[发明专利]一种时间-空间差分的GPS/SINS超紧组合导航方法

说明书

技术领域

本发明属于组合导航的技术领域，涉及一种时间-空间差分的GPS/SINS超紧组合方法。

背景技术

全球定位系统(GPS，Global Positioning System)与捷联惯性导航系统(SINS，Strapdown Inertial Navigation System)构成的组合导航系统，以其良好的优势互补特性，成为组合导航系统的一个重要分支。GPS/SINS组合导航系统按照组合方式可分为：松组合、紧组合、超紧组合。与松组合和紧组合相比，超紧组合是将GPS和SINS的信息进行更深层次的融合。融合的结果既可以校正惯性器件，抑制误差累积，又可以修正接收机参数，提高其对卫星信号的跟踪能力。

目前GPS/SINS超紧组合大致可以分为两种，SINS辅助GPS的超紧组合和基于矢量跟踪环路的GPS/SINS超紧组合。前者是在紧组合的基础上，将组合导航滤波器估计得到的多普勒频移反馈给接收机的跟踪环，以实现SINS对接收机的辅助。该方法在硬件实现上对接收机结构改造比较小，可操作性较强。然而在采用低成本惯性器件时，在高动态或强干扰的情况下，无法快速准确的跟踪多普勒频移的变化，会导致接收机信号失锁，造成组合导航滤波器不稳定。后者是在矢量跟踪结构的基础上，把对卫星信号的跟踪与GPS/SINS信息融合集中起来考虑，利用接收机内部的同相/正交（I/Q，In-phase/Quadrature）信号作为组合导航滤波器的输入，滤波器的输出分别校正SINS和GPS，并生成数控振荡器的指令，实现接收机对卫星信号的跟踪。与前者相比，该方法具有更强的信号跟踪和抗干扰能力，成为研究的热点。

然而目前基于矢量跟踪环路的GPS/SINS超紧组合利用I、Q信号(或I、Q的期望)与SINS的位置误差和速度误差建立函数关系，构建系统模型，存在三个重要缺陷：

(1)存在模型误差：当使用I、Q的期望为建模桥梁时，模型中体现的不是I、Q本身与误差参数的函数关系，因此该模型不能准确的描述出接收机与SINS的关系。

(2)实时性较差：I、Q为正/余弦函数，使得量测方程中包含正/余弦函数项，系统模型存在较强的非线性。这样的模型对滤波算法要求变高，计算量增大，从而使系统丧失了实时性。

(3)存在时间误差残余：信号从卫星到接收机除了在真空中以光速传播外，还经过了电离层和对流层，从而产生了延迟误差，同时卫星和接收机还存在时钟误差。现有超紧组合模型通过对这些误差建立模型来对其进行补偿，但是补偿结果并不理想，仍然存在误差残余，它将导致定位精度下降。同时这部分误差残余受原子钟频率漂移、太阳黑子活跃性和气象变化的影响，无法通过测量或建模精确得到，增加了系统的不确定性。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有方法的缺陷，避免模型误差和误差残余对系统的影响，降低系统的计算量和复杂性，给出了一种基于时间-空间差分的GPS/SINS超紧组合导航方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种时间-空间差分的GPS/SINS超紧组合导航方法，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.

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