本發(fā)明涉及組合導(dǎo)航
技術(shù)領(lǐng)域：
，特別是一種GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的快速重定位方法。
背景技術(shù)：
：GPS全球定位系統(tǒng)通過對在軌衛(wèi)星發(fā)射的無線電信號進(jìn)行被動測距來得到用戶的三維位置。由于在軌衛(wèi)星的星座能夠保證全球任意位置都有足夠數(shù)量的衛(wèi)星信號實(shí)現(xiàn)定位，使得導(dǎo)航定位服務(wù)能夠?qū)崿F(xiàn)全球覆蓋，具有定位精度較高，覆蓋范圍較廣且定位誤差不隨時間積累等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在軍民領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。GPS的缺點(diǎn)是動態(tài)定位誤差較大，數(shù)據(jù)更新頻率低，且定位精度極易受到多路徑效應(yīng)、遮擋等地理環(huán)境因素的影響，同時在高動態(tài)情況下容易出現(xiàn)信號失鎖、無法定位等情況，單獨(dú)使用無法滿足高速、實(shí)時導(dǎo)航的要求。捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(StrapedInertialNavigationSystems,SINS)依靠慣性傳感器實(shí)現(xiàn)全天候、全球性的自主三維定位、測姿和測速，是一種完全自主的導(dǎo)航系統(tǒng)，具有隱蔽性好、不受外界干擾等優(yōu)點(diǎn)，也因此成為航空、航天和航海等領(lǐng)域中一種廣泛使用的主要導(dǎo)航系統(tǒng)，在導(dǎo)航領(lǐng)域中占有突出的地位。但由于慣性測量器件陀螺和加速度計固有的漂移、零偏等誤差具有強(qiáng)時間相關(guān)性，誤差隨時間逐步累積，所以低成本的SINS精度通常較差，且隨時間發(fā)散。目前，GPS/SINS超緊組合組合導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)合衛(wèi)星導(dǎo)航、慣性導(dǎo)航的優(yōu)點(diǎn)，具有定位精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此在軍事領(lǐng)域及民用領(lǐng)域都被廣泛應(yīng)用。但是，在高動態(tài)、弱信號等工作環(huán)境下，載體在飛行過程中可能面臨GPS信號失鎖等情況，從而使超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)無法正常工作。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的快速重定位方法，基于IMU輔助的多通道快速重定位技術(shù)，能夠使接收機(jī)在高動態(tài)、弱信號等惡劣工作環(huán)境下信號失鎖后快速重定位。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的快速重定位方法，包括以下步驟：步驟1，根據(jù)歷書信息和本地時間預(yù)測可見衛(wèi)星：首先根據(jù)星歷或歷書信息，結(jié)合接收機(jī)時鐘提供的本地時間解算出第i顆衛(wèi)星在地心地固直角坐標(biāo)系即ECEF坐標(biāo)系下的位置SINS根據(jù)IMU輸出的信息實(shí)時計算得到載體當(dāng)前時刻的緯度L、經(jīng)度λ和高度h；將載體的位置進(jìn)行坐標(biāo)變換得到載體在ECEF坐標(biāo)系下的位置(xu,yu,zu)，計算第i顆衛(wèi)星相對于載體的高度角；步驟2，根據(jù)衛(wèi)星高度角信息為衛(wèi)星分配多個通道：根據(jù)在軌衛(wèi)星的高度角，判斷并剔除當(dāng)前不可見的衛(wèi)星，對剩下的可搜捕衛(wèi)星分配通道進(jìn)行二維搜索；步驟3，利用外部輔助的載體位置信息，結(jié)合衛(wèi)星歷書或星歷、本地時間信息實(shí)時解算得到輔助信息，并對載波環(huán)和碼環(huán)提供輔助；步驟4，完成信號捕獲并進(jìn)入跟蹤狀態(tài)以后讀取本地時間，利用星歷信息和SINS輸出的輔助信息計算偽距，反推衛(wèi)星信號的發(fā)射時間，從而解算得到當(dāng)前幀計數(shù)；步驟5，檢測幀計數(shù)正確性，解調(diào)導(dǎo)航電文，利用導(dǎo)航測量值和導(dǎo)航電文進(jìn)行定位解算，最終得到用戶的衛(wèi)星信息。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)是：(1)在常規(guī)的慣性信息輔助捕獲算法基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了基于IMU輔助的多通道快速捕獲算法；(2)針對信號捕獲后組合導(dǎo)航系統(tǒng)基帶信號處理時間過長的問題，設(shè)計一種慣性信息輔助快速幀同步算法，使接收機(jī)在高動態(tài)、弱信號等惡劣工作環(huán)境下信號失鎖后快速重定位。附圖說明圖1是本發(fā)明GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的快速重定位方法中慣性輔助捕獲算法結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的快速重定位方法中多通道輔助捕獲算法流程圖。圖3是本發(fā)明GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的快速重定位方法中IMU輔助載波跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)圖。圖4是本發(fā)明GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的快速重定位方法中IMU輔助載波環(huán)數(shù)學(xué)模型。圖5是本發(fā)明GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的快速重定位方法中慣性信息輔助快速幀同步流程圖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。結(jié)合圖1，本發(fā)明為GPS/SINS超緊組合導(dǎo)航系統(tǒng)中的快速重定位方法，包括以下步驟：步驟1，根據(jù)歷書信息和本地時間預(yù)測可見衛(wèi)星。具體如下：(1.1)首先根據(jù)星歷或歷書信息，結(jié)合接收機(jī)時鐘提供的本地時間解算出第i顆衛(wèi)星在地心地固直角坐標(biāo)系即ECEF坐標(biāo)系下的位置SINS根據(jù)IMU輸出的信息可以實(shí)時計算得到載體當(dāng)前時刻的緯度L、經(jīng)度λ和高度h。將載體的位置進(jìn)行坐標(biāo)變換得到載體在ECEF坐標(biāo)系下的位置(xu,yu,zu)，計算第i顆衛(wèi)星相對于載體的高度角；根據(jù)衛(wèi)星與載體的位置信息，算得載體到第i顆衛(wèi)星的向量為ΔxΔyΔz=xsiysizsi-xuyuzu]]>(1.2)將ECEF坐標(biāo)系下的衛(wèi)星觀測向量轉(zhuǎn)換為載體坐標(biāo)系下的衛(wèi)星觀測向量ΔeΔnΔu=-sinλcosλ0-sinLcosλ-sinLsinλcosLcosLcosλcosLsinλsinL·ΔxΔyΔz]]>上式中，[Δx,Δy,Δz]T是ECEF坐標(biāo)系下載體到衛(wèi)星的觀測向量，[Δe,Δn,Δu]T是載體坐標(biāo)系下的衛(wèi)星觀測向量，λ、L分別為接收機(jī)的經(jīng)度和緯度；(1.3)計算第i顆衛(wèi)星相對于載體的高度角θi=arcsin(Δu(Δe)2+(Δn)2+(Δu)2)]]>根據(jù)在軌衛(wèi)星的高度角，判斷并剔除當(dāng)前不可見的衛(wèi)星，對剩下的可搜捕衛(wèi)星分配通道進(jìn)行二維搜索。步驟2，根據(jù)衛(wèi)星高度角信息為衛(wèi)星分配多個通道。根據(jù)在軌衛(wèi)星的高度角，判斷并剔除當(dāng)前不可見的衛(wèi)星，對剩下的可搜捕衛(wèi)星分配通道進(jìn)行二維搜索，多通道輔助捕獲算法流程圖如圖2所示。具體如下：(2.1)初始化多通道模塊，將所有通道狀態(tài)設(shè)為關(guān)閉并將通道壓入棧中，將所有衛(wèi)星的搜捕狀態(tài)設(shè)為不可見。(2.2)判斷能否通過高度角預(yù)測可見衛(wèi)星。若不能預(yù)測，則將全部衛(wèi)星的搜捕狀態(tài)設(shè)置為可能可見，將所有通道從棧中彈出，將通道狀態(tài)設(shè)置為常規(guī)時域捕獲，為每顆衛(wèi)星分配一個通道，進(jìn)行二維搜捕，通道的狀態(tài)設(shè)置為常規(guī)捕獲。若可以預(yù)測，則將預(yù)測成功的衛(wèi)星搜捕狀態(tài)設(shè)置為預(yù)測可見，并申請使用多通道；將預(yù)測不可見的衛(wèi)星的搜捕狀態(tài)設(shè)置為預(yù)測不可見，并不再分配相應(yīng)通道，等待高度角大到足夠角度時再重新開啟。(2.3)對于預(yù)測可見的衛(wèi)星，通過查詢棧頂?shù)奈恢门袛嗍欠裼卸嘤嗤ǖ?；查詢的?yōu)先級由衛(wèi)星的高度角大小決定。如果申請多通道成功，根據(jù)衛(wèi)星高度角的大小從棧中彈出通道并將通道的搜捕衛(wèi)星號設(shè)置為該顆衛(wèi)星，包括最先分配給該顆衛(wèi)星的通道，以及彈出的通道狀態(tài)均設(shè)置為多通道捕獲。(2.4)成功捕獲以后，將衛(wèi)星搜捕狀態(tài)改為可見，留下最先搜捕到該衛(wèi)星信號的通道，將通道狀態(tài)設(shè)置為信號確認(rèn)。隨后查找并釋放該衛(wèi)星之前使用的其他通道，將這些通道的狀態(tài)設(shè)置為關(guān)閉并壓入棧中，等待下次使用。如果超過一定時間仍未成功捕獲衛(wèi)星信號，則釋放該顆衛(wèi)星占用的所有通道，將衛(wèi)星搜捕狀態(tài)設(shè)置為弱信號，并重新分配一個通道改為采用非相干積分檢測法捕獲，此時的通道狀態(tài)設(shè)置為非相干積分捕獲。步驟3，利用外部輔助的載體位置信息，結(jié)合衛(wèi)星歷書或星歷、本地時間等信息實(shí)時解算得到輔助信息，并對載波環(huán)和碼環(huán)提供輔助，可實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星信號的快速捕獲，IMU輔助載波跟蹤環(huán)路結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。具體如下：(3.1)衛(wèi)星信號相對中頻頻率的偏移除了受衛(wèi)星和載體之間的相對運(yùn)動引起的多普勒效應(yīng)影響外，還包括接收機(jī)時鐘頻漂和衛(wèi)星時鐘頻漂。頻率偏移可表示為：Δfcarrier＝fdopp+Δfrec+Δfs上式中，Δfs為衛(wèi)星時鐘頻率漂移造成的頻率偏差，可由時鐘校正項(xiàng)消除。Δfrec為接收機(jī)時鐘頻率漂移帶來的頻率偏差，時鐘頻率漂移速度比較緩慢，在短時間失鎖的情況下可通過失鎖前的頻漂估計得到。fdopp為衛(wèi)星和載體之間的多普勒頻移。(3.2)將SINS輸出的當(dāng)前時刻載體速度變換到ECEF坐標(biāo)系下，結(jié)合歷書或星歷解算出的第i顆衛(wèi)星在ECEF坐標(biāo)系下的速度計算得到載體和第i顆衛(wèi)星之間在視線矢量上的相對速度為：vu_si=(v→u-v→s)·e→u_si=(x·uy·uz·u-x·siy·siz·si)·xsi-xurysi-yurzsi-zur]]>上式中，為衛(wèi)星和載體在視距方向的單位方向矢量，r為幾何距離。(3.3)計算衛(wèi)星和載體之間相對運(yùn)動造成的多普勒頻移：fdoppi=fL1c·vu_si=1λ1·vu_si]]>上式中，fL1為GPSL1波段的載波頻率，取1575.42MHz，c為光在真空中的傳播速度，取299792458.0m/s，比例系數(shù)(3.4)最終計算得到的第i顆衛(wèi)星信號的載波頻率為f0i=fIF+fdoppi+Δf~rec]]>上式中，fIF為下變頻后信號的中頻頻率，為接收機(jī)晶振頻漂帶來的頻率誤差估計值，由程序根據(jù)當(dāng)前情況和失鎖前的頻率漂移估計得到。為衛(wèi)星相對于載體的多普勒頻移。(3.5)接收機(jī)信號捕獲控制部分根據(jù)實(shí)時解算得到的載波頻率一方面不斷調(diào)整本地復(fù)制信號的載波頻率，將調(diào)整后的中頻頻率作為捕獲中心值；另一方面，根據(jù)載波頻率與碼速率之間的關(guān)系維持碼相位的同步。一旦出現(xiàn)衛(wèi)星信號，即可實(shí)現(xiàn)快速捕獲，IMU輔助載波環(huán)數(shù)學(xué)模型如圖4所示。步驟4，完成信號捕獲并進(jìn)入跟蹤狀態(tài)以后讀取本地時間，利用星歷信息和SINS輸出的輔助信息計算偽距，反推衛(wèi)星信號的發(fā)射時間，從而解算得到當(dāng)前幀計數(shù)，慣性信息輔助的快速幀同步流程圖如圖5所示。具體如下：(4.1)衛(wèi)星星歷可以計算出衛(wèi)星的位置和速度，IMU即使在衛(wèi)星失鎖以后仍能在一定時間內(nèi)保持一定精度，通過這兩者計算得到載體與衛(wèi)星之間的偽距：ρi=(xi-xu_ins)2+(yi-yu_ins)2+(zi-zu_ins)2+δtu]]>式中，(xi,yi,zi)為衛(wèi)星的位置，(xu_ins,yu_ins,zu_ins)為慣導(dǎo)提供的接收機(jī)的位置，δtu為鐘差。(4.2)由于本地時間可由本地時鐘得到，利用偽距計算公式反推衛(wèi)星發(fā)射時間ρ＝c×(t-t(s))式中，c為光速；t為信號的接收時刻；t(s)為信號的發(fā)射時刻(4.3)信號的發(fā)射時刻由一系列連續(xù)的測量值組成，計算公式為：ts=TOW+(30w+b)×0.020+(c+CP1023+CDP1023×2046)×0.001(s)]]>式中，TOW表示上一子幀中截短的周內(nèi)時計數(shù)，乘以6以后就等于當(dāng)前子幀的起始時間；W表示當(dāng)前已接收到的幀內(nèi)導(dǎo)航電文字，b表示當(dāng)前導(dǎo)航電文字字內(nèi)的比特位計數(shù)，c表示在當(dāng)前比特中已經(jīng)接收完整偽碼周期的數(shù)量，CP表示當(dāng)前碼相位測量值，CDP表示當(dāng)前的載波周期計數(shù)；由于已知信號發(fā)射時間，由上式可解算得到位計數(shù)、字計數(shù)、子幀計數(shù)及Z計數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)快速幀同步。步驟5，檢測幀計數(shù)正確性，解調(diào)導(dǎo)航電文，利用導(dǎo)航測量值和導(dǎo)航電文進(jìn)行定位解算，最終得到用戶的衛(wèi)星信息。具體如下：(5.1)判斷幀計數(shù)是否正確，若正確，進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤狀態(tài)，若不正確，退出幀同步狀態(tài)。(5.2)若設(shè)衛(wèi)星i的坐標(biāo)為(xi,yi,zi)，接收機(jī)到該衛(wèi)星的偽距為ρi，接收機(jī)的坐標(biāo)(xu,yu,zu)，衛(wèi)星時鐘與接收機(jī)本地時鐘鐘差為δtu。則可以列出以下等式：ρi=(xi-xu)2+(yi-yu)2+(zi-zu)2+δtu]]>其中，衛(wèi)星的位置(xi,yi,zi)和衛(wèi)星與接收機(jī)的偽距為ρi都是已知量，通過導(dǎo)航電文中的信息求得；接收機(jī)的坐標(biāo)(x,y,z)和鐘差δtu為未知量，收機(jī)獲取4顆以上的衛(wèi)星的導(dǎo)航電文，則列出四個方程，從而解算出接收機(jī)的位置；由于方程組是非線性的，本發(fā)明采用牛頓迭代及其線性化方法對方程組進(jìn)行求解，其具體步驟如下：第1步，設(shè)置方程初始解。迭代前給方程組的4個未知數(shù)設(shè)定一個初始值。初始值的設(shè)置分為兩種情況，若是首次定位，則全部設(shè)為0。若已經(jīng)成功定位，則將上一次的結(jié)果設(shè)置為本次迭代的初始值。第2步，線性化方程組。對上式進(jìn)行泰勒展開可得：ρi-ρi(x,y,z,δtu)=∂ρi∂x·Δx+∂ρi∂y·Δy+∂ρi∂z·Δz+1·δtu]]>其中：∂ρi∂x=-(xi-x)(xi-xu)2+(yi-yu)2+(zi-zu)2=-(xi-x)ri∂ρi∂y=-(yi-y)(xi-xu)2+(yi-yu)2+(zi-zu)2=-(yi-y)ri∂ρi∂z=-(zi-z)(xi-xu)2+(yi-yu)2+(zi-zu)2=-(zi-z)ri]]>將上式寫成矩陣形式可得：GΔxΔyΔzΔδtu=b]]>其中G=∂ρ1∂x|xk-1∂ρ1∂y|yk-1∂ρ1∂z|zk-11∂ρ2∂x|xk-1∂ρ2∂y|yk-1∂ρ2∂z|zk-11∂ρ3∂x|xk-1∂ρ3∂y|yk-1∂ρ3∂z|zk-11∂ρ4∂x|xk-1∂ρ4∂y|yk-1∂ρ4∂z|zk-11]]>b=ρ1-r1(k-1)-δtu,k-1ρ2-r2(k-1)-δtu,k-1ρ3-r3(k-1)-δtu,k-1ρ4-r4(k-1)-δtu,k-1]]>在這里，δtu,k-1和ri(k-1)表示第k-1次迭代求出的鐘差和接收機(jī)與對應(yīng)衛(wèi)星的距離。k＝1表示第1步中設(shè)置的初始值。第3步，利用最小二乘法公式求解方程組：ΔxΔyΔzΔδtu=(GTG)-1GTb]]>第4步，更新非線性方程組的根：xkykzkδtu,k=xk-1yk-1zk-1δtu,k-1+ΔxΔyΔzΔδtu]]>第5步，判斷牛頓迭代收斂性。每次迭代，第3步的結(jié)果會越來越小，當(dāng)其矢量長度值小于一定門限的時候，說明方程組的解已經(jīng)收斂，則停止迭代，最后一次迭代第4步的值即為接收機(jī)的位置坐標(biāo)和時鐘鐘差，否則重返第2步。一般情況下3至5次迭代即可收斂。綜上所述，本發(fā)明能夠使接收機(jī)在高動態(tài)、弱信號等惡劣工作環(huán)境下信號失鎖后快速重定位。當(dāng)前第1頁1 2 3