本发明公开了一种GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统和方法，由GNSS/INS超紧组合算法实现部分和性能评估两部分组成，所述GNSS/INS超紧组合算法实现部分包括轨迹生成模块、数字中频模块、传统接收机模块、惯导解算模块和GNSS/INS超紧组合解算模块，性能评估部分包括导航性能评估模块和跟踪性能评估模块。本发明通过轨迹生成模块和数字中频模块提供高动态和弱信号测试环境，通过惯导解算模块、传统接收机模块和GNSS/INS超紧组合解算模块实现GNSS/INS超紧组合算法，通过导航性能评估模块和接收机跟踪性能评估模块实现高动态、弱信号条件下的GNSS/INS超紧组合性能评估，为超紧组合算法和硬件设计实现提供指导。
1.一种GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统，由GNSS/INS超紧组合算法实现部分和性能评估两部分组成，其特征在于，所述GNSS/INS超紧组合算法实现部分包括轨迹生成模块、数字中频模块、传统接收机模块、惯导解算模块和GNSS/INS超紧组合解算模块，性能评估部分包括导航性能评估模块和跟踪性能评估模块，其中，所述轨迹生成模块用于产生用户期望的飞行轨迹数据和飞行轨迹上的惯性测量数据，并将该惯性测量数据输出给惯导解算模块；
所述数字中频模块用于根据飞行轨迹数据生成GNSS中频数据，并将其输出给传统接收机模块和GNSS/INS超紧组合解算模块；
所述传统接收机模块用于根据所述GNSS中频数据，对载波环和码环进行捕获跟踪，并进行卫星导航解算，将卫星导航解算结果输出给导航性能评估模块，将载波环和码环的捕获跟踪结果输出给跟踪性能评估模块；
所述惯导解算模块根据所述轨迹生成模块输出的惯性测量数据进行惯性导航解算，并将惯导解算结果输出给导航性能评估模块；
所述GNSS/INS超紧组合解算模块用于根据所述轨迹生成模块输出的惯性测量数据和所述数字中频模块生成的GNSS中频数据进行超紧组合解算，将超紧组合解算结果和惯性辅助跟踪结果分别输出给所述导航性能评估模块和跟踪性能评估模块；
所述导航性能评估模块用于根据所述飞行轨迹数据、卫星导航解算结果、惯导解算结果和超紧组合解算结果对超紧组合导航性能进行评估；
所述跟踪性能评估模块用于根据所述载波环和码环的捕获跟踪结果和惯性辅助跟踪结果对超紧组合跟踪性能进行评估。
2.如权利要求1所述的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统，其特征在于，所述轨迹生成模块根据载体不同机动状态下的加速度计算载体的速度：
式中， 表示载体在导航坐标系下的速度， 表示载体在导航坐
标系下的初始速度， 表示载体在导航坐标系下的加速度；
式中，λ表示当前经度、L表示当前纬度、h表示当前高度；λ0表示经度初值、L0表示纬度初值、h0表示高度初值；RM表示子午圈的曲率半径；RN表示卯酉圈的曲率半径，根据比力方程 计算加计的比力输出，式中，表示轨迹坐标系到导航坐标系的转移矩阵、at表示轨迹坐标系下的载体加速度、fb表示载体系下的加计比力输出、 表示姿态矩阵，机体角速度计算方程：
式中，θ表示俯仰角、γ表示横滚角、ψ表示航向角； 表示载体系下的角速率。
3.如权利要求1所述的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统，其特征在于，所述数字中频模块通过对卫星到接收机输出的全链路精确建模实现。
4.如权利要求3所述的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统，其特征在于，所述数字中频模块中采用的GNSS中频信号数学模型为：
式中，PC/A为C/A码信号功率；Di为导航电文；t为GNSS时间；Ci为伪随机噪声序列(C/A码)；δtiono为电离层时延；Td为由卫星时钟偏差、星历误差、卫星轨道偏差、对流层时延、信号空间传输等因素引起的时延；ωIF为中频角频率； 为初始载波相位；noise为输入的高斯白噪声。
5.如权利要求1所述的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统，其特征在于，所述传统接收机模块包括初始化单元、信号捕获单元、信号跟踪单元和定位解算单元，其中所述初始化单元用于定义传统接收机模块的全局变量和参数；
6.如权利要求1所述的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统，其特征在于，所述惯导解算模块利用姿态更新的四元数算法得到当前载体的姿态信息；利用姿态矩阵将载体系下的加计比力信息转化到导航坐标系，利用比力方程计算得到载体的速度；对速度积分得到载体的位置。
7.如权利要求1所述的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统，其特征在于，所述GNSS/INS超紧组合解算模块由惯导解算单元、惯性辅助接收机单元、超紧组合卡尔曼滤波器单元组成，所述惯导解算单元被超紧组合卡尔曼滤波器单元的输出结果实时修正，惯性辅助接收机单元被惯导解算单元实时辅助，从而实现惯性导航单元和GNSS接收机的超紧组合。
8.如权利要求7所述的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统，其特征在于，所述GNSS/INS超紧组合解算模块基于INS/GNSS伪距、伪距率的组合方式构建超紧组合卡尔曼滤波器，对惯导误差进行在线估计补偿。
9.如权利要求8所述的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统，其特征在于，所述惯性辅助接收机单元利用经过校正的惯性导航位置和速度输出，结合GNSS星历数据，利用下式计算并补偿传统接收机载频的多普勒频率fdyn：
式中，λ为载波波长，vIns为INS辅助估计的接收机速度，vsat为卫星速度，ILOS为卫星和接收机之间的视距方向矢量(LOS,line-of-sight)，且
式中，(xi,yi,zi)为卫星位置，(x,y,z)为接收机位置，ρ为卫星和接收机之间的伪距。
GNSS/INS超紧组合导航系统的性能评估系统及方法
技术领域
[0001] 本发明属于组合导航技术领域，涉及一种对GNSS/INS(Global Navigation Satellite System/Inertial Navigation System)超紧组合导航系统的性能参数进行评估的系统。
背景技术
[0002] 全球导航卫星系统(GNSS)是基于卫星的导航系统，可提供高精度的定位、测速和授时数据，具有全天候、全球覆盖和误差无积累等优点，在军事和民用中有着广泛的应用，但是其精度受外界影响较大，比如多径、遮挡、外界电磁干扰等。惯性导航系统(INS)是一种完全自主的导航系统，可以连续、实时地输出载体的位置、速度和姿态信息，具有短时精度高、隐蔽性好、不受气候等条件限制等优点，广泛应用于航空、航天、航海等领域，但是其具有误差随时间累积的缺点。GNSS和INS在性能上具有很强的互补性，将两者组合不仅可以充分发挥各自的优势，而且随着组合程度的加深，GNSS/INS组合系统的总体性能要优于各自独立系统。
[0003] 按照组合深度的不同，GNSS/INS组合模式可以分为松组合、紧组合和超紧组合。松组合和紧组合主要利用GPS输出的位置、速度、伪距和伪距率等信息来辅助INS，以提高组合系统的位置、速度和姿态精度，目前这两种组合模式应用已较为广泛。超紧组合则将重心适当集中在GNSS接收机部分，将GNSS接收机的跟踪环路和SINS的位置、速度信息进行融合，使其具备辅助GNSS接收机重捕获和高动态(歼击机、导弹)、弱信号(都市峡谷)等条件下的环路跟踪能力，超紧组合模式已经成为GNSS/INS组合导航系统的新一代设计模式。
[0004] GNSS/INS超紧组合导航系统属于组合导航领域的技术前沿，超紧组合算法尚不成熟，随着对超紧组合算法研究的不断深入，对超紧组合算法进行性能评估的要求也日益迫切。超紧组合导航系统主要解决的是高动态、弱信号等条件下的GNSS接收机环路跟踪问题，如果采用传统组合导航系统跑车或试飞试验的测试手段，因为设备的限制，没有办法实现高加速度和加加速度，且成本高，对于高空中运行载体，也没有精度高于卫星导航的其它导航方法对超紧组合性能进行测试评估。为此，如何对超紧组合算法实现灵活、低成本的测试验证与性能评估就显得非常重要。
[0005] 目前，对超紧组合性能评估系统的要求主要体现在：
[0006] 1)超紧组合算法设计灵活，容易实现算法的快速调整和验证。
[0007] 2)测试环境设计灵活，容易实现高动态、弱信号的测试环境。
[0008] 3)能够存储跟踪过程数据，方便实现传统接收机与超紧组合接收机跟踪性能的评估。
[0009] 4)能够实现并存储多种导航结果，方便实现超紧组合与真实轨迹、纯惯导、传统接收机、松组合、紧组合导航性能的评估。
[0010] 5)成本低，无需先期投入大量的财力、物力。
发明内容
[0011] (一)要解决的技术问题
[0012] 本发明所要解决的技术问题是，针对当前超紧组合算法尚不成熟，构建高动态和弱信号的测试环境成本昂贵且难以满足要求的现状，提出一种对超紧组合算法实现灵活、低成本的测试验证与性能评估系统和方法。
[0013] (二)技术方案
[0014] 本发明提出一种GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统，由GNSS/INS超紧组合算法实现部分和性能评估两部分组成，所述GNSS/INS超紧组合算法实现部分包括轨迹生成模块、数字中频模块、传统接收机模块、惯导解算模块和GNSS/INS超紧组合解算模块，性能评估部分包括导航性能评估模块和跟踪性能评估模块，其中，
[0015] 所述轨迹生成模块用于产生用户期望的飞行轨迹数据和飞行轨迹上的惯性测量数据，并将该惯性测量数据输出给惯导解算模块；
[0016] 所述数字中频模块用于根据飞行轨迹数据生成GNSS中频数据，并将其输出给传统接收机模块和GNSS/INS超紧组合解算模块；
[0017] 所述传统接收机模块用于根据所述GNSS中频数据，对载波环和码环进行捕获跟踪，并进行卫星导航解算，将卫星导航解算结果输出给导航性能评估模块，将载波环和码环的捕获跟踪结果输出给跟踪性能评估模块；
[0018] 所述惯导解算模块根据所述轨迹生成模块输出的惯性测量数据进行惯性导航解算，并将惯导解算结果输出给导航性能评估模块；
[0019] 所述GNSS/INS超紧组合解算模块用于根据所述轨迹生成模块输出的惯性测量数据和所述数字中频模块生成的GNSS中频数据进行超紧组合解算，将超紧组合解算结果和惯性辅助跟踪结果分别输出给所述导航性能评估模块和跟踪性能评估模块；
[0020] 所述导航性能评估模块用于根据所述飞行轨迹数据、卫星导航解算结果、惯导解算结果和超紧组合解算结果对超紧组合导航性能进行评估；
[0021] 所述跟踪性能评估模块用于根据所述载波环和码环的捕获跟踪结果和惯性辅助跟踪结果对超紧组合跟踪性能进行评估。
[0022] 本发明还提出一种GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估方法，包括如下步骤：
[0023] 产生用户期望的飞行轨迹数据和飞行轨迹上的惯性测量单元的测量数据；
[0024] 根据飞行轨迹数据生成GNSS中频数据；
[0025] 根据所述GNSS中频数据，对载波环和码环进行捕获跟踪，并进行卫星导航解算，生成卫星导航解算结果和载波环和码环的捕获跟踪结果；
[0026] 根据所述惯性测量数据进行惯性导航解算，生成惯导解算结果；
[0027] 根据所述轨迹生成模块输出的惯性测量数据和所述数字中频模块生成的GNSS中频数据进行超紧组合解算，生成超紧组合解算结果和惯性辅助跟踪结果；
[0028] 根据所述飞行轨迹数据、卫星导航解算结果、惯导解算结果和超紧组合解算结果对超紧组合导航性能进行评估；
[0029] 根据所述载波环和码环的捕获跟踪结果和惯性辅助跟踪结果对超紧组合跟踪性能进行评估。
[0030] (三)有益效果
[0031] 本发明的GNSS/INS超紧组合导航系统的性能评估系统及方法具有如下有益效果：
[0032] 1)本发明基于软件实现，具有高度灵活性，并能够节约成本；本发明采用模块化设计，便于调试和实现。
[0033] 2)本发明建立了包括轨迹生成、数字中频模拟、惯导解算、传统接收机、超紧组合计算在内的全链路仿真模型，实现了GNSS/INS超紧组合仿真，并且可灵活设置现实中价格昂贵且难以实现的高动态、弱信号试验测试环境，便于调试验证超紧组合算法。
[0034] 3)本发明建立了超紧组合导航性能评估和接收机跟踪性能评估模型，实现了GNSS/INS超紧组合性能评估，可用于对GNSS/INS超紧组合硬件设计的验证与优化。
附图说明
[0035] 图1显示了本发明的基于全链路仿真技术的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统的模块组成图；
[0036] 图2显示了本发明的基于全链路仿真技术的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统的一个实施例的架构图。
具体实施方式
[0037] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
[0038] 本发明提出了一种基于全链路仿真技术的GNSS/INS超紧组合导航系统的性能评估系统和方法，该系统通过轨迹生成模块和数字中频模块提供高动态和弱信号测试环境，通过惯导解算模块、传统接收机模块和GNSS/INS超紧组合解算模块实现GNSS/INS超紧组合算法，通过导航性能评估模块和接收机跟踪性能评估模块实现高动态、弱信号条件下的GNSS/INS超紧组合性能评估，为超紧组合算法和硬件设计实现提供指导。
[0039] 图1显示了本发明的基于全链路仿真技术的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统的模块组成图。如图所示，本发明涉及的GNSS/INS超紧组合性能评估系统主要由GNSS/INS超紧组合算法实现部分和性能评估两部分组成，其中GNSS/INS超紧组合算法实现部分由轨迹生成模块、数字中频模块、传统接收机模块、惯导解算模块和GNSS/INS超紧组合解算模块这五个模块组成；性能评估部分由导航性能评估模块和跟踪性能评估模块两个模块组成。
[0040] 下面分别说明各个模块的功能：
[0041] 1)轨迹生成模块
[0042] 功能：轨迹生成模块有两个基本功能，一是产生用户期望的飞行轨迹数据，输出内容包括时间、位置、速度和加速度值，飞行轨迹数据是导航性能评估的基准；二是产生飞行轨迹上惯性测量单元(IMU，Inertial Measurement Unit)的测量数据，包括时间、陀螺输出、加表输出，惯性测量单元的惯性测量数据输出给惯导解算单元，用于生成惯导解算结果。
[0043] 原理：根据实际情况，本发明将各种典型的机动动作做成了单个的模块；然后再根据需要测试的性能将各个机动动作自由组合成一条飞行轨迹进行实时仿真测试。典型的机动动作包括：爬升，拐弯、俯冲，其中爬升通过分解为拉起、等角爬升和改平三个阶段实现；拐弯通过分解为进入转弯、等角速度转弯和改平三个阶段实现；俯冲通过分解为进入俯冲、持续俯冲和改平三个阶段实现。
[0044] 具体实现方式：根据载体不同机动状态下的加速度计算载体的速度：
[0045]
[0046] 式中， 表示载体在导航坐标系下的速度， 表示载体在导航坐标系下的初始速度， 表示载体在导航坐标系下的加速度。
[0047] 对速度积分得到载体的位置信息：
[0048]
[0049] 式中，λ表示当前经度、L表示当前纬度、h表示当前高度；λ0表示经度初值、L0表示纬度初值、h0表示高度初值；RM表示子午圈的曲率半径；RN表示卯酉圈的曲率半径。
[0050] 根据比力方程 计算加计的比力输出，式中， 表示轨迹坐标系到导航坐标系的转移矩阵、at表示轨迹坐标系下的载体加速度、fb表示载体系下的加计比力输出、 表示姿态矩阵。
[0051] 机体角速度计算方程：
[0052]
[0053] 式中，θ表示俯仰角、γ表示横滚角、ψ表示航向角； 表示载体系下的角速率。
[0054] 2)数字中频模块
[0055] 功能：根据飞行轨迹数据，综合考虑无线信道传播、下变频、滤波、采样、自动增益控制(AGC，Automatic Gain Control)整个过程以及误差和噪声影响，生成GNSS中频数据，并输出给传统接收机模块，用于生成卫星导航解算结果；同时将所述GNSS中频数据输出给GNSS/INS超紧组合解算模块，用于生成超紧组合解算结果和惯性辅助跟踪结果。
[0056] 原理：通过对卫星到接收机输出的全链路精确建模实现，包括卫星发射信号模型、天线端接收信号模型、接收机射频前端信号处理模型、接收机本振误差模型、中频采样输出信号模型和AGC模型。
[0057] 具体实现方式：
[0058] GNSS中频信号数学模型为：
[0059]
[0060] 式中，PC/A为C/A码信号功率；Di为导航电文；t为GNSS时间；Ci为伪随机噪声序列(C/A码)；δtiono为电离层时延；Td为由卫星时钟偏差、星历误差、卫星轨道偏差、对流层时延、信号空间传输等因素引起的时延；ωIF为中频角频率；为初始载波相位；noise为输入的高斯白噪声。
[0061] 3)传统接收机模块
[0062] 功能：根据数字中频模块输出的GNSS中频数据，对载波环和码环进行捕获跟踪，并进行卫星导航解算，将卫星导航解算结果输出给导航性能评估模块，参与超紧组合导航性能的评估；对载波环和码环的捕获跟踪结果输出给跟踪性能评估模块，参与超紧组合下接收机跟踪性能的评估。
[0063] 原理：通过对GNSS中频数据的数据预处理、捕获、跟踪、电文解调和导航解算实现传统接收机功能。
[0064] 具体实现方式：传统接收机模块主要包括以下四个功能单元：初始化、信号捕获、信号跟踪和定位解算。
[0065] 初始化单元用于定义传统接收机模块相关全局变量和参数；
[0066] 信号捕获单元利用GPS L1 C/A码的自相关特性，采用FFT算法将时域大运算量的信号卷积运算变换为频域小运算量的信号乘法运算，从而快速获得卫星信号的粗略多普勒值；
[0067] 信号跟踪单元通过对码和载波跟踪环的控制，实现对GNSS信号跟踪，用于提取观测量；码跟踪利用延迟锁定环(DLL)实现，载波跟踪用Costas载波相位跟踪环实现。
[0068] 定位解算单元根据读取的导航电文参数进行定位解算，结合读取的伪距信息利用伪距定位法进行用户位置的解算。
[0069] 4)惯导解算模块
[0070] 功能：根据轨迹生成模块输出的惯性测量数据，进行纯惯性导航解算，惯导解算结果输出给导航性能评估模块，参与超紧组合导航性能的评估。
[0071] 原理：对惯性测量单元数据进行数据预处理后，把载体系下的原始观测数据通过姿态矩阵投影到导航坐标系，在导航坐标系内通过航迹推算算法(DR，Dead Reckoning)，实现惯性导航求解。
[0072] 具体实现方式：利用姿态更新的四元数算法得到当前载体的姿态信息；利用姿态矩阵将载体系下的加计比力信息转化到导航坐标系，利用比力方程计算得到载体的速度；对速度积分得到载体的位置。
[0073] 5)GNSS/INS超紧组合解算模块
[0074] 功能：根据轨迹生成模块输出的惯性测量数据和GNSS中频数据进行超紧组合解算，超紧组合解算的位置速度等解算结果给导航性能评估模块，用于实现超紧组合导航性能的评估；GNSS/INS超紧组合解算模块中惯性辅助接收机单元输出的载波环和码环的跟踪结果输出给跟踪性能评估模块，用于实现超紧组合跟踪性能的评估。
[0075] 原理：GNSS/INS超紧组合解算模块由超紧组合框架下的惯导解算单元、惯性辅助接收机单元、超紧组合卡尔曼滤波器单元三个单元组成，惯导解算单元被超紧组合卡尔曼滤波器单元的输出结果实时修正，惯性辅助接收机单元被惯导解算单元实时辅助，从而实现惯性导航单元和GNSS接收机的超紧组合。
[0076] 具体实现方式：基于INS/GNSS伪距、伪距率的组合方式构建超紧组合卡尔曼滤波器单元，对惯导误差进行在线估计补偿。
[0077] 惯性辅助接收机单元利用经过校正的惯性导航位置和速度输出，结合GNSS星历数据，利用下式计算并补偿接收机载频的多普勒频率fdyn：
[0078]
[0079] 式中，λ为载波波长，vIns为INS辅助估计的接收机速度，vsat为卫星速度，ILOS为卫星和接收机之间的视距方向矢量(LOS，line-of-sight)，且
[0080]
[0081] 式中，(xi，yi，zi)为卫星位置，(x，y，z)为接收机位置，ρ为卫星和接收机之间的伪距。
[0082] 同时通过载波环辅助码环，达到惯性辅助GNSS接收机跟踪的目的。
[0083] 6)导航性能评估模块
[0084] 功能：用于对超紧组合导航性能进行评估。
[0085] 原理：将GNSS/INS超紧组合解算模块输出的超紧组合解算结果、惯导解算结果、传统接收机模块输出的卫星导航解算结果以及位置速度基准值(飞行轨迹数据)进行比较分析，评估GNSS/INS超紧组合后的导航性能。
[0086] 具体实现方式：将超紧组合导航解算的位置速度解与位置速度基准作差得到位置速度误差，计算位置速度误差的均值和方差，以此数学统计量作为导航性能评估的依据。
[0087] 7)跟踪性能评估模块
[0088] 功能：用于对超紧组合跟踪性能进行评估。
[0089] 原理：将GNSS/INS超紧组合解算模块中惯性辅助接收机输出的惯性辅助跟踪结果同传统接收机模块输出的载波环和码环的捕获跟踪结果进行比较，评估GNSS/INS超紧组合后的跟踪性能。
[0090] 具体实现方式：码环鉴别器输出的码相位偏差经码环路滤波器滤波后，得到码频率调整量，比较惯性辅助接收机和传统接收机码频率调整量的方差；
[0091] 载波环鉴别器输出的载波相位偏差经载波环路滤波器滤波后，得到频率误差，比较惯性辅助接收机和传统接收机频率误差的方差。
[0092] 图2显示了本发明的基于全链路仿真技术的GNSS/INS超紧组合导航系统性能评估系统的一个实施例的架构图。如图2所示，轨迹生成模块输出惯性测量数据和位置速度基准(飞行轨迹数据)；惯导解算模块利用惯性测量数据进行纯惯导解算输出惯导解算结果；数字中频模块根据飞行轨迹数据输出GNSS中频数据；传统接收机模块利用GNSS中频数据进行解算输出卫星导航解算结果、载波环和码环的捕获跟踪结果；GNSS/INS超紧组合解算模块利用惯性测量数据、GNSS中频数据进行组合解算，输出超紧组合解算结果和惯性辅助跟踪结果；跟踪性能评估模块根据载波环和码环的捕获跟踪结果和惯性辅助跟踪结果进行跟踪性能评估；导航性能评估模块根据位置速度基准、惯导解算结果，卫星导航解算结果和超紧组合解算结果进行导航性能评估。
[0093] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
