Ins控制gnss基帶的開環跟蹤誤差分析及控制方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于GNSS^NS深組合導航與定位技術領域，設及一種INS控制GNSS基帶 的開環跟蹤誤差分析及控制方法。
【背景技術】
[0002] 全球導航衛星系統（Global化vigationSatelliteSystem,GNS巧泛指可W全天 候、連續地向用戶提供位置、速度、時間（PositionVelocityandTime,PVT)信息的覆蓋全 球的衛星系統及其增強系統。自問世W來，GNSS已充分顯示了其在導航與定位領域中的霸 主地位，在軍事和民用的許多領域由于GNSS的出現發生了革命性變化。隨著GNSS應用范 圍的不斷擴大，其應用場景也變得復雜多樣，普通接收機技術已無法滿足日益苛刻的應用 需求。實際應用中會經常碰到衛星信號遮擋、多徑等復雜場景（例如車載導航經常遇到高 樓林立的城市"峽谷"、枝葉茂密的大樹W及錯綜復雜的立交橋等環境），由于遮擋情況隨著 位置變化而迅速變化，導航型接收機的定位精度、連續性損失嚴重，測量型接收機則無法提 取連續的載波相位觀測量信息。
[0003] 近幾年發展起來的信息輔助技術是解決普通接收機不能滿足復雜場景需求問題 的一種有效手段。慣性導航系統（In&rtial化vigationSystem,INS，簡稱慣導）具有動 態響應特性好、短時精度高、信息輸出率高、全自主工作等特點，與GNSS的特點形成鮮明互 補。GNSS^NS組合導航技術利用GNSS和INS的優勢互補特性，克服各自缺點，保證動態連 續導航，提高系統完好性。其中GNSS/INS深組合（又稱為深禪合、超緊禪合）導航技術是 GNSS和INS在信號處理層面的信息融合，在GNSS輔助INS的松組合或者緊組合基礎上，利 用INS測量載體動態生成多普勒輔助信息，能夠有效的改善GNSS接收機的捕獲和跟蹤性 能。
[0004] 在GNSS信號受到遮擋、干擾等環境影響時，普通跟蹤環路不能持續跟蹤衛星信 號，接收機定位導航性能隨之惡化。由于INS的短時精度較高，在GNSS信號短時間消失時， 多普勒輔助信息可W估計出GNSS信號與接收機位置、速度的相對變化，所W在跟蹤環路斷 開情況下可W采用多普勒輔助信息對數控振蕩器（numericallycontrolledoscillator, NCO)進行短時間開環控制，即INS控制GNSS接收機基帶信號跟蹤環路的開環跟蹤。一旦衛 星信號恢復，接收機不需要重新經過捕獲和牽引過程，便可W直接繼續正常的閉環跟蹤，同 時也保證了觀測量的持續有效，從而改善接收機觀測量的連續性。例如行駛于城市環境的 車輛導航時頻繁出現信號斷續的情況，普通接收機跟蹤環路經常失鎖進入重捕，若在GNSS/ INS深組合接收機基帶采用INS控制的開環跟蹤策略，可W實現無縫導航與定位。
[0005] 然而目前受限于研究需求和研究條件，國內外對于INS輔助GNSS接收機跟蹤環的 開環跟蹤性能研究和具體設計仍存在較多不足：（1)沒有基于INS控制GNSS基帶的開環跟 蹤誤差模型對誤差發散規律進行定量分析、仿真和實測驗證；（2)沒有分析不同精度等級 慣導的開環跟蹤誤差發散規律；（3)沒有根據開環跟蹤模型分析得到的結論，設計出合理 的開環跟蹤結構和控制切換機制。
【發明內容】
[0006] 針對現有技術存在的問題，本發明基于GNSS/INS深組合導航技術，提出了一種可 實現高精度的連續導航與定位的INS控制GNSS基帶的開環跟蹤誤差分析及控制方法。
[0007] 本發明思路為：
[0008] 基于GNSS/INS深組合接收機的閉環跟蹤環結構構建INS誤差與開環跟蹤誤差間 的拉氏域數學模型；采用拉氏域數學模型分析基于不同精度等級慣導的開環跟蹤誤差發散 規律；基于開環跟蹤誤差發散規律提出合理的INS控制GNSS基帶的開環跟蹤控制機制。
[0009] 為解決上述技術問題，本發明采用如下的技術方案：
[0010] 一、一種INS控制GNSS基帶的開環跟蹤誤差分析方法，包括：
[0011] 步驟1，構建INS誤差與開環跟蹤誤差間的拉氏域數學模型，本步驟進一步包括：
[0012] 1. 1根據GNSS^NS深組合接收機的閉環跟蹤環結構，采用拉氏域構建GNSS^NS 深組合接收機的閉環跟蹤誤差模型；
[0013] 1.2斷開閉環跟蹤誤差模型中環路濾波器輸出，僅保留INS誤差，得INS控制GNSS 基帶的開環跟蹤誤差模型，INS誤差包括IMU零偏類誤差和IMU比例因子類誤差；
[0014] 1. 3根據開環跟蹤誤差模型分別獲得IMU零偏類誤差和IMU比例因子類誤差與開 環跟蹤誤差間的函數關系；基于所得函數關系，將IMU零偏類誤差分為隨機常數誤差和噪 聲誤差，將IMU比例因子類誤差簡化為隨機常數誤差，分別構建IMU零偏類誤差與開環跟蹤 誤差間的第一拉氏域數學模型、W及IMU比例因子類誤差與開環跟蹤誤差間的第二拉氏域 數學模型；
[0015] 步驟2,在采用不同精度等級慣導系統下，分別在不同開環跟蹤模式下求解第一拉 氏域數學模型和第二拉氏域數學模型，得各精度等級慣導系統下不同開環跟蹤模式對應的 開環跟蹤誤差變化規律，從而獲得各精度等級慣導系統適用的開環跟蹤模式及對應的開環 跟蹤時間闊值；
[0016] 上述IMU零偏類誤差與開環跟蹤相位誤差5 0(S)間的第一拉氏域數學模型為：
[0017]
[0018] 上述IMU零偏類誤差與開環跟蹤頻率誤差5 ?(S)間的第一拉氏域數學模型為：
[0019]
[0020] 式（1)~似中，A表示信號波長，b。,。表示加速度計零偏常值，5Vw(〇)表示 初始速度誤差，bgy。表示巧螺零偏常值，巧表示初始姿態誤差，Wbgy(S)表示加速度計 白噪聲，GMbg,(S)表示加速度計的一階高斯-馬爾科夫驅動噪聲，Wbgy(S)表示巧螺白噪聲，GMbgy(s)表示巧螺的一階高斯-馬爾科夫驅動噪聲，g為重力加速度；S表示拉氏域。
[002。上述IMU比例因子類誤差Kg(s)與開環跟蹤相位誤差5 0(S)間的第二拉氏域數 學模型為：
[0022] (3,)
[002引上述IMU比例因子類誤差Kg(s)與開環跟蹤頻率誤差5 ?(S)間的第二拉氏域數 學模型為：
[0024]
C4)
[002引式做~（4)中，，金巧表示載體與衛星相對運動加速度值，S表示拉氏域。
[0026] 步驟2中，第一拉氏域數學模型和第二拉氏域數學模型的求解具體為：
[0027] 2. 1對第一拉氏域模型中隨機常數誤差項和第二拉氏域模型進行拉氏反變換，得 開環跟蹤誤差的時域模型；
[0028] 2. 2對時域模型進行仿真分析，得IMU零偏類誤差中的隨機常數誤差和IMU比例 因子類誤差引起的開環跟蹤誤差值；
[0029] 2. 3采用蒙特卡洛仿真統計噪聲誤差，經第一拉氏域模型誤差傳遞產生的時域響 應，得IMU零偏類誤差中噪聲誤差引起的開環跟蹤誤差值。
[0030] 二、一種INS控制GNSS基帶的開環跟蹤控制方法，包括：
[0031] (1)針對可正常跟蹤衛星數不小于4時情況的控制方法：
[0032] INS輔助跟蹤環中的環路濾波器輸出和NC0控制輸入間設有第一判決開關、INS輔 助信息輸出和NC0控制輸入間設有第二判決開關；
[0033] 閉合第一判決開關和第二判決開關，INS輔助跟蹤環進行閉環跟蹤；
[0034] 當有衛星信號的即時相關峰值不大于峰值口限值，通過第一判決開關斷開該衛星 信號通道對應INS輔助跟蹤環的環路濾波器輸出對NC0的控制，該對應INS輔助跟蹤環進 入所采用慣導系統的精度等級適用的開環跟蹤模式進行開環跟蹤，適用的開環跟蹤模式采 用權利要求1中所述方法獲得；
[0035] 當該衛星信號的即時相關峰值大于峰值口限值，通過第一判決開關恢復該衛星信 號通道對應INS輔助跟蹤環的環路濾波器輸出對NC0的控制，該對應INS輔助跟蹤環恢復 閉環跟蹤；
[0036] 所述的峰值口限值設定為比各衛星信號通道Q路的相關累加值均值大10~ 20地；
[0037] (2)針對可正常跟蹤衛星數小于4且開環跟蹤時間不大于開環跟蹤時間闊值情況 的控制方法：
[0038] INS輔助跟蹤環中的環路濾波器輸出和NC0控制輸入間設有第一判決開關、INS輔 助信息輸出和NC0控制輸入間設有第二判決開關；
[0039] 閉合第二判決開關