[发明专利]一种时间-空间差分的GPS/SINS超紧组合导航方法

权利要求书

1.一种时间-空间差分的GPS/SINS超紧组合导航方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

步骤一：利用捷联惯导的输出信息预测载波角速度误差的时间-空间差分观测值和初相位误差的时间-空间差分观测值；

步骤二：利用GPS接收机输出信息计算载波角速度误差的时间-空间差分观测值和初相位误差的时间-空间差分观测值；

步骤三：将步骤一和步骤二中得到的载波角速度误差的时间-空间差分观测值和初相位误差的时间-空间差分观测值作差，作为系统模型的量测；

步骤四：利用卡尔曼滤波器估计系统状态，利用估计结果校正惯性元件误差和捷联惯导解算的导航信息；

步骤五：利用校正后的导航信息计算多普勒频移，并输入接收机对其进行校正。

2.根据权利要求1所述的一种时间-空间差分的GPS/SINS超紧组合导航方法，其特征在于，所述步骤一包括：

步骤A：利用接收机接收到的同一颗卫星信号相邻时刻测量值进行时间差分，消除对流层延时、电离层延时和卫星钟差；

载波角速度误差ω_e和初相位误差θ_e可以表示为如下方程：

θ_e(t)＝θ-2π(f+f_d)τ'-θ_LO+90°-θ_o

ω_e(t)＝2π(f-f_LO+f_d)-ω_o

其中，θ和f是载波L1的初相位和频率；f_d为信号的多普勒频移；θ_LO和f_LO为本振信号的初相位和频率；θ_o和ω_o为锁相环内复制信号的初相位和角速度；理想条件下，如果某一信号的相位已经被锁定，则可认为在很短时间内θ，θ_LO，f_LO，θ_o，ω_o不随时间变化，同时，卫星信号的实际传播时间τ'满足如下关系式

τ'(t)＝r(t-τ,t)/c+I(t)+T(t)+δt_u(t)-δt(t-τ)+w_τ(t)

其中，c为光速，r(t-τ,t)=|r(t-τ,t)|为卫星与接收机的真实距离，I(t)为电离层延时，T(t)为对流层延时，δt_u(t)为接收机钟差，δt(t-τ)为卫星钟差，w_τ(t)为噪声；选取两个相邻时刻t₁和t₂，时间间隔为Δt，则

θ_e(t₁)＝θ-2π[f+f_d(t₁)]τ'(t₁)-θ_LO+90°-θ_o

θ_e(t₂)＝θ-2π[f+f_d(t₂)]τ'(t₂)-θ_LO+90°-θ_o

进行时间差分，整理得

θ_e(t₂)-θ_e(t₁)-2πf_d(t₁)τ'(t₁)+2πf_d(t₂)τ'(t₂)＝-2πf(Δr/c-Δδt_u)+w

令，κ＝θ_e(t₂)-θ_e(t₁)-2πf_d(t₁)τ'(t₁)+2πf_d(t₂)τ'(t₂)，则有

κ＝-2πf(Δr/c-Δδt_u)+w

f_d＝(v-v_s)·e/λ；v为载体速度，v_s为卫星速度，λ为载波L1的波长，e(t)为视线向量；θ_e，f_d，τ'可由导航电文、SINS和接收机量测值计算得到；w＝2πf[w_τ(t₂)-w_τ(t₁)]为时间差分后的噪声，Δδt_u＝δt_u(t₁)-δt_u(t₂)，Δr＝r(t₂-τ,t₂)-r(t₁-τ,t₁)为接收机从t₁到t₂时刻相对于卫星的距离变化量；在地心地固坐标系，O为地心，S(t₁)和S(t₂)为卫星在t₁和t₂时刻的位置，R(t₁)和R(t₂)为卫星在t₁和t₂时刻到地心的距离矢量，_p(t₁)和_p(t₂)为接收机在t₁和t₂时刻的位置，r(t₁-τ,t₁)和r(t₂-τ,t₂)为接收机在t₁和t₂时刻到卫星的距离矢量，P(t₁)和P(t₂)为接收机在t₁和t₂时刻到地心的距离矢量；

根据卫星和接收机之间的位置关系，Δ_r可表示为

Δr＝|r(t₂-τ,t₂)|-|r(t₁-τ,t₁)|=R(t₂)·e(t₂)-R(t₁)·e(t₁)-P(t₁)·e(t₂)-P(t₁)·e(t₁)-ΔP·e(t₂)其中，ΔP为接收机在t₁到t₂时间段内的位置增量，整理得

κ+(2πf/c)[R(t₂)·e(t₂)-R(t₁)·e(t₁)-P(t₁)·e(t₂)-P(t₁)·e(t₁)]＝2πf[ΔP·e(t₂)/c+Δδt_u]+w

令

β＝κ+(2πf/c)[R(t₂)·e(t₂)-R(t₁)·e(t₁)-P(t₁)·e(t₂)-P(t₁)·e(t₁)]

β为载波初相位误差的时间差分观测值，R，e，P可由导航电文和量测值计算得到，则有

β＝2πf[ΔP·e(t₂)/c+Δδt_u]+w

步骤B：利用不同卫星的信号再对步骤A中的结果进行空间差分，消除接收机钟差；

当接收机同时接收到编号为m和j的卫星信号时：

β(m)=2πf[Δp·e(m)(t2)/c+Δδtu(m)]+w(m)]]>

β(j)=2πf[Δp·e(j)(t2)/c+Δδtu(j)]+w(j)]]>

在时间差分的基础上，进行空间差分，由于同一个接收机的钟差对于不同卫星而言是相同的，那么接收机钟差将被消除，得到载波初相位误差的时间-空间差分观测值：

χ_θ＝β^(j)-β^(m)＝(2πf/c){ΔP·[e^(j)(t₂)-e^(m)(t₂)]}+η_θ

其中，为空间差分后的噪声，载波角速度误差经过时间和空间差分后，可得载波角速度误差的时间-空间差分观测值：

χ_ω＝(2π/λ){Δv·[e^(j)(t₂)-e^(m)(t₂)]}

其中，Δv＝v(t₂)-v(t₁)为接收机从t₁到t₂时间段内的速度增量；

步骤C：利用捷联惯导输出信息预测载波角速度误差的时间-空间差分观测值和初相位误差的时间-空间差分观测值；

x0n=(2πf/c)Cen(t2)[e(j)(t2)-e(m)(t2)]·(ΔpSINSn+Cbn(t2)lb-Cbn(t1)lb)η0]]>

xωn=(2π/λ)Cen(t2)[e(j)(t2)-e(m)(t2)]·(ΔvSINSn+[Cbn(t2)ωibb(t2)-Cbn(t1)ωibb(t1)]×lb)]]>

其中，和为SINS在n系下的位置增量和速度增量；l^b为杆臂对位置测量的影响在载体坐标系b下的投影；为杆臂对速度的影响在n系下的投影；为载体相对于惯性坐标系i的角速度在b系下的投影；为由载体系b到导航坐标系n的转换矩阵，得到SINS预测载波角速度误差的时间-空间差分观测值和初相位误差的时间-空间差分观测值