[发明专利]基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法

摘要

本发明提供一种基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法，该方法包括以下步骤：分别采集GPS卫星定位系统的定位数据和Beidou2卫星定位系统的定位数据；采用载波相位求解法分别建立GPS卫星定位系统模型和Beidou2卫星定位系统模型；采用统一的时间基准和坐标基准，将BeiDou2的载波差分定位和GPS的载波差分定位进行联立求解；通过GNSS板卡、三轴光纤陀螺和加速度计组合并采用紧耦合技术捕获INS数据；采用分布式卡尔曼滤波进行GPS/BeiDou2/INS组合导航，给出组合导航系统的状态向量、测量向量。

主权项

一种基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：步骤1：卫星定位数据采集分别采集GPS卫星定位系统的定位数据和Beidou2卫星定位系统的定位数据；步骤2：单点定位模型建立；分别建立GPS卫星定位系统模型和Beidou2卫星定位系统模型，均采用载波相位求解法，采用如下解算方程：其中，λ为载波波长，为载波相位观测值，R为GPS卫星或Beidou2卫星到接收机相位中心的几何距离；N为载波模糊度；t_r为GPS卫星或Beidou2卫星的接收机的钟差，t为GPS卫星定位系统或Beidou2卫星定位系统的时间系统同步误差，t_s为GPS卫星Beidou2卫星的钟差；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟误差；M为多路径误差；P为GPS卫星或Beidou2卫星的天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪声；步骤3：GPS与BeiDou2联合定位解算采用统一的时间基准和坐标基准，将BeiDou2的载波差分定位和GPS的载波差分定位进行联立求解，得到如下定位方程组：其中，表示双差算子，λ为载波波长，为载波相位观测值，R为卫星到接收机相位中心的几何距离；N为载波模糊度；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟误差；M为多路径误差；P为天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪声；上标C和G分别对应于BeiDou2卫星定位和GPS卫星定位；得BeiDou2/GPS双差载波相位观测方程为：$\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\Δb}}^C& a^C& 0\\ {\mathrm{\Δb}}^G& 0& a^G\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}dX\\ \mathrm{\Δ}\▿N^C\\ \mathrm{\Δ}\▿N^G\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}\▿L^C\\ \mathrm{\Δ}\▿L^G\end{array}\right]---\left(3\right)$$b=\left[\begin{array}{ccc}\frac{x^1-x_0}{r_0}& \frac{y^1-y_0}{r_0}& \frac{z^1-z_0}{r_0}\\ \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}& \begin{array}{c}.\\ .\\ .\end{array}\\ \frac{x^m-x_0}{r_0}& \frac{y^m-y_0}{r_0}& \frac{z^m-z_0}{r_0}\end{array}\right]---\left(5\right)$其中，dX表示相对坐标改正向量；ΔN为双差整周模糊度向量；b为与dX相对应的系数矩阵；a为与ΔN相对应的系数矩阵；L为常数项向量，其中Δ为单差算子；式中(x₀,y₀,z₀)为用户位置初始值，(x^m,y^m,z^m)为卫星坐标；r₀为用户初始值与卫星之间的几何距离；m为观测到的同一系统卫星数；根据公式(3)、(4)、(5)，采用最小二乘法，先求出双差整周模糊度ΔN，然后求出相对坐标改正值，进而得到相对位置信息。步骤4：INS数据采集通过GNSS板卡、三轴光纤陀螺和加速度计组合并采用紧耦合技术捕获INS数据；步骤5：GPS/Beidou2/INS组合导航定位采用分布式卡尔曼滤波进行GPS/BeiDou2/INS组合导航，GPS和BeiDou2各个子系统首先通过局部卡尔曼滤波器处理各自的测量信息以产生局部状念估计，每个观测方程所得到的局部卡尔曼滤波器作为子滤波器，INS滤波器作为主滤波器，合并成总体状态滤波器，给出组合导航系统的状态向量、测量向量；设定GPS加权值和Beidou2加权值，分别令加权值为w₁,w₂，则组合导航经纬度为：λ＝w₁λ₁+w₂λ₂满足：w₁+w₂＝1由不确定传播计算定律求得不确定度为：式中，(μ_λ1、μ_λ2)为GPS和Beidou2卡尔曼滤波器的输出经度和纬度的不确定度；为组合导航系统输出的经度和纬度的不确定度，(μ_c1、μ_c2)、μ_c分别为卫星系统中各个传感器输出信号的不确定度和自适应滤波器输出信号的不确定度；采用拉格朗日乘法对公式(6)进行求解：对(w₁，w₂)求偏导并令其等于0，分别求得加权值：$w_1=\frac{{{\mathrm{\μ}}_{c2}}^2}{{{\mathrm{\μ}}_{c1}}^2+{{\mathrm{\μ}}_{c2}}^2},w_2=\frac{{{\mathrm{\μ}}_{c1}}^2}{{{\mathrm{\μ}}_{c1}}^2+{{\mathrm{\μ}}_{c2}}^2}.$