[發明專利]基于慣導輔助單星定位的卡爾曼濾波動目標定位方法

在審

• 申請號: 201810912638.0
• 申請日: 2018-08-12
• 公開（公告）號: CN109084762A
• 公開（公告）日: 2018-12-25
• 發明（設計）人: 張怡;劉東昊;張玲玲;唐成凱;廉保旺
• 申請（專利權）人: 西北工業大學
• 主分類號: G01C21/16
• 分類號: G01C21/16;G01C21/20;G01S19/47
• 代理公司: 西北工業大學專利中心 61204
• 代理人: 陳星

本發明提出一種基于慣導輔助單星定位的卡爾曼濾波動目標定位方法，包括最小二乘?牛頓迭代單星定位初始解算、INS慣導位移補償和卡爾曼濾波融合反饋三部分：其中最小二乘?牛頓迭代單星定位初始解算部分構建單星運行軌道以獲得單星星歷數據，利用測得的三個時刻的衛星相對地面定位目標偽距值，利用最小二乘方法解出目標定位初始解，使用牛頓迭代進一步逼近真實結果；其次利用INS慣導部分輸出目標實時位移反饋給最小二乘和其后的卡爾曼濾波器對結果進行校正；最后卡爾曼濾波，發揮無跡卡爾曼濾波器(UKF)精度高和魯棒性強的優勢，經過定位位置迭代和融合濾波后得到目標的定位結果，能有效提高動態環境下的單星導航的定位精度并保持較長時間的穩定定位。

技術領域

本發明是一種基于慣導輔助單星定位的卡爾曼濾波動目標定位方法，特別涉及最小二乘-牛頓迭代(Least squares-Newton iteration)、慣性導航系統(INS)輔助定位以及卡爾曼濾波(KF)融合的方法。

背景技術

現今的衛星定位技術已經趨于成熟，各大國或區域均擁有自己的衛星導航定位系統，能夠為用戶提供快速、高精度的定位服務。但如今的衛星導航系統均是基于衛星星座構建，利用偽距測量進行定位，要求至少四顆布局良好的衛星才能實現一次定位，是一套精密復雜的系統。也正因為它的精密復雜，所以系統本身十分脆弱，一旦關鍵節點衛星有所損失，就會制造出大片的定位真空區域。因此開發一種星座拒止條件下的應急衛星定位系統十分有必要。與此同時單星系統由于無需高精度原子鐘和復雜系統的配合，研發生產成本低，布置方便快捷。為應對上述情況，不少大國均有相關的技術儲備或實際設備投入使用，例如美國海軍的Transit系統，美蘇法加的COSPAS-SARSAT系統和美法建立的ARGOS系統。

一般評價定位方法實用性的指標有三：1.定位精度、2.目標接收機復雜度、3.對衛星載荷要求。

最早期提出的單星測距測角算法測量衛星與目標之間的角度信息和距離信息，可以在空間確定唯一的位置。利用衛星與目標之間的時差確定兩者的距離，但這里還要考慮鐘差的影響，關鍵是如何同步時間，可以采用雙向時間對比技術獲得鐘差。利用天線陣的相位差算得角度。這種方法原理簡單但由于衛星距地面太遠，因此對角度測量精度提出了很高的要求，目標接收機復雜度高，實現難度和成本很大。

之后又提出了偽距輔助的的徑向加速度單星定位方法和相干測角的單星定位方法。其中基于偽距輔助的徑向加速度單星定位要求已知衛星的星歷信息，利用衛星的徑向加速度測量值和偽距信息根據運動學原理構建方程組求解出目標坐標。因此徑向加速度的估計精度以及衛星的星歷準確度直接決定了定位精度。當徑向加速度模型估計精度較低時，定位精度也會大幅下降?；谙喔蓽y角的單星定位方法中衛星的發射天線為相干天線陣列，要求預先根據方位角和俯仰角間隔一定角度條件下構建樣本庫，將天線陣的實測相位差信息與樣本庫中的數據進行相關運算，找出最大值即可得到方位角。但由于相干測角在大尺度上的精度很難提升，加上需要繁瑣的樣本庫構建，因此實際操作難度大。

使用廣泛的多普勒單星定位是利用多普勒原理測得的多普勒頻移值，在已知衛星星歷提供的衛星速度和衛星發射信號頻率的條件下，計算出衛星飛行方向與接收機連線的夾角，采用時間換空間的策略，結合地面高度值即可解出定位目標點。對于靜態目標定位精度高，對衛星載荷要求低，實用性強；但由于多普勒頻移測量值易受干擾出現波動，可能會使定位結果出現一定的偏差。

后來提出的積分多普勒單星定位方法采用一段時間而非某一時刻的多普勒測量值取積分作為定位結果，很好地解決了多普勒測量值波動的問題，同時由于多普勒積分值反映的是偽距差值的大小，因此抵消了鐘差的影響，對靜態目標定位效果更佳。然而對于動態目標，誤差仍在千米級以上。