一种GNSS/INS组合导航方法、设备及存储介质与流程

一种gnss/ins组合导航方法、设备及存储介质
技术领域
1.本发明涉及卫星导航技术领域，尤其涉及一种gnss/ins组合导航方法、设备及存储介质。


背景技术：

2.gnss/ins组合导航有三种组合方式：松组合、紧组合和超紧组合；三种组合各有特点：松组合属于结果层面的融合，在松组合系统中，gnss和惯导互不干饶，能有效隔绝单系统工作异常对整个系统的影响，系统稳定较好，不容易崩溃或发散；在紧组合系统中，利用惯导递推得到的高精度位置信息提高观测模型强度，即使是在观测条件差时，也能辅助模糊度固定，得到更高精度的固定解。超紧组合则是利用惯导递推结果在硬件层面上辅助gnss信号捕获与跟踪，属于硬件层面的组合。
3.松、紧组合各有优缺点，松组合子系统之间互不干扰，工作稳定，计算复杂度小，但是在恶劣的观测环境下，gnss可能会出现模糊度固定错误甚至无法固定的情况，导致无法控制惯导误差累积，系统状态发散；紧组合在恶劣的观测环境下，能通过高精度的位置递推信息辅助模糊度固定，或者无法固定时，利用可用的相位观测值和伪距观测值限制惯导误差增长，从而维持系统精度，但是紧组合计算复杂度高，子系统间干涉程度高，当用与实际精度不符的位置递推信息来辅助模糊度固定时，反而会导致模糊度估计偏离，并将错误的模糊度一直传递下去。在观测条件持续良好或者短暂恶劣时，两种组合模式精度基本相当，没有必要使用更消耗计算资源的紧组合，而在观测条件不佳时，有必要启用紧组合维持系统精度。但现有的导航系统只能固定任一组合方式运行，无法解决上述所提及到的缺点。


技术实现要素：

4.为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种gnss/ins组合导航方法，将松紧组合应用到同一个系统中，充分利用松紧组合的优势克服上述缺点，维持系统精度。
5.本发明的目的之二在于提供一种电子设备。
6.本发明的目的之三在于提供一种存储介质。
7.本发明的目的之一采用如下技术方案实现：
8.一种gnss/ins组合导航方法，包括：
9.获取gnss观测数据，基于惯导递推数据对所述gnss观测数据进行质量筛选，其质量筛选包括剔除粗差和修复周跳；
10.判断当前时间段的观测条件是否达标，若达标则将导航模式切换为松组合模式，在松组合模式下根据质量筛选后的观测数据与惯导递推数据间的误差估计量对惯导进行修正；否则，将导航模式切换为紧组合模式，结合惯导递推数据辅助模糊度固定并获得固定的相位观测值，根据固定的相位观测值与惯导推测数据间的误差估计量进行惯导修正。
11.进一步地，所述惯导递推数据的获取方法为：
12.获取ins惯性导航系统输出当前时刻的惯导数据，并通过机械编排递推出当前导航坐标系中下一时刻的惯导递推数据，所述惯导递推数据包括惯导递推位置、速度和姿态信息。
13.进一步地，所述质量筛选的方法为：
14.对所述gnss观测数据进行粗差探测，利用所述惯导递推数据计算出观测值的粗差；
15.判断观测值的粗差是否超过阈值，若超过则对该观测值进行剔除，并对完成粗差探测且未被剔除的观测值进行周跳探测并恢复周跳。
16.进一步地，判断当前时间段的观测条件是否达标的方法为：
17.将错判为观测条件已达标的第一风险值，以及错判为观测条件未达标的第二风险值进行比对，若第一风险值小于第二风险值，则判定当前时间段的观测条件为达标状态。
18.进一步地，所述第一风险值和第二风险值的计算方法为：
19.所述第一风险值r1＝λ
12
·
(3-p1(ns)-p2(rateout)-p3(ratecs))；
20.所述第二风险值r2＝λ
21
·
(p1(ns)+p2(rateout)+p3(ratecs))；
21.其中，λ
12
为将未达标的观测条件错判为已达标的观测条件的错判风险系数；
22.λ
21
为将达标的观测条件错判为未达标的观测条件的错判风险系数；
23.p1(ns)为可用卫星数为ns时，观测条件达标的概率；
24.p2(rateout)为粗差占比为rateout时，观测条件达标的概率；
25.p3(ratecs)为周跳占比为ratecs时，观测条件达标的概率。
26.进一步地，在所述松组合模式下对惯导进行修正的方法为：
27.将质量筛选后的观测数据输入gnss估计器以获得位置以及速度的估计量，并将其作为量测值输入松组合估计器；
28.将惯导递推数据的位置、速度、姿态信息作为估计值输入至松组合估计器；
29.根据松组合估计器所输出的误差估计量对惯导进行误差补偿。
30.进一步地，在所述紧组合模式下固定模糊度的方法为：
31.使用惯导递推位置作为量测值，并结合伪距观测值、相位观测值加入量测方程以计算出模糊度的浮点解；
32.对模糊度进行降相关操作后按照其方差由大到小的顺序进行排序，并对模糊度进行搜索和ratio检验，若通过ratio检验则视为模糊度固定成功，用固定为整数的模糊度来构建观测值，将固定的相位观测值加入紧组合估计器，紧组合估计器输出惯导误差估计，反馈到惯导系统进行误差补偿；若未通过ratio检验则剔除方差最大的卫星并重新进行模糊度搜索和ratio检验，直至卫星数量少于预设值或通过ratio检验为止。
33.进一步地，若模糊度固定过程中一直未通过ratio检验，则将浮点相位观测值和伪距观测值一同输入紧组合估计器，紧组合估计器输出惯导误差估计，反馈到惯导系统进行误差补偿。
34.本发明的目的之二采用如下技术方案实现：
35.一种电子设备，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上述的gnss/ins组合导航方法。
36.本发明的目的之三采用如下技术方案实现：
37.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如上述的gnss/ins组合导航方法。
38.相比现有技术，本发明的有益效果在于：
39.本发明将松组合和紧组合应用在同一导航系统中，结合单历元数据质量判断和区间综合判断，保证导航系统模式正确有效地切换，在观测条件良好时切换至松组合模式，在观测条件相对较差时切换至紧组合模式，充分利用松紧组合的优势，克服单独模式运行所存在的缺点，在任何观测环境下都可维持导航系统精度。
附图说明
40.图1为本发明gnss/ins组合导航方法的流程示意图。
具体实施方式
41.下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
42.实施例一
43.本实施例提供一种gnss/ins组合导航方法，该方法将至少两种组合模式应用在同一导航系统中，通过模式切换的方式结合各组合模式的优势以克服不同观测环境下的导航精度问题，把组合的效果发挥到最大。
44.本实施例中将松组合模式和紧组合模式应用在同一系统中，进行松紧组合模式切换；在一些实施例中，还可将松紧组合的切换模式替代为松组合\惯导辅助gnss切换，或类似的松组合与其它gnss/ins组合的切换。
45.参考图1所示，本实施例以松紧组合切换的模式为例，说明导航修正步骤：
46.步骤s1：获取gnss观测数据，基于惯导递推数据对所述gnss观测数据进行质量筛选，其质量筛选包括剔除粗差和修复周跳；
47.步骤s2：判断当前时间段的观测条件是否达标，若达标则将导航模式切换为松组合模式，在松组合模式下根据质量筛选后的观测数据与惯导递推数据间的误差估计量对惯导进行修正；否则，将导航模式切换为紧组合模式，结合惯导递推数据辅助模糊度固定并获得固定的相位观测值，根据固定的相位观测值与惯导推测数据间的误差估计量进行惯导修正。
48.其中，gnss观测数据是指通过gnss接收机采集所得的卫星观测量，主要包括有伪距观测值、载波相位观测值等。与此同时，还需从惯性导航系统(ins，以下简称惯导)获取惯导数据；其中，惯性导航系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量(如无线电导航那样)的自主式导航系统，其基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等惯导数据。
49.本实施例对gnss观测数据进行质量筛选时，需利用惯导递推位置辅助gnss数据粗差检测与周跳探测修复；而惯导递推位置的获取方法则是利用惯导数据进行机械编排获
得，具体地：
50.为了保证系统的一致性，统一选择地心地固系作为导航系统的导航坐标系；并将误差的定义统一为真值减去计算值则为误差。本实施例获取惯导系统输出当前时刻(k时刻)的惯导数据后，从当前时刻(k时刻)通过机械编排得到下一时刻(k+1时刻)的位置v
k+1
、速度p
k+1
、姿态信息等惯导递推数据，其机械编排过程如公式(1)：
[0051][0052][0053][0054]
式中，v
cor
为科氏力改正，v
sf
为比力速度增量，dt为惯性数据时间间隔，的上标r表示导航系也即地心地固系，下标b表示载体坐标系。由与地球自转方向相反的旋转矢量求得，由改正后的角增量求得。
[0055]
在计算获得惯导递推位置后，利用惯导递推位置辅助gnss数据粗差检测与周跳探测修复，具体如下：
[0056]
对所述gnss观测数据进行粗差探测，利用所述惯导递推数据分别计算出伪距观测值和相位观测值的粗差检测量；
[0057]
判断伪距观测值和相位观测值的粗差检测量是否超过阈值，若超过则判定检测到粗差，观测值视为无效。完成粗差探测后，未剔除的载波观测值进入周跳探测环节，检测周跳并对周跳进行修复。
[0058]
粗差探测过程中，对于伪距观测值，有：
[0059][0060][0061][0062][0063][0064][0065]
上述式中，p为伪距观测值，φ为相位观测值，上标g代表gnss，上标i代表惯导。δ为星间单差算子，通过星间单差消除或削弱流动站相关误差，如多路径误差、钟差等；为站间单差算子，通过站间单差消除或削弱卫星相关误差，如电离层误差、对流层误差、星历误差、卫星钟差等。ρ为以惯导位置计算的卫地距。
[0066]
通过式(5)可计算获得伪距观测值的粗差检测量，通过式(6)得到相位观测值的粗
差检测量。其中，t
p
和t
φ
的阈值设定如式(7)，k参考对应的伪距码和载波精度按经验给出；e为方向余弦向量，为历元间e系平均比力，p
v,k+1/2
为中间时刻惯导速度协方差阵，p
ψ,k+1/2
为中间时刻惯导失准角协方差阵。
[0067]
当t
p
和t
φ
超过阈值时，判定检测到粗差，观测值视为无效。完成粗差探测后，未剔除的载波观测值进入周跳探测环节，检测周跳并修复。
[0068]
经过上述步骤的gnss数据质量筛选，得到剔除粗差和修复周跳后的精化观测数据，同时在进行粗差探测和周跳探测过程中获得检测所得的粗差、周跳，以及根据使用的卫星系统确定可用卫星数等观测统计信息，将上述观测统计信息输入到历元信息滑动窗口，系统根据加权移动平均法计算出当前历元的平均粗差占比、平均周跳占比和平均可用卫星数。
[0069]
其后，采用最小风险贝叶斯判断当前时间段的观测条件是否达标，即根据使用的卫星系统确定可用卫星数对应观测条件达标的概率，根据数据统计获得的粗差数据和周跳数据分别确定二者对应观测条件达标的概率函数；三种概率函数如下，可根据设备和环境更改：
[0070]
a.可用卫星数为ns时，观测条件好的概率为p1(ns)；
[0071]
b.粗差数据占比为rateout时，观测条件好的概率为p2(rateout)；
[0072]
c.周跳数据占比为ratecs时，观测条件好的概率为p3(ratecs)；
[0073]
根据经验和使用场景，确定错判风险系数为[0 λ
12 λ
21 0]，其中，λ
12
为将观测条件不达标的情况错判为观测条件已达标的错判风险系数，λ
21
为错判为将观测条件已达标的情况错判为观测条件不达标的错判风险系数。
[0074]
根据错判风险系数计算出风险值：
[0075]
r1＝λ
12
·
(3-p1(ns)-p2(rateout)-p3(ratecs))；
[0076]
r2＝λ
21
·
(p1(ns)+p2(rateout)+p3(ratecs))；
[0077]
其中，r1为错判为观测条件已达标的第一风险值，r2为错判为观测条件未达标的第二风险值。若r1《r2，则代表该时间段数据质量良好，则可判定为观测条件已达标，此时则进入松组合模式；否则，则进入紧组合模式。
[0078]
在一些实施例中，时间段数据质量的判别可通过fisher判别法、直接设定阈值或其它方式来替代上述最小贝叶斯的方式来完成。
[0079]
在所述松组合模式下，将质量筛选后获得的精化后的观测值输入gnss估计器以得到位置、速度估计量。再将位置、速度估计量作为量测值输入至松组合估计器中，并将惯导递推数据中的位置、速度、姿态信息作为估计值输入至松组合估计器中，松组合估计器输出误差估计量，并将其反馈到惯导系统进行误差补偿。
[0080]
松组合估计器可以是卡尔曼滤波器，利用松组合观测方程公式(7)进行组合导航解算：
[0081][0082]
式中，r
ig
为加上杆臂改正的惯导位置，v
ig
为加上杆臂改正的惯导速度，
lb为载体系下的杆臂，le为地心地固系下的杆臂，为角速度向量，为地球自转向量。
[0083]
在紧组合模式下，利用惯导递推位置采用全组合法辅助模糊度固定，即使用惯导位置作为量测值，并与伪距观测值、相位观测值一同加入量测方程如式(8)以计算出模糊度的浮点解，对应的量测噪声阵如式(9)：
[0084][0085][0086]
上式中，a1为非模糊度参数的系数矩阵，当采用动态模型时，其表达式如式(10)，e为卫地距方向余弦向量。b为模糊度参数的系数矩阵，u为电离层延迟系数。a2为位置观测值对应的非模糊度系数矩阵，其表达式如式(11)。
[0087]
a1＝[e 0 0 u 0]
ꢀꢀꢀ
(10)
[0088]
a2＝[i 0 0]
ꢀꢀꢀ
(11)
[0089]
对量测方程公式(8)采用估计器求解出模糊度的多个浮点解，由于模糊度的多个浮点解之间相关性很强，在模糊度固定之前需进行降相关操作以减弱模糊度的相关性。本实施例模糊度固定采用部分模糊度固定策略，即采用gnss整周模糊度固定算法(lambda算法)降相关完成后，对方差由大到小进行排序，进行模糊度搜索和ratio检验；若通过ratio检验且通过固定解残差卡方检验，则视为模糊度固定成功，退出固定部分；否则剔除方差最大的卫星，重新进行一轮模糊度搜索，直到卫星数少于预设值(本实施例中预设值为4颗)或通过ratio检验为止。若未通过ratio检验，则视为模糊度固定失败。
[0090]
若模糊度固定成功，则根据公式(13)用固定为整数的模糊度来构建观测值，将固定的相位观测值加入紧组合估计器，不使用伪距观测值，此时紧组合估计器的系统状态只包含惯导状态，观测方程如式(12)；
[0091][0092]
式(12)中，包含的惯导状态分别为x
ψ
失准角、xv速度误差、x
p
位置误差、x
bg
陀螺零偏误差和x
ba
加速度计零偏误差。
[0093][0094]
式(13)表示的是单一频率单一相位观测值的构建方法，δn
fix
为固定后的单差模糊度，λ为对应的载波波长，为对流层延迟，为电离层延迟，u为电离层延迟系数。
[0095]
若固定失败，则将浮点相位观测值和伪距观测值一同输入紧组合估计器，此时紧组合估计器的系统状态包含模糊度，观测方程如式(14)：
[0096][0097]
式(14)中：a4＝[0 u]；
ꢀꢀꢀ
(15)
[0098][0099][0100]
式(17)表示单一伪距观测值构建，式(17)与式(14)区别在于以浮点模糊度代入方程。
[0101]
最后，紧组合估计器输出惯导误差估计，反馈到惯导系统进行误差补偿，以完成惯导修正。
[0102]
对于固定失败的情况，优先使用前面历元连续固定的卫星的观测值，当卫星数小于4时，才不做筛选全部使用。式(14)中，模糊度参数沿用上一次量测更新后的协方差阵，若上一次未进入该模式(固定失败的紧组合)，非模糊度参数协方差阵清空；若上一次进入该模式，则沿用非模糊度参数协方差阵且对其进行更新，更新方式如式(18)：
[0103][0104]
上式中，为观测历元间机械编排累积状态转移阵，计算方式如式(19)所示：
[0105]fk+1,k
＝f
k+1,j
·fj,j-1
l f
2,1
·f1,k
。
ꢀꢀꢀ
(19)
[0106]
本实施例提出将两种组合应用到同一个系统中，结合严格的单历元数据质量判断和区间综合判断，保证模式正确有效地切换，充分利用松紧组合的优势，克服上述提到的缺点，把组合的效果发挥到最大。
[0107]
实施例二
[0108]
本实施例提供一种电子设备，其包括处理器、存储器及存储于所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现实施例一中的gnss/ins组合导航方法；另外，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现上述的gnss/ins组合导航方法。
[0109]
本实施例中的设备及存储介质与前述实施例中的方法是基于同一发明构思下的两个方面，在前面已经对方法实施过程作了详细的描述，所以本领域技术人员可根据前述描述清楚地了解本实施例中的设备及存储介质的结构及实施过程，为了说明书的简洁，在此就不再赘述。
[0110]
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。