[發(fā)明專利]一種基于慣性/雙星間斷偽距約束的定位方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510547492.0
• 申請(qǐng)日: 2015-08-31
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105068104B
• 公開(kāi)（公告）日: 2017-08-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張海;王偉揚(yáng);車(chē)歡;張曉鷗
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京航空航天大學(xué);航天恒星科技有限公司
• 主分類號(hào): G01S19/49
• 分類號(hào): G01S19/49;G01C21/16
• 代理公司: 北京永創(chuàng)新實(shí)專利事務(wù)所11121
• 代理人: 趙文穎

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于組合導(dǎo)航技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種新的少可見(jiàn)星組合定位方法，在只有兩顆可見(jiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星的情況下可以獲得穩(wěn)定、可信的定位結(jié)果，且不受慣導(dǎo)既有位置誤差的影響。

背景技術(shù)

目前適用于載體航行的導(dǎo)航系統(tǒng)有很多種，單個(gè)的導(dǎo)航系統(tǒng)一般都有其不足之處，GNSS/INS(全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)/慣性導(dǎo)航系統(tǒng))組合導(dǎo)航系統(tǒng)，克服了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)誤差積累的缺點(diǎn)，以及衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)更新頻率低，易受干擾的缺點(diǎn)，成為當(dāng)今一種主流的導(dǎo)航方式。

然而在某些情況下，例如接收天線被遮擋或載體高動(dòng)態(tài)機(jī)動(dòng)、衛(wèi)星導(dǎo)航信號(hào)被持續(xù)干擾情況下，衛(wèi)星導(dǎo)航性能大幅度降低甚至失效。當(dāng)可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目少于四顆時(shí)，GNSS/INS松組合定位精度將下降，當(dāng)衛(wèi)星信號(hào)中斷無(wú)法提供定位信息時(shí)，松組合系統(tǒng)被破壞，整個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)性能迅速降低。以偽距和偽距率為觀測(cè)量的GNSS/INS緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)，可以利用少于四顆衛(wèi)星信息進(jìn)行組合，輸出精度高于松組合的結(jié)果，具有一定的抗干擾能力。但是由于系統(tǒng)觀測(cè)量的缺失，緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)定位誤差仍然較大，甚至發(fā)散。在GNSS信號(hào)失效，只有兩顆星信號(hào)的時(shí)候，常規(guī)的GNSS/INS緊組合導(dǎo)航無(wú)法提供長(zhǎng)時(shí)間的、準(zhǔn)確的導(dǎo)航定位結(jié)果。如何在衛(wèi)星信號(hào)失效，可見(jiàn)衛(wèi)星數(shù)目少于四顆時(shí)，提供穩(wěn)定、可靠的導(dǎo)航定位結(jié)果具有重要意義。

在衛(wèi)星信號(hào)失效的情況下，為提高系統(tǒng)的精度和魯棒性，近年來(lái)學(xué)者們提出了多種算法。解決觀測(cè)量的不足，可以采用虛擬衛(wèi)星法，該方法通過(guò)增加虛擬的衛(wèi)星的數(shù)量，補(bǔ)全觀測(cè)，從而構(gòu)造出新的觀測(cè)量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和精度。將里程計(jì)和GPS偽距信息通過(guò)非線性濾波模型進(jìn)行融合的方法，和常規(guī)基于EKF的導(dǎo)航系統(tǒng)相比，在少可見(jiàn)星的情況下，其精度有所提高。容積卡爾曼濾波導(dǎo)航系統(tǒng)在一定程度也可以提高衛(wèi)星信號(hào)缺失情況下的導(dǎo)航精度，提高系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境的能力。

發(fā)明內(nèi)容

在衛(wèi)星信號(hào)惡劣，只有兩顆可見(jiàn)衛(wèi)星情況下，單一時(shí)刻的衛(wèi)星信息很難準(zhǔn)確地獲取載體的位置，常規(guī)卡爾曼濾波組合導(dǎo)航定位易發(fā)散且難以保證精度；若利用多個(gè)時(shí)刻的衛(wèi)星信息與慣導(dǎo)組合，則可以輸出載體位置。本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有GNSS/INS組合導(dǎo)航技術(shù)在衛(wèi)星信號(hào)失效時(shí)的缺不足，鑒于兩顆可見(jiàn)衛(wèi)星條件下，多個(gè)時(shí)刻間GNSS對(duì)載體絕對(duì)位置的約束與INS對(duì)載體相對(duì)位置的約束，提供一種基于慣性/雙星間斷偽距約束的定位方法。本發(fā)明方法充分利用不同時(shí)刻間的衛(wèi)星、慣性信息，使用不連續(xù)的衛(wèi)星信息，而且對(duì)于時(shí)刻間隔大小沒(méi)有固定要求，所以即使在衛(wèi)星信號(hào)失效嚴(yán)重的情況下，只要GNSS提供數(shù)個(gè)時(shí)刻的衛(wèi)星位置與偽距，就可以用約束的方法定位，有效提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)的穩(wěn)定性與精度。

本發(fā)明一種基于慣性/雙星間斷偽距約束的定位方法，通過(guò)下述步驟來(lái)完成：

步驟一：選取4個(gè)以上具備兩顆可見(jiàn)導(dǎo)航衛(wèi)星信號(hào)的時(shí)刻點(diǎn)，時(shí)刻點(diǎn)間隔根據(jù)載體運(yùn)動(dòng)速度確定，以第一個(gè)時(shí)刻為參考點(diǎn)，利用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(Inertial Navigation System,INS)計(jì)算每個(gè)時(shí)刻與參考點(diǎn)之間導(dǎo)航坐標(biāo)系下的相對(duì)位移；

步驟二：根據(jù)選取的每個(gè)時(shí)刻兩顆衛(wèi)星的位置、偽距信息，計(jì)算該時(shí)刻點(diǎn)載體位置可行解軌道的參數(shù)，包括：軌道圓心、軌道半徑、軌道平面法向量；

步驟三：利用平面法向量，求出每個(gè)時(shí)刻由軌道坐標(biāo)系到地心地固系的兩次旋轉(zhuǎn)變換的旋轉(zhuǎn)角度值；

步驟四：依據(jù)每個(gè)時(shí)刻可行解軌道參數(shù)，通過(guò)坐標(biāo)變換，將不同時(shí)刻導(dǎo)航坐標(biāo)系下可行解軌道統(tǒng)一到地心地固系下；

步驟五：依據(jù)慣導(dǎo)輸出高度或高度輔助測(cè)量以及可行解軌道參數(shù)方程確定參考點(diǎn)時(shí)刻的初始搜索區(qū)間；

步驟六：以各時(shí)刻間慣性導(dǎo)航系統(tǒng)獲得的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡為約束，在初始搜索區(qū)間進(jìn)行快速搜索，根據(jù)搜索誤差大小確定搜索結(jié)果，縮小搜索區(qū)間，反復(fù)搜索直至滿足精度要求，輸出定位結(jié)果。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)本發(fā)明方法充分利用不同時(shí)刻間的衛(wèi)星、慣性信息，依據(jù)兩者間的約束關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)位置的單時(shí)刻輸出或者連續(xù)輸出，不受慣導(dǎo)既有位置誤差的影響，提高了組合導(dǎo)航系統(tǒng)在兩顆可見(jiàn)衛(wèi)星下的定位精度；

(2)本發(fā)明使用不連續(xù)的衛(wèi)星信息，而且對(duì)于時(shí)刻間隔大小沒(méi)有固定要求，所以即使在衛(wèi)星信號(hào)失效嚴(yán)重的情況下，只要GNSS提供數(shù)個(gè)時(shí)刻兩顆衛(wèi)星的位置與偽距，就可以用約束的方法定位，具有良好的算法穩(wěn)定性和系統(tǒng)魯棒性；

(3)本發(fā)明在計(jì)算過(guò)程中并未產(chǎn)生復(fù)雜的矩陣運(yùn)算，快速搜索的使用更能減少搜索次數(shù)，避免不需要的計(jì)算，其計(jì)算量遠(yuǎn)小于常規(guī)緊組合算法，具有很好的實(shí)用性。

(4)本算法方法簡(jiǎn)單，易于操作。

附圖說(shuō)明