CN201751861U - 一种惯性辅助卫星导航***的接收机 - Google Patents

Abstract

本实用新型所揭示一种惯性导航***辅助卫星导航***的接收机，该接收机属于卫星定位和导航领域，本接收机的作用是对GPS接收模块的载波跟踪环进行INS辅助。本接收机包括带辅助输入接口的GPS模块、带同步时钟输入接口的INS模块以及数据融合模块，其特征为带有同步时钟输入接口和角速率以及比力信息输出接口的INS模块的同步时钟输入端与GPS模块的同步时钟信号输出端相连，速率以及比力信息输出端与数据融合模块的数据输入端相连，数据融合模块的数据输出端与GPS模块载波跟踪环的输入端相连。本接收机与传统的GPS/INS接收机相比，能够明显提高接收机的动态性能和抗干扰能力。

Description

一种惯性辅助卫星导航***的接收机

【技术领域】

本实用新型涉及一种用于定位和导航领域的惯性辅助卫星导航***的接收机，它特别涉及于高动态环境下惯性导航***(以下用INS表示)辅助卫星导航***的定位与导航。

【背景技术】

全球定位导航***(以下用GPS表示)是目前运用最广泛的卫星导航***，该***能够为用户提供高精度、全天候、全球性地导航与定位。但是，GPS导航***属于无线电导航***，其信号很容易受到周围环境的干扰，特别是当接收机处于城市、森林、隧道等低信噪比环境下，GPS接收机在短时间内难以为用户提供高精度的导航与定位。另外，当载体处于高动态环境下，GPS接收机的载波跟踪环容易失锁，其动态性能会随着接收机的高速运动而变差，有时甚至完全无法完成有效导航与定位。

INS是一种利用惯性元件、基准方向及最初位置信息来确定载体速度、位置和姿态的自主导航***。INS具有数据更新速率快，短时间范围内定位精度高，***不易受外界干扰等特点。但是，INS存在误差积累现象，其定位精度会随着时间推移而变差，其误差累积需要由外部观测信息进行不间断修正。

INS辅助GPS的组合导航***能够弥补INS和GPS***各自的不足，首先，INS***能够对GPS接收机的载波跟踪环进行辅助，能够提高GPS接收机的动态性能和增强其抗干扰能力，另一方面，当GPS接收机处于城市、森林、隧道等低信噪比环境下而无法完成定位时，INS***能够利用其短时间内定位精度高的特点为用户提供高精度的连续定位，增强***的可靠性和连续性。其次，GPS***能够对INS***的误差积累进行修正，能够提高INS的精度。INS辅助GPS应用技术的丰富内涵与巨大的实用价值已经吸引了许多围家的军事部门、科研机构及其相关单位的关注，已经成为全世界的一个研究热点。目前对INS辅助GPS应用技术的研究主要集中在INS与GPS数据融合以及INS辅助GPS载波跟踪环等方面。

INS辅助GPS的高动态导航与定位是未来组合导航技术发展的一个主要方向，国内外许多研究机构也一直在积极从事这方面的研究，一些公司也已经相继推出了它的接收机产品。但是，总的来说目前满足高动态环境下的组合导航技术还不是很成熟，现在已有的INS辅助GPS组合导航技术主要集中在对GPS和INS的误差修正方面，对GPS载波跟踪环辅助方面的研究几乎没有，其产品的高动态性能和抗干扰能力都不是很理想。

【实用新型内容】

本实用新型的目的是提供一种具有高动态、高精度以及具有较强抗干扰能力的惯性辅助卫星导航***的接收机。

本实用新型所述的惯性辅助卫星导航***的接收机由带辅助输入接口的GPS接收机模块1、具有同步时钟输入接口的INS模块2及数据融合模块3三个部分构成，如附图1所示。参阅图1：INS模块中的数据采集板首先对惯性元件陀螺和加速度计的数据进行采集，在采集过程中为了保持和GPS数据同步，其数据采样时钟利用GPS接收机输出的1PPS脉冲，该时钟用于控制INS的采样时序，使INS数据的更新速率始终和GPS接收机保持同步。采样后的角速率和比力数据被送入INS计算模块，该模块主要完成导航坐标系的转换以及解算载体在INS***下的位置、速度。当INS模块位置、速度等定位值确定后，结合GPS接收机提供的星历数据可得到INS***相对于GPS卫星的伪距、伪距率。对于GPS接收模块1而言，卫星信号进入天线，经过GPS射频模块，输入信号被放大，频率转换为期望的输出频率；A/D转化器将GPS信号数字化并送入12通道的相关器，该相关器能够同时完成对12颗卫星信号的处理，每一颗可视卫星都有与之对应的数字化相关通道，其相关器模块主要完成接收信号和本地重现信号的相关处理以得到载体在GPS***下的伪距、伪距率等。INS模块和GPS模块计算得到的载体伪距和伪距率被同时送入数据融合模块3，采用自适应卡尔曼滤波算法分别对伪距、伪距率进行融合，融合后得到的高精度伪距、伪距率值分别对GPS模块和INS模块的误差量进行修正并通过位置计算模块得到载体高精度的位置、速度和加速度值。频率转化模块将载体的速度以及加速度量转化为GPS接收机载波跟踪环所需要的载波多普勒频率和频率变化率，该多普勒频率和频率变化率对GPS接收机载波跟踪环进行辅助以提高组合导航***的动态性能，数据融合模块内的自适应卡尔曼滤波算法以及GPS接收机载波跟踪环辅助算法是该组合导航***的核心。

本实用新型组合导航***接收机其主要特征是采用超紧密耦合技术，它的主要功能是完成伪距、伪距率融合、GPS和INS模块误差修正以及GPS模块载波跟踪环辅助，其目的是实现高动态环境下的无缝导航。程序算法工作流程如下：

伪距和伪距率融合

伪距和伪距率融合的目的是对INS模块和GPS模块的误差量进行估计，其误差量包括INS模块的平台误差角、速度误差、位置误差、惯性仪表误差以及GPS模块的时钟漂移误差。参阅图2：本实用新型采用自适应卡尔曼滤波算法对INS模块的伪距、伪距率以及GPS模块的伪距、伪距率进行融合，其状态变量为18维，该滤波器的状态变量包含了INS模块和GPS模块的所有误差向量。状态变量的模型设置如下：惯性仪表误差包括陀螺漂移误差和加速度计误差，GPS模块的时钟漂移误差包括时钟误差引起的距离误差和时钟频率误差引起的速度误差，在该实用新型中均采用一阶马尔柯夫过程加以描述。对于量测方程而言，用GPS模块给出的星历数据与INS模块给出的位置、速度计算得到INS模块相对于GPS卫星的伪距和伪距率，并与GPS模块给出的伪距和伪距率相比较作为自适应滤波器的输入观测值，对状态方程和观测方程进行线性化和离散化，输入初始参数驱动滤波器，通过组合自适应滤波器估计该组合导航***的误差量，然后对两个子***进行校正。

GPS和INS模块误差修正

采用反馈校正的方式对GPS和INS模块的误差进行补偿，削弱INS模块的误差累积效应以及时钟漂移所产生的GPS模块位置和速度误差，提高组合导航***的导航精度。在误差修正的过程中，考虑了当GPS卫星被遮挡，可见星数目少于4颗时GPS模块无法完成定位的情况，此时利用INS的导航数据对GPS信号进行补偿，在最极端情况下甚至可以在短时间内单独利用INS模块进行导航与定位，提高了组合导航***的可靠性和连续性。

GPS模块载波跟踪环辅助

GPS模块载波跟踪环辅助技术是该实用新型的核心，GPS模块载波跟踪环对外部干扰极为敏感，当接收机处于大范围机动时，GPS接收机容易失锁，造成GPS模块不能实施导航与定位。在INS模块的伪距、伪距率辅助下，GPS模块载波跟踪环的环路噪声带宽变窄，其动态性能和抗干扰能力将大大提高，本实用新型的抗干扰能力在现有接收机的基础之上能够提高12dB，其载波跟踪环路模型原理框图如附图3所示。参阅图3：INS模块对GPS卫星信号频率进行估计，得到GPS模块载波跟踪环所需要的辅助频率，在INS辅助状态下，整个环路对频率误差进行跟踪，这些误差包括：卫星信号多普勒估计误差、时钟频率估计偏差以及由载体动态变化引起的时钟频率抖动。

在该组合导航***中，信号跟踪误差与信号能量、环路带宽以及频率估计误差相关。为了提高接收机的自适应能力，本实用新型采用不固定环路带宽的设计思想，载波跟踪环路带宽随着信号功率的不同进行自适应地调整，该实用新型不但能够保证接收机具有优良的抗干扰能力同时还能保证较高的定位精度。基本思想为：在室外等信号强度较好的环境下，当信号强度高于失锁门限时，提高***的跟踪精度从而保证高精度的导航。另外，在城市、森林、隧道等低信噪比环境下，动态调节跟踪环路带宽使跟踪误差达到最小，提高接收机的抗干扰能力。

本实用新型采用全新方法对高动态环境下GPS接收机载波跟踪环进行INS辅助。与传统方法相比，该实用新型的辅助方法既能明显提高接收机的抗干扰能力，又能保证高精度的实时导航。该实用新型接收机抗干扰能力能够提高12dB，在城市、森林、隧道等低信噪比环境下能够跟踪信号功率为-178dBW的弱GPS信号且定位精度在35米以内。该实用新型能够明显提高GPS接收机的动态性、可靠性、精度和实时性。

为对实用新型的目的、构造特征及其功能有进一步的了解，兹配合附图详细说明如下：

【附图说明】

图1惯性辅助卫星导航***的接收机原理框图

图2惯性辅助卫星导航***的接收机数据融合模型原理框图

图3GPS模块载波跟踪环辅助原理框图

【具体实施方式】

下面结合附图进一步说明本实用新型的具体内容及实施方式。

假设接收机处于30g的动态环境，接收机L1波段的GPS信号功率仅为-178dBW。

参阅图1、图2及图3所示，本实用新型所述的一种惯性辅助卫星导航***的接收机由带辅助输入接口的GPS接收机模块1、具有同步时钟输入接口的INS模块2及数据融合模块3三个部分构成。当射频到达的GPS电磁波转化为微波电信号，并进行低通滤波和放大后，经三级混频后信号被转换到低频，低频信号经A/D采样量化后被转化为数字信号，数字信号被送入12通道的相关处理器，每一颗卫星都有与之对应的唯一相关通道。本地重现信号在相关器内和接收到的信号进行相关处理，所有处理过程均在12通道的相关器内完成，经相关处理后得到两路数字信号并由此得到GPS模块的伪距、伪距率。

INS模块在GPS模块同步脉冲的控制下计算INS模块的位置和速度，提取星历数据确定卫星的位置并由此计算INS模块相对于GPS卫星的伪距、伪距率。该伪距、伪距率与GPS模块得到的伪距、伪距率经自适应卡尔曼滤波器进行融合，融合后的误差估计量对GPS模块和INS模块的误差量进行修正以提高组合导航***的精度。

对载波多普勒频移和时钟频率误差进行估计以完成对GPS模块载波跟踪环的辅助，载波多普勒频移为接收机相对于卫星的相对速度在视向方向上的分量，估计模型为：

$f_{\mathrm{dopp}}=\frac{1}{\mathrm{\λ}}(V^{\mathrm{RX}}-V^S)\·I^S$

其中，λ为L₁频段载波波长；V^RX为接收机天线的速度矢量；V^S为卫星的速度矢量；I^S为接收机到卫星的视向矢量。时钟频率误差为12个通道上都有的误差，估计模型为：

在本实用新型中，载波跟踪环的前馈支路包括一个低通滤波器和外部附加误差，低通滤波器能够限制INS模块的带宽，带宽变窄能够提高接收机的抗干扰能力，提高其动态性能，采用可调带宽思想，GPS模块载波跟踪环带宽随接收信号的信噪比变化而动态变化，保证其动态性能和抗干扰能力。

Claims (4)

1.一种惯性辅助卫星导航***的接收机，包括GPS模块(1)、INS模块(2)以及数据融合模块(3)，其特征在于：带有同步时钟输入接口和角速率以及比力信息输出接口的INS模块的同步时钟输入端与GPS模块的同步时钟信号输出端相连，速率以及比力信息输出端与数据融合模块的数据输入端相连，数据融合模块的数据输出端与GPS模块载波跟踪环的输入端相连。

2.根据权利要求1所述的惯性辅助卫星导航***的接收机，其特征在于所述的GPS模块(1)包括载波跟踪环辅助单元和用于做相关处理的12通道相关器单元，GPS模块(1)中的载波跟踪环辅助单元的输入端和12通道相关器单元的同步时钟输出端分别为GPS模块载波跟踪环的输入端和同步时钟信号输出端。

3.根据权利要求1所述的惯性辅助卫星导航***的接收机，其特征在于所述的INS模块(2)包括角速率以及比力信息输出单元和同步时钟输入单元，INS模块(2)中的角速率以及比力信息输出单元的输出端和同步时钟输入单元的输入端分别为INS模块速率以及比力信息输出端和同步时钟输入端。

4.根据权利要求1所述的惯性辅助卫星导航***的接收机，其特征在于所述的数据融合模块(3)包括INS计算单元和INS/GPS组合卡尔曼滤波单元，数据融合模块(3)中的INS计算单元的输入端和INS/GPS组合卡尔曼滤波单元的输出端分别为数据融合模块的数据输入端和数据输出端。 

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