相关值进行第二网格到第一网格的逆映射，然后进行最大值的搜索，获得T时间内的位置误差、速度误差、钟偏误差和钟漂误差；步骤S08，将步骤S07中得到的各误差作为组合卡尔曼滤波器的观测量，进行INS误差更新及时钟误差更新，然后将卡尔曼滤波器状态清零；步骤S09，搜索网格大小自适应调整；步骤S10，捷联导航解算更新用户位置、速度以后，进入下一算法循环。在本发明的方法的一个实施例中，所述第一网格划分为在三维位置、三维速度、钟漂、钟偏上的八维网格划分，第二网格划分为在GNSS载波频率、伪码相位上的二维网格划分。在本发明的方法的一个实施例中，所述超深组合导航方法利用气压高度表引入气压高度数据辅助导航。在本发明的方法的一个实施例中，所述超深组合导航方法应用高精度晶振。在本发明的方法的一个实施例中，所述超深组合导航方法使用最大似然估计方法，最大似然估计式为:
权利要求
1.一种GNSS/MINS超深组合导航方法，以MIMU和GNSS基带相关器为传感器，进行组合导航计算，包括: 步骤S01，组合导航系统初始化参数设置； 步骤S02，GNSS捕获卫星并获取导航电文，INS在GNSS辅助下完成大失准角初始对准；步骤S03，根据INS输出的位置和速度以及GNSS输出的初始钟偏和初始钟漂，进行第一网格划分，并完成从位置、速度、钟偏和钟漂到载相频率和码相位的映射，实现第二网格划分，对应每个第二网格中心点建立相关器； 步骤S04，进行I比特电文长度的相干积分，相关器输出相关值； 步骤S05，判断是否达到积分时间T，若未达到，进入步骤S06，反之进入步骤S07 ； 步骤S06，系统进行非相干累加以及捷联导航解算，并根据所述捷联导航解算结果实时调整所述第二网格划分中心位置，返回步骤S05 ； 步骤S07，将每颗卫星的非相干累加相关值进行第二网格到第一网格的逆映射，然后进行最大值的搜索，获得T时间内的位置误差、速度误差、钟偏误差和钟漂误差； 步骤S08，将步骤S07中得到的各误差作为组合卡尔曼滤波器的观测量，进行INS误差更新及时钟误差更新，然后将卡尔曼滤波器状态清零； 步骤S09，搜索网格大小自适应调整； 步骤S10，捷联导航解算更新用户位置、速度以后，进入下一算法循环。
2.根据权利要求1所述的组合导航方法，其特征在于，所述第一网格划分为在三维位置、三维速度、钟漂、钟偏上的八维网格划分，第二网格划分为在GNSS载波频率、伪码相位上的二维网格划分。
3.根据权利要求2所述的组合导航方法，其特征在于，所述超深组合导航方法利用气压高度表引入气压高度数据辅助导航。
4.根据权利要求2所述的组合导航方法，其特征在于，所述超深组合导航方法应用高精度晶振。
5.根据权利要求3或4所述的组合导航方法，其特征在于，所述超深组合导航方法使用最大似然估计方法，最大似然估计式为:
6.根据权利要求5所述的组合导航方法，其特征在于，在步骤S07中，按照水平速度、垂直速度、钟漂、水平位置、高度、钟偏的顺序进行最大值的搜索，获得对应T时间内的水平速度误差、垂直速度误差、钟漂误差、水平位置误差、高度误差、钟偏误差。
7.根据权利要求6所述的组合导航方法，其特征在于，所述水平速度误差搜索方法为: 假设第n数据位起始时刻INS输出位置、速度为，# ，>.，Λ—-,钟偏和钟漂为i>Jn，以这组参数为中心进行8维网格划分，每个维度划分网格的数量依次为H1 n8，且Ii1 n8均为奇数，针对每颗卫星，在码相位、载波多普勒两个维度均分为9份:
8.根据权利要求7所述的组合导航方法，其特征在于，在水平速度搜索结束后，固定水平速度误差，按照相同的方法依次进行垂直速度、钟漂、水平位置、高度、钟偏误差搜索。
9.根据权利要求3或4所述的组合导航方法，其特征在于，卡尔曼滤波误差模型向量为:
10.根据权利要求1所述的组合导航方法，其特征在于，在步骤S06中，捷联惯导解算速率与导航电文码率相等或呈倍数关系。
11.根据权利要求1所述的组合导航方法，其特征在于，在步骤07中，根据卡尔曼滤波器状态协方差矩阵自适应调整搜索网格大小。
12.根据权利要求1所述的组合导航方法，其特征在于，所述GNSS系统为GPS、北斗卫星定位系统、格洛纳斯系统或伽利略导航系统。
13.一种GNSS/MINS超深组合导航系统，包括: GNSS系统，通过天线(601)接收卫星信号，经射频前端(602)，将所述卫星信号下变频采样后输出中频信号，并接收卫星导航电文； MINS系统，通过MIMU (603)获取测量数据，经捷联惯导系统(604)解算后得到载体位置、速度及姿态； 载波频率及码相位计算单元(605)，用于将所述MINS系统输出的速度和位置结合所述卫星导航电文计算GNSS信号载波频率和码相位，以产生本地信号；以及组合卡尔曼滤波器(609)，将状态误差反馈回MINS系统进行误差修正； 其特征在于，还包括: 相关器组(606)，用于将所述本地信号与中频信号进行相关； 投影映射单元(607)，将所述相关器组(606)的输出结果完成从第二网格到第一网格的投影映射；以及 搜索单元(608)，对所述投影映射单元(607)的输出结果进行搜索，获得最大值，即位置误差、速度误差、钟偏误差和钟漂误差，作为所述组合卡尔曼滤波器的观测量。
14.根据权利要求13所述的组合导航系统，其特征在于，所述搜索单元(608)按照水平速度、垂直速度、钟漂、水平位置、高度、钟偏的顺序进行最大值的搜索，获得对应T时间内的水平速度误差、垂直速度误差、钟漂误差、水平位置误差、高度误差、钟偏误差。
15.根据权利要求13所述的组合导航系统，其特征在于，所述GNSS系统为GPS、北斗卫星定位系统、格洛纳斯系统或伽利略导航系统。
16.根据权利要求13所述的组合导航系统，其特征在于，所述系统还包括气压高度表，为系统引入气压高度数据。
17.根据权利要求13所述的组合导航方法，其特征在于，所述系统还包括高精度晶振。
18.一种应用于权利要求1-12任一项所述的组合导航方法，或者应用于权利要求13-17任一项所述的组合导航系统中的组合导航装置，包括: 天线(701)和射频模块(702)，通过FPGA (706)接口将GNSS中频数据引入系统；MMU(704)，通过FPGA (706)接口将MMU (704)的测量数据引入系统；以及电源模块(705)、DSP (708)和上位机(707);其特征在于，所述组合导航装置还包括相关器组(709)，所述DSP(708)将计算码相位、载波频率和投影矢量，并通过EMIF总线写入FPGA (706)内部，FPGA(706)根据搜索网格大小自动划分网格并映射到所述相关器组(709)，预检测积分时间T后，FPGA (706)处理相关器组(709)的输出值并找到最大值，即对应T时间内的位置误差、速度误差、钟偏和钟漂误差，所述DSP (708)读入所述位置误差、速度误差、钟偏和钟漂误差观测值并对用户状态量进行更新。
19.根据权利要求18所述的组合导航装置，其特征在于，还包括气压高度表(703)，通过FPGA (706)接口将气压高度数据引入系统。
20.根据权利要求18所述的组合导航装置，其特征在于，所述GNSS系统为GPS、北斗卫星定位系统、格洛纳斯系统或伽利略导航系统。
全文摘要
为了实现GNSS和MINS的超深层次组合，本发明提出一种GNSS/MINS超深组合导航方法，利用INS提供的位置、速度辅助信息，GNSS使用直接位置估计算法估计位置误差、速度误差、时钟误差，以此闭合环路，系统直接以MIMU、基带相关器为传感器，在顶层组合算法中实现所有的导航功能，即该算法将GNSS基带相关器作为敏感空时定位场的传感器，将MIMU作为敏感惯性场的传感器，实现了GNSS与MINS的完整融合，在INS辅助下，GNSS联合多通道信息进行矢量鉴相和矢量定位。本发明还提出了应用于此方法的超深组合系统和装置。本发明具有导航精度高、动态性能好、GNSS跟踪灵敏度高、GNSS抗干扰性能强、GNSS动态牵引范围广等优点，理论上本发明动态范围受MINS动态限制，MINS辅助下GNSS能实现-160dBm信号跟踪。
文档编号G01S19/49GK103235327SQ201310118249
公开日2013年8月7日 申请日期2013年4月7日 优先权日2013年4月7日
发明者郭美凤, 刘刚, 张嵘, 崔晓伟, 包超 申请人:清华大学