[发明专利]一种MINS/GPS超紧组合导航系统设计方法

说明书

本发明提供了一种MINS/GPS超紧组合导航系统设计方法，利用载波相位量测进行时间‑空间差分，得到量测方程，计算多普勒频移，并辅助GPS载波跟踪回路PLL，利用载波相位量测平滑GPS输出的伪距，同时将伪距泰勒展开；将得到的伪距差与速度差作为系统模型的量测，设计组合卡尔曼滤波器估计系统状态，利用卡尔曼滤波器输出的状态估计结果校正惯性器件误差和捷联惯导解算的导航信息，校正后的捷联惯导解算信息即为导航定位结果。本发明避免了由低精度SINS引起的多普勒辅助误差，避免了GPS量测误差与SINS速度误差相关，增强了系统的动态性能、抗干扰能力以及导航定位精度，克服了由线性化伪距量测而引入的非线性误差。

技术领域

本发明涉及组合导航技术领域，具体涉及一种MINS/GPS超紧组合的设计方法。

背景技术

全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)与捷联惯性导航系统(Strapdown Inertial Navigation System，SINS)具有很强的互补性。SINS/GPS组合导航系统具有两种系统的优点，同时能够克服各自系统的不足，是目前组合导航技术的主要形式之一，在航空、航天导航和武器制导等方面具有非常重要的作用。相比于SINS/GPS松、紧组合导航系统，SINS/GPS超紧组合导航系统增加了对GPS接收机的辅助，具有更高的动态性能与抗干扰能力，正逐渐成为SINS/GPS组合导航的主要研究方向。

根据实现形式的不同，可将超紧组合导航系统分为两种：一种是基于紧组合滤波器的超紧组合导航系统，即基于传统标量接收机，SINS辅助接收机跟踪环，同时与SINS进行紧组合；另一种是基于接收机I/Q信号数据融合的超紧组合导航系统，用矢量跟踪环代替传统的接收机跟踪环路，用组合滤波器代替导航滤波器。前者被称为SINS辅助GPS超紧组合导航系统，后者被称为基于矢量跟踪环路的SINS/GPS超紧组合导航系统。相比之下，后者在较低信噪比环境中的信号跟踪能力更强，导航性能更高，但该系统模型具有很强的非线性，需要采用数据处理能力较强的非线性滤波算法，同时还需要对GPS接收机内部进行较大的改造，工程实现复杂。而SINS辅助GPS的超紧组合模式对传统GPS接收机的改造较小，可操作性强，实现较为容易。

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)具有体积小、重量轻、功耗低以及价格便宜的优点，而且随着MEMS技术的发展，MEMS惯性传感器的精度以及可靠性得到了快速的提高。由MEMS惯性传感器组成的微惯性测量单元(Micro InertialMeasurement Unit,MIMU)近年来大量应用于轮船、汽车、飞机、手机、医疗等领域。目前，基于MIMU的微惯性导航系统(Micro Inertial Navigation System,MINS)主要通过松组合、紧组合与GPS进行组合，主要应用于车载、无人机、旋转弹以及PNT等领域，对MINS/GPS超紧组合的研究及应用还比较少。随着GPS接收机的研制水平的提高以及GPS软件接收机的发展，通过超紧组合技术将MIMU与GPS进行组合，提高自主导航装备性能，研制并形成一体化的高性能超紧组合接收机和系统，将会在航空航天、国防以及民用市场得到广泛的应用。

以SINS辅助GPS为基础的SINS/GPS超紧组合系统主要存在的问题在于，如果采用低水平的SINS，在载体高动态运动或受到强干扰时，由SINS辅助引入的多普勒辅助误差会迅速增大，当多普勒辅助误差较大，而跟踪环没有足够带宽裕度对其跟踪时，GPS测量误差将与SINS误差相关，这种相关性将导致组合滤波器的估计精度降低，跟踪环失锁，甚至导致系统不稳定。另外，系统采用伪距、伪距率作为量测，量测误差较大，在高动态或强干扰环境下会引入大量的模型误差，导致导航结果下降甚至发散。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种MINS/GPS超紧组合导航系统设计方法。本发明鉴于目前SINS辅助GPS超紧组合系统存在的不足以及MEMS微惯性传感器的发展前景，给出了一种MINS/GPS超紧组合系统的设计方法，使系统基于MIMU在高动态、强干扰环境下仍然具有很高的动态性能、抗干扰能力以及导航定位精度。