基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法

摘要

本发明提供一种基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法，该方法包括以下步骤：分别采集GPS卫星定位系统的定位数据和Beidou2卫星定位系统的定位数据；采用载波相位求解法分别建立GPS卫星定位系统模型和Beidou2卫星定位系统模型；采用统一的时间基准和坐标基准，将BeiDou2的载波差分定位和GPS的载波差分定位进行联立求解；通过GNSS板卡、三轴光纤陀螺和加速度计组合并采用紧耦合技术捕获INS数据；采用分布式卡尔曼滤波进行GPS/BeiDou2/INS组合导航，给出组合导航系统的状态向量、测量向量。

权利要求

1.一种基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：步骤1：卫星定位数据采集

分别采集GPS卫星定位系统的定位数据和Beidou2卫星定位系统的定位数据；

步骤2：单点定位模型建立；

分别建立GPS卫星定位系统模型和Beidou2卫星定位系统模型，均采用载波相位求解法，采用如下解算方程：其中，λ为载波波长，为载波相位观测值，R为GPS卫星或Beidou2卫星到接收机相位中心的几何距离；N为载波模糊度；tr为GPS卫星或Beidou2卫星的接收机的钟差，t为GPS卫星定位系统或Beidou2卫星定位系统的时间系统同步误差，ts为GPS卫星Beidou2卫星的钟差；

C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟误差；M为多路径误差；P为GPS卫星或Beidou2卫星的天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪声；

步骤3：GPS与BeiDou2联合定位解算

采用统一的时间基准和坐标基准，将BeiDou2的载波差分定位和GPS的载波差分定位进行联立求解，得到如下定位方程组：其中，Δ▽表示双差算子，λ为载波波长，为载波相位观测值，R为卫星到接收机相位中心的几何距离；N为载波模糊度；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟误差；M为多路径误差；P为天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪声；上标C和G分别对应于BeiDou2卫星定位和GPS卫星定位；

得BeiDou2/GPS双差载波相位观测方程为：

其中，dX表示相对坐标改正向量；ΔN为双差整周模糊度向量；b为与dX相对应的系数矩阵；a为与ΔN相对应的系数矩阵；L为常数项向量，其中Δ为单差算子；式中(x0,y0,z0)为用户位置初始值，(xm,ym,zm)为卫星坐标；r0为用户初始值与卫星之间的几何距离；m为观测到的同一系统卫星数；

根据公式(3)、(4)、(5)，采用最小二乘法，先求出双差整周模糊度ΔN，然后求出相对坐标改正值，进而得到相对位置信息；

步骤4：INS数据采集

通过GNSS板卡、三轴光纤陀螺和加速度计组合并采用紧耦合技术捕获INS数据；

步骤5：GPS/Beidou2/INS组合导航定位

采用分布式卡尔曼滤波进行GPS/BeiDou2/INS组合导航，GPS和BeiDou2各个子系统首先通过局部卡尔曼滤波器处理各自的测量信息以产生局部状念估计，每个观测方程所得到的局部卡尔曼滤波器作为子滤波器，INS滤波器作为主滤波器，合并成总体状态滤波器，给出组合导航系统的状态向量、测量向量；

设定GPS和Beidou2组合加权值w1和INS加权值w2，则组合导航经纬 度为：λ＝w1λ1+w2λ2

满足：w1+w2＝1

由不确定传播计算定律求得不确定度为：

式中， (μλ1、μλ2)为GPS和Beidou2卡尔曼滤波器的输出经度和纬度的不确定度； 为组合导航系统输出的经度和纬度的不确定度，(μc1、μc2)、μc分别为卫星系统中各个传感器输出信号的不确定度和自适应滤波器输出信号的不确定度；

采用拉格朗日乘法对公式(6)进行求解：

对(w1，w2)求偏导并令其等于0，分别求得加权值：

说明书

基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法，属于3S集成应用领域。

背景技术

[0002] 组合导航系统有利于充分利用各导航系统进行信息互补与信息合作，成为导航系统发展的方向。在所有的组合导航系统中，以GPS与INS组合的系统最为理想，而紧耦合方式是GPS与INS组合的最优方法。鉴于GPS的不可依赖性，将北斗导航系统与INS的组合是组合导航系统的发展趋势，因此研究其组合模式具有重要意义。鉴于此，解决GPS/Beidou2/INS紧密组合进行导航与定位，具有重大的实际应用价值，也具有重要的科学意义。

发明内容

[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足，从而提供一种基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法。

[0004] 本发明的目的是通过下面的技术方案来实现的：一种基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：

[0005] 步骤1：卫星定位数据采集

[0006] 分别采集GPS卫星定位系统的定位数据和Beidou2卫星定位系统的定位数据；

[0007] 步骤2：单点定位模型建立；

[0008] 分别建立GPS卫星定位系统模型和Beidou2卫星定位系统模型，均采用载波相位求解法，采用如下解算方程：

[0009]

[0010] 其中，λ为载波波长，为载波相位观测值，R为GPS卫星或Beidou2卫星到接收机相位中心的几何距离；N为载波模糊度；tr为GPS卫星或Beidou2卫星的接收机的钟差，t为GPS卫星定位系统或Beidou2卫星定位系统的时间系统同步误差，ts为GPS卫星Beidou2卫星的钟差；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟误差；M为多路径误差；P为GPS卫星或Beidou2卫星的天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪声；

[0011] 步骤3：GPS与BeiDou2联合定位解算

[0012] 采用统一的时间基准和坐标基准，将BeiDou2的载波差分定位和GPS的载波差分定位进行联立求解，得到如下定位方程组：

[0013]

[0014] 其中，Δ▽表示双差算子，λ为载波波长，为载波相位观测值，R为卫星到接收机相位中心的几何距离；N为载波模糊度；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟误差；M为多路径误差；P为天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪声；上标C和G分别对应于BeiDou2卫星定位和GPS卫星定位；

[0015] 得BeiDou2/GPS双差载波相位观测方程为：

[0016]

[0017]

[0018]

[0019] 其中，dX表示相对坐标改正向量；ΔN为双差整周模糊度向量；b为与dX相对应的系数矩阵；a为与ΔN相对应的系数矩阵；L为常数项向量，其中Δ为单差算子；式中(x0,y0,z0)为用户位置初始值，(xm,ym,zm)为卫星坐标；r0为用户初始值与卫星之间的几何距离；m为观测到的同一系统卫星数；

[0020] 根据公式(3)、(4)、(5)，采用最小二乘法，先求出双差整周模糊度ΔN，然后求出相对坐标改正值，进而得到相对位置信息。

[0021] 步骤4：INS数据采集

[0022] 通过GNSS板卡、三轴光纤陀螺和加速度计组合并采用紧耦合技术捕获INS数据；

[0023] 步骤5：GPS/Beidou2/INS组合导航定位

[0024] 采用分布式卡尔曼滤波进行GPS/BeiDou2/INS组合导航，GPS和BeiDou2各个子系统首先通过局部卡尔曼滤波器处理各自的测量信息以产生局部状念估计，每个观测方程所得到的局部卡尔曼滤波器作为子滤波器，INS滤波器作为主滤波器，合并成总体状态滤波器，给出组合导航系统的状态向量、测量向量；

[0025] 设定GPS和Beidou2组合加权值w1和INS加权值w2，则组合导航经纬度为：

[0026]

[0027] λ＝w1λ1+w2λ2

[0028] 满足：w1+w2＝1

[0029] 由不确定传播计算定律求得不确定度为：

[0030]

[0031] 式中， (μλ1、μλ2)为GPS和Beidou2卡尔曼滤波器的输出经度和纬度的不确定度； 为组合导航系统输出的经度和纬度的不确定度，(μc1、μc2)、μc分别为卫星系统中各个传感器输出信号的不确定度和自适应滤波器输出信号的不确定度；

[0032] 采用拉格朗日乘法对公式(6)进行求解：

[0033] 对(w1，w2)求偏导并令其等于0，分别求得加权值：

[0034]

[0035] 本发明方法的有益效果是：实现数百公里内厘米级至分米级精度高可靠性GPS/Beidou2/INS紧密组合导航与定位。针对高精度需求，通过对GPS/Beidou2双模数据进行差分处理，然后和INS数据进行紧密组合滤波，实现航空应用中厘米级定位和角秒至角分不同精度级别的测姿；通过精密单点定位技术，使用GPS/Beidou2非差观测数据和IGS精密轨道和钟差信息，实现非差精密单点GPS/Beidou2/INS紧密组合，达到小分米级定位和角秒至角分精度级别的测姿。本发明方法可为不同精度需求的遥感平台定位与测姿应用提供理论基础和工程实践经验。

[0036] 说明书附图

[0037] 图1是GPS/BeiDou2/INS分布式卡尔曼滤波框图。

具体实施方式

[0038] 下面给出具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

[0039] 一种基于GPS/Beidou2/INS的组合导航与定位方法，其特征在于：它包括以下步骤：

[0040] 步骤1：卫星定位数据采集

[0041] 分别采集GPS卫星定位系统的定位数据和Beidou2卫星定位系统的定位数据；

[0042] 步骤2：单点定位模型建立；

[0043] 分别建立GPS卫星定位系统模型和Beidou2卫星定位系统模型，均采用载波相位求解法，采用如下解算方程：

[0044]

[0045] 其中，λ为载波波长，为载波相位观测值，R为GPS卫星或Beidou2卫星到接收机相位中心的几何距离；N为载波模糊度；tr为GPS卫星或Beidou2卫星的接收机的钟差，t为GPS卫星定位系统或Beidou2卫星定位系统的时间系统同步误差，ts为GPS卫星Beidou2卫星的钟差；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟误差；M为多路径误差；P为GPS卫星或Beidou2卫星的天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪声；

[0046] 在实际定位中，时间系统同步误差项会被接收机钟差项吸收，则载波相位差分解算方程变为：

[0047]

[0048] 步骤3：GPS与BeiDou2联合定位解算

[0049] 在GPS和BeiDou2进行联合定位的时候，在时间基准同步时，由于BeiDouT与GPST之间存在微小的时间同步误差，为了消除不同卫星系统对定位的影响，必须采用统一的时间基准和坐标基准，可以统一采用WGS-84坐标和GPST基准，也可以采用CGCS2000坐标系和BeiDouT基准。由于WGS-84与CGCS2000的系统差异理论上在0-0.105mm范围内，对于短距离的相对定位来说，可以忽略。

[0050] 采用WGS-84坐标和GPST基准，将BeiDou2的载波差分定位和GPS的载波差分定位进行联立求解，得到如下定位方程组：

[0051]

[0052] 其中，Δ▽表示双差算子，λ为载波波长，为载波相位观测值，R为卫星到接收机相位中心的几何距离；N为载波模糊度；C为光速；T为对流层延迟误差；I为电离层延迟误差；M为多路径误差；P为天线相位中心偏差；e为其他非模型化误差和载波相位观测噪声；上标C和G分别对应于BeiDou2卫星定位和GPS卫星定位；

[0053] 得BeiDou2/GPS双差载波相位观测方程为：

[0054]

[0055]

[0056]

[0057] 其中，dX表示相对坐标改正向量；ΔN为双差整周模糊度向量；b为与dX相对应的系数矩阵；a为与ΔN相对应的系数矩阵；L为常数项向量，其中Δ为单差算子；式中(x0,y0,z0)为用户位置初始值，(xm,ym,zm)为卫星坐标；r0为用户初始值与卫星之间的几何距离；m为观测到的同一系统卫星数；

[0058] 由于限定于同一系统内部求差，所以m颗GPS卫星可得到m-1个GPS双差观测方程，n颗北斗卫星可以到n-1个北斗双差观测方程，共有m+n-2个观测方程。

[0059] 根据公式(3)、(4)、(5)，采用最小二乘法，先求出双差整周模糊度ΔN，然后求出相对坐标改正值，进而得到相对位置信息。

[0060] 对于相对定位中的双差观测方程，由于彻底消除了卫星钟差和接收机钟差影响，并且在站间距离较近，多径误差有效抑制或者可以忽略的情况下，双差观测方程中只剩下三维相对位置、整周模糊度未知数。对于天线相位中心偏差，其值由天线厂商提供或者实现精确标定，结合天线定向放置进行影响修正与消除。

[0061] 步骤4：INS数据采集

[0062] 通过GNSS板卡、三轴光纤陀螺和加速度计组合并采用紧耦合技术捕获INS数据；

[0063] 其中，该INS惯导系统输出的信号采用如下技术指标：

[0064] 单点L1/L2：<2m；

[0065] DGPS：<50cm；

[0066] RTK：1cm+1ppm；

[0067] XYZ速度精度(rms)：0.02m/s

[0068] 1PPS精度：20ns

[0069] 航向精度：0.05°

[0070] 俯仰/横滚精度：0.02°

[0071] 陀螺仪指标：

[0072] 测量范围：±300°/s

[0073] 偏差稳定性：1°/hr

[0074] 比例因子精度：1500ppm

[0075] 加速度计性能指标：

[0076] 测量范围：X/Y/Z:±10g

[0077] 偏差：X/Y/Z:±50mg

[0078] 偏差稳定性：±0.75mg

[0079] 步骤5：GPS/Beidou2/INS组合导航定位

[0080] 如图1所示，采用分布式卡尔曼滤波进行GPS/BeiDou2/INS组合导航，GPS和BeiDou2各个子系统首先通过局部卡尔曼滤波器处理各自的测量信息以产生局部状念估计，每个观测方程所得到的局部卡尔曼滤波器作为子滤波器，INS滤波器作为主滤波器，合并成总体状态滤波器，给出组合导航系统的状态向量、测量向量；

[0081] 设定GPS和Beidou2组合加权值w1和INS加权值w2，则组合导航经纬度为：

[0082]

[0083] λ＝w1λ1+w2λ2

[0084] 满足：w1+w2＝1

[0085] 由不确定传播计算定律求得不确定度为：

[0086]

[0087] 式中， (μλ1、μλ2)为GPS和Beidou2卡尔曼滤波器的输出经度和纬度的不确定度； 为组合导航系统输出的经度和纬度的不确定度，(μc1、μc2)、μc分别为卫星系统中各个传感器输出信号的不确定度和自适应滤波器输出信号的不确定度；

[0088] 采用拉格朗日乘法对公式(6)进行求解：

[0089] 对(w1，w2)求偏导并令其等于0，分别求得加权值：

[0090]

[0091] 本发明方法根据两个估计信号的信任度分配不同的权值。在GPS和北斗卫星信号跟踪正常的时候分配权值为1。当GPS信号失锁或者北斗信号接收不正常的时候，则分配权限为0，此时的INS测量信号的权值变为1，系统自动调整到自主导航模式。

[0092] 最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。