GNSS导航方法和终端、组合导航系统、存储介质与流程

gnss导航方法和终端、组合导航系统、存储介质
技术领域
1.本发明涉及定位导航领域，尤其涉及一种gnss导航方法、gnss导航终端、组合导航系统和存储介质。


背景技术：

2.全球卫星导航系统(global navigation satellite system，gnss)可为全球用户提供全天候的实时定位、导航和授时服务，核心星座包括美国gps(global positioning system，gps)、中国北斗卫星导航系统(bds)、欧盟galileo(伽利略)、俄罗斯glonass(格洛纳斯)。在无增强信息辅助下，独立的单系统gnss伪距单点定位精度为5米左右。为满足测绘、自动驾驶、形变监测等领域对高精度定位的需求，需要对原始gnss测量误差进行改正，以实现厘米甚至毫米级的定位。在用户端，实时动态相对定位(real time kinematic,rtk)技术是使用最为广泛、技术最成熟的一种gnss导航定位技术。rtk技术是利用两台同时接收gnss卫星信号的接收机(或称导航终端)，通过实时差分的方法消除卫星端、接收端的系统误差，并大大减少了与传播路径有关的误差，从而实现了高精度的定位、测速和授时的功能。
3.虽然gnss技术有诸多优点，但gnss卫星信号容易受到干扰或遮挡的影响。在gnss卫星信号衰减严重的环境中，比如树木遮挡、城市峡谷、隧道等场合，gnss卫星信号质量急剧恶化，无法实现高精度定位。在这种场景下，仅依靠单一gnss系统，无法完成实时高精度的导航任务，通常需要多传感器进行组合导航以达到弥补gnss导航的作用。组合导航系统是将多传感器融合在一起进行导航、定位等功能的系统，能够有效克服单一系统的劣势，发挥各自系统的优势，从而提高导航的精确度、稳定性和可靠性，为用户提供更加有效的导航信息。惯性导航系统(inertial navigation system,ins，简称ins系统)和gnss系统组合是最常用组合系统。ins系统是一种不依赖外部环境的、完全自主的三维推算导航系统，具备完全自主性、无外发信号、采样频率高、输出姿态信息等优点。ins系统由于其良好的自主性和短时精度高的特点，可以有效弥补gnss导航在遮挡或干扰环境下的不足。同时，gnss系统可以输出高精度的导航信息，为ins系统提供初始化信息，并且可以实时给ins系统提供实时高精度修正信息，防止ins系统随着时间增加误差逐渐累积，提高ins的可用性。
4.在进行系统组合的过程中，根据采用rtk的信息的不同，将rtk/ins组合模式分为松组合、紧组合和深组合。松组合使用rtk系统计算得到的导航信息输出给ins系统，ins系统根据预测的信息和rtk系统输出的导航信息之差作为观测量，对位置、速度、姿态等参数进行估计，得到松组合模式下的组合导航结果。rtk是gnss系统中的最为成熟、使用最广泛的技术。松组合模式下的rtk系统和ins系统相互独立，组合系统的可靠性高，并且易于实现，是目前应用最多的组合方式。松组合模式虽然有诸多优点，但由于组合方式较为简单，导致组合导航的性能比较有限。紧组合是将rtk系统的观测值与ins系统的预测信息作为观测值进行整体解算的组合方式，与松组合相比，紧组合情况下的ins系统的预测信息直接与rtk系统的观测值进行融合，可以有效提高卫星信号遮挡环境下的rtk导航性能。由于rtk系
统和ins系统作为一个系统进行解算，ins系统的异常结果会直接影响rtk系统，导致系统整体可靠性较低。深组合是rtk系统和ins系统在硬件层面融合，由于实现难度大、使用复杂、可靠等级低，目前实际工程应用较少。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种gnss导航方法、gnss导航终端、组合导航系统以及存储介质，其根据ins导航结果来辅助进行gnss导航，从而可以实现高精度、高稳定性和高可靠性的导航。
6.为实现发明目的，根据本发明的一个方面，本发明提供一种gnss导航方法，在收到ins导航结果且ins导航结果可用时，其包括:基于基础剔除方案以及辅助剔除方案挑选有效的观测值，其中所述辅助剔除方案依赖于所述ins导航结果；基于ins导航结果计算当前历元参数的预测值，基于上一历元参数的估计值的估计误差计算当前历元参数的预测值的预测误差；根据挑选的有效的观测值、当前历元参数的预测值计算当前历元参数的估计值的浮点解，基于当前历元参数的预测值的预测误差计算得到当前历元参数的估计值的浮点解的估计误差；和根据当前历元参数的估计值的浮点解以及其估计误差进行整周模糊度固定，求得当前历元参数的估计值的固定解以及其估计误差，其中gnss导航结果包括时间、当前历元参数的估计值的浮点解或固定解以及其估计误差，所述参数包括速度、位置中的一个或多个。
7.根据本发明的另一个方面，本发明提供一种gnss导航终端，其接收ins导航终端的ins导航结果，在收到ins导航结果且ins导航结果可用时，所述gnss导航终端执行如下操作：基于基础剔除方案以及辅助剔除方案挑选有效的观测值，其中所述辅助剔除方案依赖于所述ins导航结果；基于ins导航结果计算当前历元参数的预测值，基于上一历元参数的估计值的估计误差计算当前历元参数的预测值的预测误差；根据挑选的有效的观测值、当前历元参数的预测值计算当前历元参数的估计值的浮点解，基于当前历元参数的预测值的预测误差计算得到当前历元参数的估计值的浮点解的估计误差；和根据当前历元参数的估计值的浮点解以及其估计误差进行整周模糊度固定，求得当前历元参数的估计值的固定解以及其估计误差，其中gnss导航结果包括时间、当前历元参数的估计值的浮点解或固定解以及其估计误差，所述参数包括速度、位置中的一个或多个。
8.根据本发明的另一个方面，本发明提供一种组合导航系统，其包括:ins导航终端；与ins导航终端连接的gnss导航终端，其中所述gnss导航终端进行gnss导航得到gnss导航结果，并将gnss导航结果传送给所述ins导航终端，所述ins导航终端根据gnss导航结果进行ins导航得到ins导航结果，并将所述ins导航结果传送给所述gnss导航终端；所述gnss导航终端为上文所述的gnss导航终端。
9.根据本发明的再一个方面，本发明提供一种存储介质，其内存储有程序指令，该程序指令被执行以实现上述gnss导航方法。
10.与现有技术相比，本发明根据ins导航结果来辅助进行gnss导航，从而可以实现高精度、高稳定性和高可靠性的导航。
附图说明
11.图1为本发明中的组合导航系统在一个实施例中的结构示意图；
12.图2为本发明中的gnss导航终端执行的gnss导航方法在一个实施例中的流程示意图；
13.图3为本发明中的ins导航终端在一个实施例中的结构框图；
14.图4为本发明中的ins导航终端执行的ins导航方法在一个实施例中的流程示意图。
具体实施方式
15.为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如下。
16.本发明要解决rtk/ins系统融合定位精度低、稳定性和可靠性差的问题，通过优化rtk/ins物理融合模式和数据融合模式，提出一种稳定、可靠、高性能的rtk/ins组合导航系统。rtk/ins组合导航在诸多领域得到广泛应用，但传统组合模式一直无法实现高精度、高稳定性和高可靠性，因此优化rtk/ins的组合模式，提高系统整体性能对组合导航系统的广泛应用至关重要。
17.图1为本发明中的组合导航系统100在一个实施例中的结构示意图。如图1所示的，所述组合导航系统100包括ins导航终端110和与ins导航终端110连接的gnss导航终端120。所述ins导航终端110就是基于惯性导航系统技术的导航终端，也可以被称为惯性导航终端、ins定位终端、ins导航系统、ins系统等，其用于进行惯性导航得到ins导航结果。所述ins导航结果包括姿态、速度、位置、时间中的一个或多个。所述gnss导航终端120就是基于全球卫星导航系统技术的导航终端，也可以被称为卫星导航终端、gnss定位终端等，其用于进行卫星导航得到gnss导航结果。所述gnss导航结果包括速度、位置、时间中的一个或多个。在一个优选的实施例中，所述gnss导航终端120为rtk导航终端，所述gnss导航结果为rtk导航结果。
18.ins导航终端110和gnss导航终端120为相互独立的，两者之间通过物理接口实现数据双向通信。具体的，所述ins导航终端110包括有i/o接口(即输入/输出接口)111，所述gnss导航终端120包括i/o接口(即输入/输出接口)121。所述i/o接口111与所述i/o接口121建立通讯连接。gnss导航终端120将gnss导航结果通过i/o接口实时传输给所述ins导航终端110，所述ins导航终端110将ins导航结果通过i/o接口实时传输给所述gnss导航终端120。与现有组合导航系统不同的是，在本发明的组合导航系统100中，所述gnss导航终端120会根据实时收到的ins导航结果来辅助进行gnss导航，从而可以有效提高gnss导航的精度、稳定性和可靠性。
19.图2为本发明中的gnss导航终端120执行的gnss导航方法在一个实施例中的流程示意图。如图2所示的，所述gnss导航方法200包括如下步骤。
20.步骤210，所述gnss导航终端120接收ins导航终端110的ins导航结果。所述ins导航终端110的ins导航结果会实时的传送至所述gnss导航终端120。
21.步骤220，判断是否收到ins导航结果以及收到的ins导航结果是否可用。
22.如果未收到ins导航结果或ins导航结果不可用，则否分支将所述gnss导航方法
200引导至260，从而进行常规gnss导航，即现有的gnss导航。如果收到ins导航结果且ins导航结果可用，则是分支将所述gnss导航方法200引导至230，从而由ins导航结果来辅助进行gnss导航。在一个实施例中，所述ins导航结果中包括是否可用的标识，基于所述标识确定所述ins导航结果是否可用。
23.步骤260，基于基础剔除方案挑选有效的观测值。
24.需要知道的是，所述gnss导航终端210的接收机会接收到的各种观测值，这部分由于是常规技术并未在图2中体现，所述观测值包括伪距观测值、载波观测值和多普勒观测值。然而，所述观测值中有些会出现粗差，即有些观测值会出现异常，需要被剔除。需要注意的是，载波观测值是以周为单位，载波观测值中的粗差称为周跳。换句话说，需要从所述观测值中挑选有效的观测值，即未出现粗差或周跳的观测值。具体来讲，需要分别剔除出现粗差的伪距观测值、出现周跳的载波观测值和出现粗差的多普勒观测值，得到有效的伪距观测值、载波观测值和多普勒观测值。
25.在一个实施例中，所述基础剔除方案为：根据所述观测值的残差在所有观测值的残差的分布情况，剔除不满足概率分布的观测值。这种基础剔除方案跟先验信息的准确度、随机模型、观测卫星几何分布等因素存在较大关系，实际效果有时不够理想。
26.挑选有效的观测值的步骤，或者说，剔除出现粗差的观测值的步骤，也可以被称为数据预处理的步骤。
27.步骤270，根据上一历元参数的估计值计算当前历元参数的预测值，基于上一历元参数的估计值的估计误差计算当前历元参数的预测值的预测误差，所述参数包括位置、速度、整周模糊度等。
28.在一个具体的实施例中，首先根据公式(1)依据上一历元参数的估计值(或称滤波值，即上一历元参数的解算结果)计算当前历元参数的预测值：
[0029][0030]
式中，k表示上一历元，k+1表示当前历元，表示上一历元参数的估计值，所述参数通常是位置、速度等参数，表示当前历元参数(或称待估计参数)的预测值，φ
k+1,k
表示参数的状态转移矩阵。
[0031]
然后，根据上一历元参数的估计值的估计误差计算当前历元参数的预测值的预测误差：
[0032][0033]
式中，pk表示上一历元参数的估计值的估计误差(具体为方差-标准差矩阵)，p
k+1,k
表示当前历元参数的预测值的预测误差(具体为方差-标准差矩阵)，qk表示过程噪声，γk表示过程噪声的系数矩阵。
[0034]
步骤280，根据挑选的有效的观测值、当前历元参数的预测值计算当前历元参数的估计值的浮点解，基于当前历元参数的预测值的预测误差计算得到当前历元参数的估计值的浮点解的估计误差。
[0035]
在一个实施例中，根据下式(3)计算当前历元参数的估计值的浮点解：
[0036]
[0037]
式中，l
k+1
表示挑选的有效的观测值，h
k+1
表示当前历元观测值的设计矩阵，k
k+1
表示当前历元的滤波增益矩阵；
[0038]
其中所述当前历元的滤波增益矩阵k
k+1
，是计算估计方差占总方差(估计方差和观测方差)的权重，其公式(4)如下：
[0039][0040]
式中，h
k+1
表示当前历元观测值的设计矩阵，k
k+1
表示当前历元的滤波增益矩阵，r
k+1
表示观测值的随机模型。
[0041]
在一个实施例中，根据下式(5)计算当前历元参数的估计值的估计误差：
[0042]
p
k+1
＝(e-k
k+1hk+1
)p
k+1,k
ꢀꢀꢀꢀ
(5)
[0043]
式中，e表示单位矩阵，p
k+1
表示当前历元参数的估计值的估计误差。
[0044]
在状态更新的模型中，参数矩阵和状态转移矩阵φ
k+1,k
分别如下：
[0045][0046][0047]
式中，dt表示历元之间的时间差，x、y、z分别表示待估参数中的位置在坐标系中x、y、z三轴的分量，v
x
、vy、vz分别表示待估参数中的速度在坐标系中x、y、z三轴的分量，n表示整周模糊度参数的向量。
[0048]
步骤290，根据当前历元参数的估计值的浮点解及其估计误差进行整周模糊度固定，求得当前历元参数的估计值的固定解以及其估计误差。
[0049]
当前历元参数的估计值的浮点解或固定解以及其估计误差可以作为gnss导航结果的一部分。如果有固定解，则输出固定解，如果没有固定解，则输出浮点解。所述gnss导航结果包括时间、速度和位置。
[0050]
步骤260-步骤290可以是现有的gnss导航算法(比如rtk技术)，因此这里并未详细对其进行详细描述。步骤260为观测值的预处理步骤。步骤270-步骤280为kalman滤波(卡尔曼滤波)的两个模型，即预测模型和观测模型。步骤290为整周模糊度固定，目前最常用的整周模糊度固定方法是lambda方法。
[0051]
步骤230，基于基础剔除方案以及辅助剔除方案挑选有效的观测值，其中所述辅助剔除方案依赖于所述ins导航结果。
[0052]
由于所述观测值包括伪距观测值、载波观测值和多普勒观测值，并且由于多普勒观测值是用于计算瞬时速度，因此，ins的历元之间特性无法应用到多普勒观测值数据预处理。因此，该步骤230具体包括：基于基础剔除方案以及辅助剔除方案挑选有效的伪距观测值；基于基础剔除方案以及辅助剔除方案挑选有效的载波观测值；和基于基础剔除方案挑
选有效的多普勒观测值。
[0053]
所述基础剔除方案与上文步骤260中的基础剔除方案相同。换句话说，步骤230不仅仅会像步骤260那样基于基础剔除方案挑选有效的观测值，还会进一步的基于辅助剔除方案挑选有效的观测值，从而可以得到更为准确的、可靠的观测值。因此，所述辅助剔除方案只在ins导航结果可用时进行，传统的基础剔除方案不受ins导航结果是否可用的影响，相当于在ins导航结果可用时，在常规处理机制的基础上，增加一层可靠的剔除机制，提高观测值剔除的准确度和可靠性。
[0054]
在一个实施例中，所述辅助剔除方案为：根据ins导航结果中的位置计算前后历元间的卫地距；根据前后历元间的卫地距计算所述伪距观测值的验后残差，如果所述伪距验后残差大于伪距观测值的精度与预定系数的乘积，则认为所述伪距观测值出现粗差，需要剔除，否则认为所述伪距观测值有效；根据前后历元间的卫地距计算所述载波观测值的验后残差，如果所述载波观测值的验后残大于载波观测值的精度与预定系数的乘积，则认为所述载波观测值出现周跳，需要剔除，否则认为所述载波观测值有效。
[0055]
更为具体的，根据下述公式计算所述伪距观测值的验后残差：
[0056][0057]
式中，
[0058][0059]
其中，ρ为卫星和卫星信号接收端(即导航终端)之间的卫地距，(xs，ys，zs)分别表示卫星在坐标系中的三维位置，(xr，yr，zr)分别表示接收端在坐标系中的三维位置。
[0060]
其中c为光速，为卫星钟的钟差变化量，为前后历元间的卫地距，p表示伪距观测值，为伪距观测值的双差伪距观测值；所述公式(6)的推导过程以及原理如下。
[0061]
将上一历元作为基站，当前历元作为位置精确的流动站进行基线解算。单一卫星伪距的观测方程如下：
[0062]
p＝ρ+ion+trop+cdti+cdtj+ε
ꢀꢀꢀꢀ
(7)
[0063]
式中，p表示伪距观测值，ρ表示卫星和卫星信号接收端之间的卫地距，ion表示电离层延迟误差，trop表示对流层延迟误差，cdti表示接收端的钟差，cdtj表示卫星端的钟差，ε表示观测值的随机误差。
[0064]
首先，对伪距观测值进行星间差分，得出星间单差
[0065]
δp＝δρ+δion+δtrop+cδdtj+δε
ꢀꢀꢀꢀ
(8)
[0066]
式中，δ表示星间单差。
[0067]
然后，进行历元间差分，根据上文，将上一历元观测值视为基准站，相当于站间差分，由此形成双差观测值，如下：
[0068][0069]
由于双差后的电离层和对流层误差大大削弱，可以忽略不计，简化方程(9)得到如下公式(10)：
[0070]
[0071]
当ins导航结果可用时，ins历元之间的相对位置的精度达到厘米级，ins提供的历元间相对位置可认为是真值，根据ins导航结果中的位置可以准确计算前后历元间的卫地距因此历元间的卫地距是已知观测值。上述方程仅需要估计卫星钟的钟差变化量
[0072]
通过对所述公式(10)进行变形，得到所述伪距观测值的验后残差如下：
[0073][0074]
从上述方程可以看出，若当前历元的伪距观测值出现粗差，验后残差随之变差。
[0075]
在一个示例中，取伪距观测值精度的3倍作为出现粗差的阈值。即，
[0076][0077]
式中，ρ表示伪距观测值的精度，当验后残差超过3σ时，认为伪距观测值出现粗差，进行剔除，否则认为伪距观测值未出现粗差。在此示例中，所述预定系数为3，在其他示例中，所述预定系数可以为其他值。
[0078]
该方法相当于进行位置已知的短基线分析，双差残差中准确反应观测值的误差情况，可以实现有效剔除伪距观测值中存在的粗差。
[0079]
更为具体的，根据下列公式计算所述载波观测值的验后残差更为具体的，根据下列公式计算所述载波观测值的验后残差
[0080]
其中c为光速，为卫星钟的钟差变化量，ρ为卫星和卫星信号接收端之间的卫地距，为前后历元间的卫地距，λ表示载波观测值的周长，表示以周为单位的载波观测值。
[0081]
所述公式(11)的推导过程以及原理如下。
[0082]
载波观测值是以周为单位，载波观测值中的粗差称为周跳，周跳探测的方法也是利用ins历元之间的相对位置精度高的特点，通过历元之间的双差，判断是否存在周跳。
[0083]
单一载波观测方程如下：
[0084][0085]
式中，λ表示载波观测值的周长，表示以周为单位的载波观测值，ρ表示卫星和接收端之间的卫地距，ion表示电离层延迟误差，trop表示对流层延迟误差，n表示载波中以周为单位的整周模糊度，cdti表示接收端的钟差，cdtj表示卫星端的钟差，ε表示观测值的随机误差。
[0086]
首先，对载波观测值进行星间差分，得出星间单差
[0087][0088]
然后，进行历元间差，由于前后历元的整周模糊度数值相同，进行历元间差分的时候，消除整周模糊度的参数，结果如下：
[0089][0090]
由于双差后的电离层和对流层误差大大削弱，可以忽略不计，简化方程(14)如下：
[0091][0092]
同样的，ins提供的历元间相对位置可认为是真值，根据ins导航结果中的位置可
以计算前后历元间的卫地距上述方程仅需要估计卫星钟的钟差变化量
[0093]
通过对所述公式(15)进行变形，得到载波观测值的验后残差方程，如下，
[0094][0095]
上述方程中，根据载波观测值的验后残差就可以判断出载波观测值是否存在粗差或者周跳。若当前历元的载波观测值存在周跳，历元之间的整周模糊度数值会出现变化，这个结果同样会反应到载波的验后残差上。
[0096]
同样的，在一个示例中，取载波观测值精度的3倍作为出现周跳的阈值。即，
[0097][0098]
式中，σ表示载波观测值的精度，当验后残差超过3σ时，认为载波观测值出现周跳，进行剔除，否则认为载波观测值未出现周跳。在此示例中，所述预定系数为3，在其他示例中，所述预定系数可以为其他值。
[0099]
步骤240，判断观测环境是否较差或载体运动变化是否较大。如果是，即观测环境较差或载体运动变化较大，进入步骤250，如果否，即观测环境较好且载体运动变化较小，则进步步骤270，进入常规gnss导航。
[0100]
卡尔曼滤波的预测模型是根据牛顿运动定律进行设计的运动预测模型，参数中的速度和位置均是上一历元的瞬时结果，因此无法准确描述接收机的运动状态，为了表达运动模型带来的不准确性，预测误差中包含了过程噪声。当上一历元的速度不准确或者载体历元之间的运动变化过大时，此时，卡尔曼滤波的预测模型的精度就会大大降低，若出现过程噪声小于预测模型的误差，可能导致滤波异常甚至发散。因此，本发明中增设了步骤240和250。
[0101]
其中所述载体为承载所述ins导航终端110和所述gnss导航终端120的装置，换句话说，所述ins导航终端110和所述gnss导航终端120设置于同一载体上。通过观测值的剔除率来判断所述观测环境是否较差，通过前后历元间航向的变化量来判断载体运动变化是否较大。
[0102]
在一个实施例中，如果观测值的剔除率高于预定剔除阈值，则认为观测环境较差，否则，认为观测环境较好。
[0103]
首先，将观测值中被剔除的观测值在总观测值中占的比率定义为剔除率。通常情况下，观测环境越好，观测值的精度越高，存在粗差的观测值概率就越小。剔除的观测值越多，说明观测环境越差，计算出的结果越不可靠。
[0104]
观测值的剔除率数学表达如下：
[0105][0106]
式中，α表示观测值的剔除率，f1表示被剔除的观测值数量，f表示总观测值数量。
[0107]
在一个示例中，预定剔除阈值为0.3，即当α超过0.3时，可以认为观测环境较差，否则认为观测环境较好。当然，所述预定剔除阈值还可以为其他值。
[0108]
因此，当观测环境较差时，可以采用ins导航结果进行kalman滤波中的运动预测，而不采用上一历元的gnss导航结果进行kalman滤波中的运动预测。其中kalman滤波中的运动预测对应步骤270。
[0109]
在实际操作中，通常只需要根据航向的变化来判断载体运动的变化程度。如果前后历元间航向的变化量超过预定变化阈值，则认为载体运动变化较大，否则，则认为载体运动变化较小，其中根据所述ins导航结果中的姿态计算前后历元航向的变化量。
[0110]
前后历元间载体的航向变化如下：
[0111]
δj＝j
k+1-jk[0112]
式中，δj表示前后历元航向的变化量，j
k+1
表示当前历元的航向值，jk表示上一个历元的航向值。当前后历元航向的变化量的绝对值超过预定变化阈值，比如30度时，认为此时载体运动变化较大。
[0113]
当载体运动变化较大时，即姿态变化较大时，根据上一历元的速度进行运动预测，其预测误差会远远大于状态更新模型中的过程误差。此时，可以采用ins导航结果进行kalman滤波中的运动预测。
[0114]
当然，在有的实施例中，也可以不设置步骤240，在步骤230后，所述gnss导航方法200直接跳到步骤250。
[0115]
步骤250，基于ins导航结果计算当前历元参数的预测值，基于上一历元参数的估计值的估计误差计算当前历元参数的预测值的预测误差。
[0116]
如上文所述的，在观测环境是否较差或载体运动变化较大的情况下，步骤270中的运动预测可能会不准确、不可靠，因此本发明中采用步骤250来替代步骤270。
[0117]
在一个实施例中，所述基于ins导航结果计算当前历元参数的预测值包括：基于ins导航结果中的速度计算上一历元至当前历元期间的ins平均速度，基于ins平均速度和上一历元和当前历元之间的时间差计算当前历元位置的预测值；利用ins导航结果中的当前历元的速度替代当前历元速度的预测值。
[0118]
采用下式计算上一历元至当前历元期间的ins平均速度：
[0119][0120]
式中，表示计算出的ins平均速度，v
k+1
表示当前历元的ins速度，vk表示上一历元的ins速度。
[0121]
基于ins平均速度和上一历元和当前历元之间的时间差计算当前历元位置的预测值：
[0122][0123]
式中，s
k+1,k
表示根据ins平均速度预测的当前历元的位置，对应中的(x，y，z)三维坐标。dt为历元间的时间差。从该公式可以看出，用平均速度进行状态更新，相当于用梯形面积法去计算前一历元到当前历元速度的积分，可以准确地描述载体的运动模型。
[0124]
步骤250中的基于上一历元参数的估计值的估计误差计算当前历元参数的预测值的预测误差的具体方式仍然采用步骤270中的对应的具体计算方法，此处不再重复。
[0125]
图3为本发明中的ins导航终端110在一个实施例中的结构框图。除了所述i/o接口，所述ins导航终端110还包括惯性测量单元112、惯性导航模块113和组合导航模块114。
[0126]
图4为本发明中的ins导航终端110执行的ins导航方法300在一个实施例中的流程示意图。如图3所示的，所述ins导航方法300包括如下步骤。
[0127]
步骤310，所述惯性测量单元112获取惯性测量数据，基于反馈得到的传感器误差对所述惯性测量数据进行校正以得到校正后的惯性测量数据，并输出校正后或校正前的惯性测量数据。
[0128]
步骤320，所述惯性导航模块113基于惯性测量单元输出的惯性测量数据计算得到姿态、速度和位置，基于反馈得到的状态误差对计算得到的姿态、速度和位置进行校正以得到校正后的姿态、速度和位置，并输出校正后或校正前的姿态、速度和位置。
[0129]
步骤330，所述组合导航模块114基于惯性导航模块输出的姿态、速度和位置和gnss导航结果进行组合导航得到ins导航结果、传感器误差和状态误差，并将传感器误差反馈给所述惯性测量单元112，将状态误差反馈给所述惯性导航模块113。所述ins导航结果包括姿态、速度、位置和时间中的一个或多个。
[0130]
在一个实施例中，所述gnss导航结果的更新频率低于所述ins导航结果的更新频率。所述ins导航结果的更新频率一般可达100hz，甚至更高，所述gnss导航结果的更新频率较低，一般为1-10hz。
[0131]
由于两组数据的更新频率的差异，导致组合导航算法和惯性导航算法是两个独立的任务，当组合导航算法解算后，将传感器误差和状态误差输出给所述惯性测量单元112和所述惯性导航模块113。一般传感器误差和状态误差短时间内较为稳定，不需要进行频繁更新。在收到gnss导航结果时，所述组合导航模块113基于惯性导航模块输出的姿态、速度和位置和gnss导航结果进行组合导航得到ins导航结果、传感器误差和状态误差。在未收到gnss导航结果时，所述组合导航模块113直接将惯性导航模块112输出的姿态、速度和位置作为ins导航结果输出。
[0132]
当收到所述组合导航模块113反馈的传感器误差时，所述惯性测量单元112基于反馈得到的传感器误差对所述惯性测量数据进行校正以得到校正后的惯性测量数据，当未收到所述组合导航模块反馈的传感器误差时，所述惯性测量单元112基于反馈得到的历史传感器误差对所述惯性测量数据进行校正或不对所述惯性测量数据进行校正。传感器误差在短时间内较为稳定，不同传感器的误差存在较大差异，因此历史传感器误差的可用时间长度与传感器的特性有关。当收到所述组合导航模块113反馈的状态误差时，所述惯性导航模块112基于反馈得到的状态误差对计算得到的姿态、速度和位置进行校正，当未收到所述组合导航模块113反馈的状态误差时，所述惯性导航模块112基于反馈得到的历史状态误差对计算得到的姿态、速度和位置进行校正，或不对计算得到的姿态、速度和位置进行校正。同理，状态误差在短时间内较为稳定，因此历史状态误差的可用时间长度与传感器的特性有关。
[0133]
在步骤310前，所述ins导航方法300还包括如下步骤：进行所述ins导航终端110的初始化工作。
[0134]
初始化工作是ins导航终端110根据gnss导航终端120输出的gnss导航结果，确定ins导航终端110的初始位置、速度和姿态的过程，该过程是个粗略过程，并不要求初始化结果的精度很高。由于ins导航终端110的初始化需要应用gnss的导航结果，所以将其包括在组合导航算法中。ins导航终端110在未完成初始化时，只进行初始化工作。在完成初始化后，进行后续步骤310、320和330。初始化完成后便不再执行初始化工作，除非gnss导航终端120长期失锁，导致ins导航结果中的姿态偏差较大。
[0135]
步骤310和320，在获取惯性测量数据(比力和角速度)后，进行姿态更新、比力转换、速度更新和位置更新，由于该部分算法较为成熟，此处不再累述。
[0136]
由于载体坐标系和导航坐标系是根据载体的位置、姿态等信息进行确定的，必然存在一定的误差。另外，ins导航终端110初始化完成后，也必然有一定的精度，这些因素都会导致导航算法的结果有一定的误差。当有组合导航算法的状态误差反馈时，进行导航结果的姿态、位置和速度等信息的校正；当无组合导航算法状态误差反馈时，利用历史的反馈信息进行校正或者不校正。
[0137]
步骤330中的组合导航算法，只在rtk导航结果更新时进行。通常ins的导航结果更新频率较高，一般可达100hz，甚至更高。rtk导航结果的更新频率较低，一般为1-10hz。由于两组数据频率的差异，导致组合导航算法和惯性导航算法是两个独立的任务，当组合导航算法解算后，将反馈信息输出给步骤320中的惯性导航部分，惯性导航根据情况使用误差反馈。一般传感器误差和状态误差短时间内较为稳定，不需要进行频繁更新。因此，组合导航起到对惯导算法的原始数据误差和状态参数误差的修正作用，惯性导航算法的结果是ins输出的结果。
[0138]
所述组合导航模块114采用组合导航算法。所述组合导航算法采用kalman滤波进行gnss的导航结果和惯性导航算法的导航结果的融合。在状态更新模型中，组合导航算法估计的参数如下：
[0139][0140]
式中，δr表示ins位置误差，δv表示ins速度误差，φ表示ins姿态误差，bg表示角速度零偏，ba表示加速度零偏。所有参数均是包含坐标系中x、y、z三轴的向量。
[0141]
在观测方程中，组合导航的观测值为：
[0142]rins
＝r
rtk
+δ
rtk-ins
[0143]
式中，r
ins
表示ins的位置和速度信息，r
rtk
表示gnss的位置和速度信息，δ
rtk-ins
表示ins和gnss的误差总和。
[0144]
优选的，gnss导航终端为rtk导航终端，gnss导航为rtk导航。本发明是基于松组合的物理融合模式，充分利用rtk导航终端和ins导航终端的相关信息，提高组合导航系统的性能和可靠性。其原理如下：rtk导航终端和ins导航终端之间通过物理接口进行连接，系统间相互独立，保证了整体系统的可靠性。与传统的松组合仅需要ins导航终端接收rtk导航终端的解算结果(即rtk导航结果)的融合方式不同，本发明需要rtk导航终端和ins导航终端之间进行双向通信，即不仅ins导航终端利用rtk导航终端的解算结果进行组合导航，还需要rtk导航终端利用ins导航终端的解算结果进行解算。这种融合模式保留了松组合的物理融合模式，并且应用ins导航终端的解算结果辅助rtk解算提高性能，同时可以实现即插即用的功能。在即插即用功能中，有两种情况：其一，当rtk导航终端不插入ins导航终端时，仅进行正常的rtk解算；其二，当rtk导航终端插入ins导航终端时，rtk导航终端和ins导航终端之间通过物理连接进行相互通信，实现rtk导航终端和ins导航终端两种系统的组合导航。当rtk导航终端接收到ins导航终端的解算结果，将ins导航终端的解算结果用于两种用途，其一是根据ins短时预测精度高的特点，用于gnss原始观测数据质量的探测；其二是将高精度的ins速度补偿rtk速度不准的情况，可以有效提高rtk导航终端的预测模型的准确度。通过上面的融合模式可以有效继承松组合的可靠性，实现ins导航终端即插即用的功
能，ins导航终端的解算结果用于提高rtk导航终端的数据预处理(观测值挑选)和预测模型的准确度，有效提高rtk导航终端的导航精度和可靠性。当ins导航终端插入时，ins导航终端根据rtk导航终端实时的解算结果，进行组合导航解算，实时修正ins导航终端的原始数据误差和状态参数误差，防止ins导航终端的误差累积，导致解算误差不断增大。
[0145]
相对于传统rtk/ins组合方案，本发明中的组合方案有如下几点优势：1.rtk导航终端和ins导航终端之间相互独立，通过物理接口实现即插即用功能，保证系统的稳定性和可靠性；2.实时的ins解算结果(即ins导航结果)用于rtk解算，利用相邻历元ins位置精度高的特点，提高伪距粗差探测和载波周跳探测的正确性，保证了滤波中观测模型的准确度；3.利用ins速度精度高的特点，计算ins历元间的平均速度，替换rtk速度不可靠的情况，提高预测模型的准确性；4.ins导航终端提供的解算结果用于rtk导航终端的数据预处理和状态模型，提高了rtk导航终端的性能和可靠性，对rtk导航终端不产生影响，保证了rtk导航终端工作的稳定性和可靠性。5.ins导航终端根据rtk导航终端的解算结果(rtk导航结果)进行组合导航解算，根据组合导航计算的原始数据和状态参数修正信息，用于ins解算，实时修正ins解算结果，保证了ins导航终端整体的性能、稳定性和可靠性。
[0146]
根据本发明的另一个方面，本发明提供一种计算装置，其包括处理器和存储器，所述存储器中存储有程序指令，该程序指令由处理器执行以实现上述gnss导航方法200。
[0147]
根据本发明的再一个方面，本发明提供一种存储介质，其内存储有程序指令，该程序指令被执行以实现上述gnss导航方法200。
[0148]
在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。
[0149]
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本技术请求保护的范围。
[0150]
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
[0151]
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。