[發明專利]一種基于UWB輔助導航衛星進行載體快速精密導航定位方法

有效

• 申請號: 202010713931.1
• 申請日: 2020-07-23
• 公開（公告）號: CN111694038B
• 公開（公告）日: 2022-11-15
• 發明（設計）人: 唐旭;金雙根;羅海濱;王明華
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01S19/44
• 分類號: G01S19/44;G01S19/46
• 代理公司: 南京鐘山專利代理有限公司 32252
• 代理人: 王磊

1.一種基于UWB輔助導航衛星進行載體快速精密導航定位方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟S1：在GNSS接收機信號失鎖區域，利用移動載體上UWB傳感器對衛星信號失鎖區域進行位置定位，并將UWB傳感器的定位信息歸算到GNSS接收機的天線處；

步驟S2：利用UWB維持的位置信息與GNSS信號中斷前的對流層濕延遲信息作為約束條件，估算GNSS信號第n歷元重新捕獲時GNSS接收機的鐘差與載波相位模糊度；

步驟S3：將信號重新捕獲時估算的GNSS接收機的鐘差和載波相位模糊度作為n+1歷元處的卡爾曼濾波預測值，n+1歷元記為重新捕獲信號后下一秒的觀測值，結合隨機模型，實現GNSS精密單點定位技術在導航定位場景中位置信息的瞬時收斂；

所述步驟S1具體為：

S11：根據GNSS接收機和UWB傳感器在移動載體上的相對位置，統一GNSS接收機和UWB傳感器的空間位置關系，利用幾何法將UWB傳感器的定位信息歸算到GNSS接收機的天線處；

S12：對GNSS接收機和UWB傳感器的時間進行解碼換算，進行時間的統一；

所述步驟S2中計算具體為：

S21：建立觀測方程，計算信號中斷前的天頂濕延遲δ_zwd和GNSS接收機的位置信息[x，y，z]

X＝[δ_zwd x y z τ N₁ N₂…N_k]^T #(3)

其中，為GNSS無電離層組合觀測值，B為觀測方程系數矩陣，X精密單點定位的待估參數，ρ為站-星幾何距，T_h為每顆衛星在斜視路徑上的大氣干延遲所形成的列向量，為第k顆衛星的天頂濕延遲到站-星斜距濕延遲的映射函數，[α β γ]表示各衛星分別在地心地固坐標系下三個坐標軸方向的偏微分系數；c為光在真空中的速度；τ表示GNSS接收機的鐘差，δ_zwd表示天頂濕延遲，[N₁ N₂…N_k]表示k個載波相位模糊度；

S22：根據位置、先驗天頂濕延遲建立信號重新捕獲后的觀測模型

其中，ρ^k為信號重新捕獲時第k顆衛星與移動載體之間上UWB傳感器之間的距離，T^k為第k顆衛星在站星斜路徑方向上的對流層延遲，包括濕延遲與干延遲[·]_n表示在n歷元處的物理參數；

附有位置、天頂濕延遲約束條件的接收機鐘差和模糊度隨機模型為

其中，H為附有位置、天頂濕延遲約束條件觀測模型系數矩陣；表示接收機鐘差與模糊度向量的初始方差協方差矩陣，其方差量等于m歷元處對應的估值，表示接收機鐘差的方差，表示模糊度向的方差矩陣，即：[σ_τ]_n＝[σ_τ]_m，[σ_N]_n＝[σ_N]_m；表示附有位置、天頂濕延遲的接收機鐘差與模糊度向量的方差協方差矩陣；m表示GNSS信號丟失前最后一個歷元。

2.根據權利要求1所述的一種基于UWB輔助導航衛星進行載體快速精密導航定位方法，其特征在于：所述步驟S3具體為：

S31：通過建立的運動方程預報n+1歷元處狀態向量與其方差協方差矩陣的預測值，

X(n+1|n)＝Φ·X(n|n) #(6)

Q(n+1|n)＝Φ·Q(n|n)·Φ^T+Q_w，n #(7)

其中，X(n+1|n)為歷元n+1處狀態量預測值；Φ為運動方程系數矩陣，X(n|n)為n歷元處狀態向量包含UWB傳感器的位置、GNSS衛星中斷前的天頂濕延遲δ_zwd以及步驟S22中估算的接收機鐘差τ與模糊度向量N，Q(n+1|n)為歷元n+1處方差協方差矩陣預測值；Q_w，n為運動模型輸入噪聲向量協方差矩陣，Q(n|n)為n歷元處狀態量的方差協方差矩陣，包括GNSS接收機中位置與天頂濕延遲的初始方差，以及步驟S22中接收機鐘差τ與模糊度向量的方差協方差矩陣表示n歷元處位置的初始方差矩陣；

S32：利用狀態量和其方差協方差矩陣的預測值以及n+1歷元處的GNSS觀測值，更新狀態量以及其方差協方差矩陣，

卡爾曼濾波增益矩陣：

K(n+1)＝Q(n+1|n)·Φ·(Φ·Q(n+1|n)·Φ^T+Q_w，n)^-1 #(9)

求解n+1歷元處的狀態量

新狀態量的方差協方差矩陣為：

Q(n+1|n+1)＝(I-K(n+1)·Φ)·Q(n+1|n)#(11)

當n+1歷元處狀態量的方差協方差矩陣完成更新后，標志著一個歷元完整的卡爾曼濾波過程；令n＝n+1，回到公式(6)進行下一個歷元的卡爾曼濾波過程。