[发明专利]GNSS/INS超紧组合导航装置及相对导航系统有效

专利信息
申请号: 201410426136.9 申请日: 2014-08-26
公开(公告)号: CN104316947B 公开(公告)日: 2017-04-12
发明(设计)人: 刘海颖;吴风喜;华冰;陈志明;陈西北;邵珠君;刘聪 申请(专利权)人: 南京航空航天大学
主分类号: G01S19/47 分类号: G01S19/47
代理公司: 南京经纬专利商标代理有限公司32200 代理人: 许方
地址: 210016 江*** 国省代码: 江苏;32
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摘要:
搜索关键词: gnss ins 组合 导航 装置 相对 导航系统
【说明书】:

技术领域

发明属于导航领域,更加地说是GNSS/INS超紧组合导航装置及相对导航系统。

背景技术

全球导航卫星系统GNSS(Global Navigation Satellite System),惯性导航系统INS(InertialNavigationSystem);GNSS/INS超紧组合导航是近几年组合导航的研究热点。卫星导航和惯性导航具有互补优势,两者组合方式可以有效地解决卫星导航信号受地理位置和环境干扰,和惯性导航系统测量误差随时间累计等问题。GNSS/INS组合方式有松散组合,紧组合和超紧组合方式。其中,超紧组合方式是该领域的研究热点。此方式利用了惯性导航信息对GNSS信号捕获跟踪的辅助,实现了GNSS信息跟踪参数和惯性导航位置与速度之间的信息融合。在复杂环境下,GNSS/INS超紧组合系统具有较强的抗干扰能力,可以为复杂状况下的运动载体,提供精确和稳定的导航定位、姿态确定和惯性对准等重要功能。

目前GNSS/INS超紧组合导航滤波结构多数属于集中式数据处理。通常I,Q信号的频率在MHz量级,而惯性输出在100Hz量级,集中式处理直接将两种信息集中处理,处理难度大,不易实现。

分布式导航系统是一种新的导航系统设计理念。分布式导航是将多个导航载体看成一个导航系统,通过导航系统里多个载体之间导航信息的相互交换和信息共享来提高整个系统的导航精度,同时提高系统的故障容错水平。分布式导航系统可以分为集中式结构和分布式结构。Lead-Follower结构是一种常见的集中式结构,其思想是将某个导航载体作为领队导航终端,其它的作为跟随导航载体,各个导航终端之间的信息是向上可见,向下不可见的。分布式结构各个导航载体同处一个级别,各个载体的导航信息发送至数据处理中统一处理。分布式导航在机群协调编队中应用非常广泛。

相对导航系统主要用于卫星编队飞行、自主交会对接任务和机群协同编队的相对导航信息的获取。目前,基于视觉的相对导航系统常用于卫星自主交会对接任务中。

相对导航系统是机群协同编队飞行的关键技术。飞行载体之间的相对导航信息的获取是保证编队飞行队形保持和变换的必要条件。其精度也会对编队飞行效果产生很大的影响。传统的相对导航多依赖卫星导航系统且自主性比较差。卫星导航信号易受外界干扰,可靠性无法得到保证,一旦卫星信号受到干扰,相对导航精度下降很快。如何提高相对导航的精度同时增强飞行自主性和稳定性是目前相对导航研究的难点。

发明内容

为了解决目前GNSS/INS超紧组合导航滤波结构多数属于集中式数据处理,对数据处理速度要求很高,系统复杂实现难度大的问题,本发明提供了一种GNSS/INS超紧组合导航装置,该装置于分布式滤波结构来实现,包括GNSS射频前端、惯性测量单元、跟踪捕获环路单元和组合滤波器;组合滤波器分别与惯性测量单元、跟踪捕获环路单元相连,跟踪捕获环路单元还与GNSS射频前端相连;

其中,跟踪捕获环路单元包括若干个可见卫星通道,每个可见卫星通道对应一个积分处理单元和从滤波器;GNSS射频前端接收并处理卫星信号数据后将数据发送至跟踪捕获环路单元,跟踪捕获环路单元中各可见卫星通道的I、Q信号经过对应的积分处理单元处理后发送至对应的从滤波器进行预处理得到从滤波器的状态向量;组合滤波器接收惯性测量单元的测量信息和从滤波器的状态向量,利用接收到的信息估计出该载体状态信息和载波相位并生成环路控制指令对跟踪捕获环路单元进行控制,其中所述载体状态信息包括位置、速度和姿态。

进一步地优选方案,本发明GNSS/INS超紧组合导航装置中,从滤波器处理当前、超前和滞后的I,Q信号;

从滤波器的状态向量Xi=[δwi δφi δti Mi]T,其中δwi为载波频率估计误差,δφi是载波相位估计误差,δti为码相位估计误差,Mi为信号的载波幅度,i为从滤波器对应的可见卫星通道数,i=1,2,...N,N为可见卫星通道数,[]T表示矩阵转置;

从滤波器中观测量Zi为积分周期T内当前I,Q信号值、超前I,Q信号值和滞后I,Q信号值,表示为:

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