CN102508277A - 精密单点定位与惯性测量紧组合导航***及数据处理方法 - Google Patents

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王坚
李增科
高井祥
孟晓林
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Abstract

一种精密单点定位与惯性测量紧组合导航***及数据处理方法，该导航***包括惯性测量单元、惯性测量处理模块、GPS接收机和卡尔曼滤波计算模块。惯性测量单元输出载体的惯性测量数据，惯性测量处理模块接收惯性测量单元输出的数字信号，通过导航积分计算载***置、速度、姿态和航向数据，并计算相对于惯性测量单元的伪距、载波、载波变化率，GPS接收机用于输出精密单点定位信息，卡尔曼滤波计算模块接收惯性测量处理模块和GPS接收机的输出信号，通过多状态卡尔曼滤波计算修正参数，并将修正参数反馈到惯性测量处理模块，惯性测量处理模块接收修正参数，计算导航数据。发明有效克服了在卫星几何结构不佳或者遮蔽半遮蔽区域GPS信号差的缺点。

Description

精密单点定位与惯性测量紧组合导航***及数据处理方法
技术领域
本发明涉及一种导航***及其数据处理方法，尤其是一种适用于运输工具的精密单点定位与惯性测量紧组合导航***及数据处理方法。
背景技术
运输工具的导航分为两类。（1） 自主式导航：用飞行器或船舶上的设备导航，有惯性导航、多普勒导航和天文导航等；（2） 非自主式导航：用于飞行器、船舶、汽车等交通设备与有关的地面或空中设备相配合导航，有无线电导航、卫星导航。惯性导航可以实现自主性，但其导航精度随时间而降低，卫星导航精度不随时间变化，但其需要外界信号的输入，制约性大。
全球卫星定位***（Global Positioning System, GPS） 是一种结合卫星及通讯发展的技术，利用导航卫星进行测时和测距。精密单点定位（Precise Point Positioning, PPP）指的是利用全球若干地面跟踪站的GPS观测数据计算出的精密卫星轨道和卫星钟差，对单台GPS接收机所采集的相位和伪距观测值进行定位解算。利用这种预报的GPS卫星的精密星历或事后的精密星历作为已知坐标起算数据；同时利用某种方式得到的精密卫星钟差来替代用户GPS 定位观测值方程中的卫星钟差参数；用户利用单台GPS双频双码接收机的观测数据在数千万平方公里乃至全球范围内的任意位置都可以2-4dm级的精度，进行实时动态定位或2-4cm级的精度进行较快速的静态定位，精密单点定位技术是实现全球精密实时动态定位与导航的关键技术，也是GPS定位方面的前沿研究方向。但将精密单点定位应用于导航也存在明显的缺点，表现在初始收敛速度慢，整数模糊度解难以快速分解，实时应用受限等方面，且在卫星几何结构不佳或者遮蔽半遮蔽区域，应用效果差，甚至无法定位。
运用惯性测量单元(（Inertial Measurement Unit, IMU）的惯性导航***（Inertial Navigation System, INS） 是从20世纪初发展起来的一种新的导航技术。基本原理是根据牛顿提出的相对惯性空间的力学定律，利用惯性测量仪中的加速度计测量载体的运动加速度，利用陀螺仪测量载体的旋转角速度，然后通过计算机对这些惯性测量值进行处理，得到载体的位置、速度和姿态。稍具体地讲，给定载体运动状态的初始条件，将加速度测量值对时间进行一次积分可获得载体的运动速度，对时间进行二次积分可获得其空间位置。同样，对旋转角速度测量值对时间进行积分，惯性导航***可获得载体在空间三维中的姿态角。与其他类型的导航***不同，惯性导航***具有自主导航能力，不需要从运载体传送信号或者从外部接收信号，不受环境、载体机动及无线电干扰的影响，能连续地提供载***置、速度和姿态等定位导航参数，其数据更新率快、量程较大，且具有短时间内较高的相对精度。但惯性导航***随着工作时间的延长，导航误差随时间积累增大，需要利用外部观测信息经常修正惯性导航***，控制其误差随时间的积累，难以满足用户的精度要求。
传统的导航紧耦合***，是将GPS双差定位和惯性测量单元相组合，需要两台或者多台GPS接收机参与，一台GPS接收机作为基站，另外的GPS接收机作为流动站和惯性测量单元一起被放置在运动载体上，流动站接收基站的数据组成双差观测值和惯性测量单元进行紧耦合导航。GPS双差定位模式的导航精度高，但是由于需要多台GPS接收机参与，成本较高，而且要求流动站和基站距离不能太远，基站信号在传输过程中有时会产生中断现象。
精密单点定位的优点是误差不随时间积累，但是定位精度不高；惯性测量在短时间内有较高的测量精度，但是误差随着时间积累，精度也会大幅下降。鉴于此，如果能够有效地将两者结合起来，做到优势互补，组成精密单点定位与惯性测量紧组合导航***，既可提高精密单点定位的初始收敛速度，又可限制惯性测量误差，并且解决了GPS信号中断时的连续动态定位问题。目前，还没有将两者组合的导航装置。
发明内容
技术问题：本发明的目的是要克服已有技术中的不足，提供一种方法简单、速度快、能有效提高导航精度的精密单点定位与惯性测量紧组合导航***及数据处理方法。
技术方案：一种精密单点定位与惯性测量紧组合导航***，包括惯性测量单元、惯性测量处理模块、GPS接收机、卡尔曼滤波计算模块和电源模块，其中：惯性测量单元的输出端与惯性测量处理模块相连，惯性测量处理模块与GPS接收机分别连接卡尔曼滤波计算模块，卡尔曼滤波计算模块同时接收惯性测量处理模块和GPS接收机的输出信号，通过多状态卡尔曼滤波计算，修正惯性测量处理模块和GPS接收机参数，将修正的参数反馈到惯性测量处理模块和GPS接收机，惯性测量处理模块接收卡尔曼滤波计算模块反馈的修正参数后得到组合导航数据。
所述GPS接收机为双频接收机；所述的卡尔曼滤波计算模块包括并列组合为一体的线性卡尔曼滤波器、非线性卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、自适应卡尔曼滤波器以及抗差卡尔曼滤波器。
本发明的精密单点定位与惯性测量紧组合导航***的数据处理方法：
a. 将紧组合导航***固定在运动载体上，通过惯性测量单元测量行进中运动载体的三轴角速度和三轴比力值之后传输给惯性测量处理模块，经惯性测量处理模块进行惯性测量力学编排得到运动载体的位置、速度和姿态，根据这些值预测计算相对于惯性测量单元的伪距、载波、载波变化率预测值；
b. 惯性测量处理模块将相对于惯性测量单元的伪距、载波、载波变化率预测值通过卡尔曼滤波计算模块接收后传输给GPS模块，GPS模块精密单点定位整数模糊度快速收敛，同时检测精密单点定位实际测量值的正误，排除多路径影响的错误伪距、由反射波信号引起的异常多普勒频移以及由失锁或失周带来的故障载波相位测量值；
c. 通过GPS接收机的接收天线信号得到实时精密轨道及钟差数据，由精密单点定位模式，包括变频、放大、滤波、计算处理得到伪距、载波、载波变化率的实际测量值；
d. 通过卡尔曼滤波计算模块将接收到的相对于惯性测量单元的伪距、载波、载波变化率的预测计算值和实际测量值相减后作为卡尔曼滤波器的观测值，记录在卡尔曼滤波器中，计算得到对惯性测量处理模块的定位、定速结果校正的误差向量，采用反馈校正的间接估计法，把组合导航***状态误差估计反馈到惯导***惯性测量处理模块中，对***状态进行校正，得到校正后的组合导航数据。
有益效果：由于采用上述技术方案，将精密单点定位和惯性测量紧密组合，利用精密单点定位导航定位准确无漂移、24小时全天候工作的特点与惯性测量的短时精度高、可提供载体高速率实时姿态和导航参数的特点，利用现代微电子技术、通过卡尔曼滤波计算组合，实现了高精度导航功能，既可提高精密单点定位的初始收敛速度，又可限制惯性测量误差积累，在卫星少于4颗时，仍可以使用卫星信号的有用信息，并且解决了GPS信号中断时的连续动态定位问题。弥补精密单点定位精度不高和惯性测量误差积累两个劣势，惯性测量辅助精密单点定位模糊度快速收敛，精密单点定位限制惯性测量漂移，在遮蔽半遮蔽区域也可以实现导航定位，并可以在快速实时的基础上有效地提高导航精度。通过卡尔曼滤波计算模块利用间接法进行状态估计误差，同时具备抗差效果，把GPS的伪距、载波、载波变化率和相应的惯性测量单元给出的伪距、载波、载波变化率之差通过相减形成误差信号（即残余），测量残余再经卡尔曼滤波后就得到对惯性测量单元定位、定速结果的校正量。根据惯性测量单元的定位、定速结果以及GPS卫星星历，组合***可以更加准确地预测出GPS信号的伪距、载波、载波变化率等，准确的测量预测值用来辅助精密单点定位整数模糊度快速收敛，有效地检测精密单点定位实际测量值的正误，排除那些比如遭多路径影响的错误伪距、由反射波信号引起的异常多普勒频移以及由失锁或失周带来的故障载波相位测量值。
其优点：精密单点定位与惯性测量紧组合导航***及数据处理方法使用低成本、低精度的硬件，组合成高等精度的测量***，在军工、民用领域均能广泛推广使用；精密单点定位与惯性测量紧组合导航***及数据处理方法中GPS模块是双频接收模块，既能接收GPS卫星信号，又能接收全球卫星导航***(Global Navigation Satellite System, GLONASS)卫星信号，提高***定位精度，增强***的可靠性。
附图说明
图1是本发明的结构框图。
图2是本发明的数据处理流程图。
图3是本发明的惯性测量处理模块的数据流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：
如图1所示，本发明的精密单点定位与惯性测量紧组合导航***主要由惯性测量单元1、惯性测量处理模块2、GPS接收机3、卡尔曼滤波滤波计算模块4以及电源模块构成。其中：惯性测量单元1主要由微型加工机电***（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS） 敏感器组成，惯性测量单元1包括MEMS陀螺仪11、MEMS加速度计12、温度传感器13、滤波器14、同步化模块15和A/D转换模块16；MEMS陀螺11、MEMS加速度计12、温度传感器13的输出端并联到滤波器14上，滤波器14连接同步化模块15，同步化模块15连接A/D转换模块16。所述的MEMS陀螺11为硅微陀螺仪，用于提供三轴角速度测量值；所述的MEMS加速度计12为硅微加速度计，用于提供三轴比力测量值；所述的温度传感器13用于测量***内部温度，所述的滤波器14为带通滤波器，滤波器14根据有用信号的频率区间消除低频和高频噪声，所述的同步化模块15用于惯性测量的观测信息与GPS观测信息同步化，所述的A/D转换模块16用于将惯性测量单元1的信号转换为数字信息。所述的惯性测量处理模块2包括一个微处理器运算电路板，用于接收惯性测量单元1给出的原始三轴角速度和线加速度信号，通过导航积分运算，获得载***置、速度、姿态和航向数据，根据这些值计算相对于惯导位置和速度的伪距、载波、载波变化率等，并给卡尔曼滤波计算模块4提供导航状态参数信息，用于和GPS接收机3的伪距、载波、载波变化率进行卡尔曼滤波信息融合。所述的GPS接收机3为双频接收机，它包括一个或多个天线、一个射频前端处理模块31、一个基带数字信号处理模块32和一个定位导航运算模块33。GPS天线是GPS接收机3处理卫星信号的首个器件，它将收到的GPS卫星所发射的电磁波信号转变成电压或电流信号，以供接收机射频前端摄取与处理。卫星导航信号被提供给射频前端处理模块31进行模拟信号向数字信号的转换。射频前端处理模块31还包括放大器、滤波器和其他元件。数字化的GPS信号经过基带数字信号处理模块32处理，各个通道分别输出其所跟踪卫星信号的伪距、多普勒频移和载波相位等测量值以及信号上解调出来的导航电文。基带数字信号处理模块32还可以提供观测噪声的协方差阵。卫星测量值和导航电文中的星历参数等信息再经后续的定位导航运算功能模块的处理，接收机最终获得GPS定位结果，或者再输出导航信息。
本发明的精密单点定位与惯性测量紧组合导航***的数据处理方法，如图2所示，将紧组合导航***固定在运动载体上，通过惯性测量单元1测量行进中运动载体的三轴角速度和三轴比力值（                                                
Figure 55615DEST_PATH_IMAGE001
）之后传输给惯性测量处理模块2，通过惯性测量处理模块2进行惯性测量力学编排、导航积分计算，获得载***置、速度、姿态（
Figure 2011103308538100002DEST_PATH_IMAGE002
），根据这些值通过精密单点定位观测值预测计算相对于惯性测量单元1的伪距、载波、载波变化率预测值（
Figure 910438DEST_PATH_IMAGE003
）；惯性测量处理模块2进行惯性测量力学编排、导航积分计算如图3所示，由加速度计提供载体坐标系中的比力测量值
Figure 2011103308538100002DEST_PATH_IMAGE004
，陀螺仪提供载体坐标系中角速度的测量值
Figure 877126DEST_PATH_IMAGE005
，当给定导航初始时刻载体的姿态估值后，根据相对于惯性坐标系的载体角速度的测量值，姿态计算得到方向余弦矩阵
Figure 2011103308538100002DEST_PATH_IMAGE006
。通过比力测量值左乘方向余弦矩阵，得到导航坐标系中比力值
Figure 846853DEST_PATH_IMAGE007
。利用得到的
Figure 306696DEST_PATH_IMAGE007
，在速度和位置初始估值的基础上，综合重力计算得到的当地重力矢量和哥氏校正信息经导航计算得到载体的位置和速度及新的哥氏改正，位置信息通过重力计算得到新的当地重力矢量
Figure 505597DEST_PATH_IMAGE008
，利用可以提取载体的姿态、航向信息。得到的载***置、速度、姿态、当地重力矢量和哥氏校正信息作为下一次计算的初始值，直至得到最终时刻载***置、速度和姿态。 惯性测量处理模块2将相对于惯性测量单元1的伪距、载波、载波变化率的预测值通过卡尔曼滤波计算模块4接收后传输给GPS模块3，GPS模块精密单点定位整数模糊度快速收敛，同时检测精密单点定位实际测量值的正误，排除多路径影响的错误伪距、由反射波信号引起的异常多普勒频移以及由失锁或失周带来的故障载波相位测量值； 通过GPS接收机3的接收天线信号得到卫星信号和实时精密轨道及钟差数据，由精密单点定位模式，包括变频、放大、滤波、计算处理得到伪距、载波、载波变化率的实际测量值（
Figure 112158DEST_PATH_IMAGE009
）； 通过卡尔曼滤波计算模块4将接收到的相对于惯性测量单元1的伪距、载波、载波变化率的预测计算值和实际测量值相减后作为卡尔曼滤波器的观测值，记录在卡尔曼滤波器中，计算得到对惯性测量处理模块2的定位、定速结果校正的误差向量，综合误差向量和载***置、速度、姿态（
Figure 105522DEST_PATH_IMAGE002
）采用反馈校正的间接估计法，把组合导航***状态误差估计闭环反馈到惯导***惯性测量处理模块2中，对***状态进行校正，得到校正后的组合导航数据。

Claims (4)

1.一种精密单点定位与惯性测量紧组合导航***，其特征在于：它包括惯性测量单元（1）、惯性测量处理模块（2）、GPS接收机（3）、卡尔曼滤波计算模块（4）和电源模块，其中：惯性测量单元（1）的输出端与惯性测量处理模块（2）相连，惯性测量处理模块（2）与GPS接收机（3）分别连接卡尔曼滤波计算模块（4），卡尔曼滤波计算模块（4）同时接收惯性测量处理模块（2）和GPS接收机（3）的输出信号，通过多状态卡尔曼滤波计算，修正惯性测量处理模块（2）和GPS接收机（3）参数，将修正的参数反馈到惯性测量处理模块（2）和GPS接收机（3），惯性测量处理模块（2）接收卡尔曼滤波计算模块（4）反馈的修正参数后得到组合导航数据。
2.根据权利要求1所述的精密单点定位与惯性测量紧组合导航***，其特征在于：所述GPS接收机（3）为双频接收机。
3.根据权利要求1所述的精密单点定位与惯性测量紧组合导航***，其特征在于：所述的卡尔曼滤波计算模块（4）包括并列组合为一体的线性卡尔曼滤波器、非线性卡尔曼滤波器、扩展卡尔曼滤波器、自适应卡尔曼滤波器以及抗差卡尔曼滤波器。
4.根据权利要求1所述的精密单点定位与惯性测量紧组合导航***的数据处理方法，其特征在于包括如下步骤：
a. 将紧组合导航***固定在运动载体上，通过惯性测量单元（1）测量行进中运动载体的三轴角速度和三轴比力值之后传输给惯性测量处理模块（2），经惯性测量处理模块（2）进行惯性测量力学编排得到运动载体的位置、速度和姿态，根据这些值预测计算相对于惯性测量单元（1）的伪距、载波、载波变化率的预测值；
b. 惯性测量处理模块（2）将相对于惯性测量单元（1）的伪距、载波、载波变化率的预测值通过卡尔曼滤波计算模块（4）接收后传输给GPS模块（3），GPS模块精密单点定位整数模糊度快速收敛，同时检测精密单点定位实际测量值的正误，排除多路径影响的错误伪距、由反射波信号引起的异常多普勒频移以及由失锁或失周带来的故障载波相位测量值；
c. 通过GPS接收机（3）的接收天线信号得到实时精密轨道及钟差数据，由精密单点定位模式，包括变频、放大、滤波、计算处理得到伪距、载波、载波变化率的实际测量值；
d. 通过卡尔曼滤波计算模块（4）将接收到的相对于惯性测量单元（1）的伪距、载波、载波变化率的预测计算值和实际测量值相减后作为卡尔曼滤波器的观测值，记录在卡尔曼滤波器中，计算得到对惯性测量处理模块（2）的定位、定速结果校正的误差向量，采用反馈校正的间接估计法，把组合导航***状态误差估计反馈到惯性测量处理模块（2）中，对***状态进行校正，得到校正后的组合导航数据。
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