本發(fā)明涉及導航領域，特別是涉及一種適用于高動態(tài)場景下的高精度定位定姿導航系統(tǒng)及方法。

背景技術：

導航技術多年來一直受到各個國家的重視且發(fā)展迅速，并取得了一定的成果，但在加速度達到20g～100g的高動態(tài)下的導航一直是一大難題。除了民用領域的具體市場價值，現代戰(zhàn)爭中，技術對抗巳經成為了關鍵，導彈、戰(zhàn)斗機等高動態(tài)載體對現代導航技術的可靠性、抗干擾能力等都提出了新的要求。

對于高動態(tài)條件中的載體，如何更好地解決其導航定位一直是一大難題，因其對現代國防軍事等的重要作用而一直被眾多專家學者所關注。高動態(tài)環(huán)境下載體的精確導航，首先對于GNSS(Global Navigation Satellite System,全球衛(wèi)星導航系統(tǒng))而言，衛(wèi)星和運動載體間的相對運動會引發(fā)多普勒頻移與多普勒頻移率，直接導致跟蹤環(huán)路失鎖。而增大帶寬跟蹤高動態(tài)信號的做法則會引入更大的噪聲。對于慣性導航，高動態(tài)環(huán)境對其初始對準等技術提出了更高的要求，且定位誤差會變大。鑒于單純對SINS(Strapdown Inertial Navigation System,捷聯慣性導航系統(tǒng))的提升一般主要依靠提升硬件，其性價比不高及提升有限等原因，目前針對高動態(tài)導航，主要研究的方向在于高動態(tài)組合導航技術。GNSS/SINS超緊耦合正是一種新型的組合導航技術，能夠全面提升導航系統(tǒng)的各項性能，尤其在高動態(tài)等惡劣條件下表現尤為明顯。

當前對于深耦合或超緊耦合導航技術的研究已取得一些進展，《一種GNSS/INS深耦合系統(tǒng)環(huán)路輔助切換方法》(申請?zhí)枺?01510697375.2)提出了一種INS出現故障時，對深耦合系統(tǒng)的環(huán)路輔助狀態(tài)進行切換的方法，避免了INS故障造成的系統(tǒng)精度發(fā)散，提升了系統(tǒng)的魯棒性。《基于UKF濾波的BDS與GIS深耦合定位方法和系統(tǒng)》(申請?zhí)枺?01310733134.X)提出了一種基于UKF(Unscented Kalman Filter，無跡卡爾曼濾波)的定位方法，采用地理信息系統(tǒng)技術，對定位系統(tǒng)的修正來源于精確的GIS模型，解決了定位誤差隨時間推移而增大的技術問題。這些技術解決了組合導航系統(tǒng)的魯棒性和精度問題，但其應用場景并未在高動態(tài)之下，GNSS定位方式也基本采用單點定位的方式，而組合導航若有高精度的需求，RTK(Real Time Kinematic，載波相位差分技術)技術是非常有必要的。但是在高動態(tài)環(huán)境下，RTK通信數據鏈通常也存在巨大的多普勒頻移，難以維持數據鏈的正常通信，因此現有技術通常難以兼顧高精度和高動態(tài)的需求。

技術實現要素：

為了解決上述的技術問題，本發(fā)明提供一種基于RTK/SINS的高動態(tài)定位定姿技術方案。

本發(fā)明所采用的技術方案提供一種基于RTK/SINS的高動態(tài)定位定姿系統(tǒng)，包括GNSS模塊、SINS模塊和RTK通信模塊，GNSS模塊和SINS模塊之間建立了通信連接，GNSS模塊和RTK通信模塊之間建立了通信連接；系統(tǒng)執(zhí)行以下步驟，

步驟一，系統(tǒng)上電啟動；

步驟二，GNSS模塊初始化，期間GNSS跟蹤環(huán)路使用初始帶寬進行衛(wèi)星信號跟蹤，初始帶寬包括載波環(huán)帶寬T1和碼環(huán)帶寬T2；

步驟三，GNSS模塊完成初始化后，獲得載體位置速度信息，并將相關信息傳遞給SINS模塊，輔助SINS完成初始化；

步驟四，由GNSS模塊提供載體位置速度，計算基站視線方向的數據鏈傳輸多普勒頻移，并送入RTK通信模塊進行跟蹤輔助；

步驟五，RTK通信模塊接收基站播發(fā)的差分數據，傳遞給GNSS模塊，GNSS模塊進行實時RTK解算，將RTK解算后的衛(wèi)星載波相位與多普勒頻移作為卡爾曼濾波的觀測量；

步驟六，GNSS模塊通過衛(wèi)星星歷計算，向SINS模塊提供當前衛(wèi)星位置/速度，同時SINS模塊根據自身遞推的位置和速度，計算得到衛(wèi)星偽距和多普勒頻移，作為卡爾曼濾波的預測量；

步驟七，將SINS的預測量與GNSS的觀測量送入卡爾曼濾波器，進行卡爾曼濾波；

步驟八，利用卡爾曼濾波結果對GNSS誤差與SINS誤差進行校正，輸出組合導航結果，并修正SINS的加速度計與陀螺儀；

步驟九，利用校正后的SINS位置速度，以及GNSS提供的衛(wèi)星位置速度，計算出新的被校正后的載波多普勒頻移，并送入GNSS跟蹤環(huán)路進行輔助，GNSS接收機開始使用工作帶寬進行衛(wèi)星信號跟蹤，工作帶寬包括載波環(huán)帶寬t1和碼環(huán)帶寬t2，t1小于T1，t2小于T2；

步驟十，重復步驟四至九，直至導航結束。

而且，步驟四中，基站視線方向的數據鏈傳輸多普勒頻移f_RTK計算方法為，

其中，Px_gnss、Py_gnss、Pz_gnss為地球坐標系下的GNSS坐標，Vx_gnss、Vy_gnss、Vz_gnss為GNSS速度，Px_base、Py_base、Pz_base為基站坐標，λ_RTK為RTK通信數據鏈載波波長。

而且，步驟六中，

衛(wèi)星偽距預測量計算公式為，

衛(wèi)星載波多普勒頻移預測量計算公式為，

其中，Px_ins、Py_ins、Pz_ins為地球坐標系下的SINS坐標，Vx_ins、Vy_ins、Vz_ins為SINS速度，Px_sat、Py_sat、Pz_sat為衛(wèi)星坐標，Vx_sat、Vy_sat、Vz_sat為衛(wèi)星速度，λ_sat為衛(wèi)星載波波長。

而且，步驟九中，采用衛(wèi)星載波多普勒頻移預測量計算公式計算出新的被校正后的載波多普勒頻移。

而且，t1為T1的1/100～1/10，t2為T2的1/100～1/10。

本發(fā)明還相應提供一種基于RTK/SINS的高動態(tài)定位定姿方法，設置GNSS模塊、SINS模塊和RTK通信模塊，GNSS模塊和SINS模塊之間建立通信連接，GNSS模塊和RTK通信模塊之間建立通信連接；執(zhí)行以下步驟，

步驟一，系統(tǒng)上電啟動；

步驟二，GNSS模塊初始化，期間GNSS跟蹤環(huán)路使用初始帶寬進行衛(wèi)星信號跟蹤，初始帶寬包括載波環(huán)帶寬T1和碼環(huán)帶寬T2；

步驟三，GNSS模塊完成初始化后，獲得載體位置速度信息，并將相關信息傳遞給SINS模塊，輔助SINS完成初始化；

步驟四，由GNSS模塊提供載體位置速度，計算基站視線方向的數據鏈傳輸多普勒頻移，并送入RTK通信模塊進行跟蹤輔助；

步驟五，RTK通信模塊接收基站播發(fā)的差分數據，傳遞給GNSS模塊，GNSS模塊進行實時RTK解算，將RTK解算后的衛(wèi)星載波相位與多普勒頻移作為卡爾曼濾波的觀測量；

步驟六，GNSS模塊通過衛(wèi)星星歷計算，向SINS模塊提供當前衛(wèi)星位置/速度，同時SINS模塊根據自身遞推的位置和速度，計算得到衛(wèi)星偽距和多普勒頻移，作為卡爾曼濾波的預測量；

步驟七，將SINS的預測量與GNSS的觀測量送入卡爾曼濾波器，進行卡爾曼濾波；

步驟八，利用卡爾曼濾波結果對GNSS誤差與SINS誤差進行校正，輸出組合導航結果，并修正SINS的加速度計與陀螺儀；

步驟九，利用校正后的SINS位置速度，以及GNSS提供的衛(wèi)星位置速度，計算出新的被校正后的載波多普勒頻移，并送入GNSS跟蹤環(huán)路進行輔助，GNSS接收機開始使用工作帶寬進行衛(wèi)星信號跟蹤，工作帶寬包括載波環(huán)帶寬t1和碼環(huán)帶寬t2，t1小于T1，t2小于T2；

步驟十，重復步驟四至九，直至導航結束。

而且，步驟四中，基站視線方向的數據鏈傳輸多普勒頻移f_RTK計算方法為，

其中，Px_gnss、Py_gnss、Pz_gnss為地球坐標系下的GNSS坐標，Vx_gnss、Vy_gnss、Vz_gnss為GNSS速度，Px_base、Py_base、Pz_base為基站坐標，λ_RTK為RTK通信數據鏈載波波長。

而且，步驟六中，

衛(wèi)星偽距預測量計算公式為，

衛(wèi)星載波多普勒頻移預測量計算公式為，

其中，Px_ins、Py_ins、Pz_ins為地球坐標系下的SINS坐標，Vx_ins、Vy_ins、Vz_ins為SINS速度，Px_sat、Py_sat、Pz_sat為衛(wèi)星坐標，Vx_sat、Vy_sat、Vz_sat為衛(wèi)星速度，λ_sat為衛(wèi)星載波波長。

而且，步驟九中，采用衛(wèi)星載波多普勒頻移預測量計算公式計算出新的被校正后的載波多普勒頻移。

而且，t1為T1的1/100～1/10，t2為T2的1/100～1/10。

本發(fā)明相較于現有的組合導航技術，引入了RTK技術，一方面通過基站視線方向的載波多普勒頻移輔助，獲得高精度的GNSS RTK數據；一方面通過衛(wèi)星視線方向的載波多普勒頻移輔助，減小GNSS跟蹤環(huán)路帶寬提升了跟蹤精度，兩種輔助方式均有效提升了高動態(tài)下的定位定姿精度。

因此，本發(fā)明相較于現有技術具有以下優(yōu)點：

(1)加入了RTK通信多普勒輔助

在幾十至數百g的加速度應力下，現有的大部分無線通信模塊都會失鎖，因此現有高動態(tài)下的組合導航系統(tǒng)多為單點定位，而本系統(tǒng)由GNSS為RTK通信模塊提供數據鏈的多普勒頻移輔助，可在高動態(tài)應力下仍能穩(wěn)定接收基站差分信息，從而獲得高精度的載波相位信息，為高精度的組合解算提供數據基礎。

(2)加入了衛(wèi)星載波多普勒輔助

SINS提供的衛(wèi)星多普勒頻移輔助GNSS跟蹤環(huán)路，可以減小環(huán)路跟蹤載體高動態(tài)所需的大帶寬，保證以小帶寬捕獲并鎖定GNSS衛(wèi)星信號，從而減小由載體動態(tài)所引起的跟蹤誤差，帶寬的縮小還可以進一步減小弱噪聲引起的跟蹤誤差，提高GNSS的跟蹤精度。

通常情況下未進行多普勒輔助的定位定姿系統(tǒng)難以在高于20g的高動態(tài)環(huán)境下正常工作，而且因為未進行RTK解算，單點定位精度通常也在10m～30m左右。而在上述兩種技術的輔助下，本發(fā)明中的定位定姿系統(tǒng)能夠同時兼顧高動態(tài)與高精度的需求，可在20g～100g的加速度場景下正常工作，且定位精度可達分米級，具有重要的市場價值。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的系統(tǒng)構架圖；

圖2為本發(fā)明實施例的流程圖。

具體實施方式

以下結合附圖和實施例對本發(fā)明技術方案進行具體描述。

本發(fā)明提出了一種基于RTK/SINS的高動態(tài)定位定姿系統(tǒng)，其結構如圖1所示，主要包括：GNSS模塊1、SINS模塊2和RTK通信模塊3。GNSS模塊和SINS模塊之間建立了通信連接，GNSS模塊和RTK通信模塊之間建立了通信連接。其中GNSS模塊進行衛(wèi)星導航解算，并向SINS模塊提供初始化數據與衛(wèi)星星歷數據，向RKT通信模塊提供數據鏈多普勒輔助；SINS模塊進行慣性導航解算，并向GNSS模塊的跟蹤環(huán)路提供多普勒輔助；RTK通信模塊進行與基站的數據鏈通信，并向GNSS模塊提供差分數據供RTK解算。

本發(fā)明通過在GNSS/SINS超緊耦合系統(tǒng)中加入RTK通信模塊并加以多普勒輔助，在高動態(tài)條件下維持穩(wěn)定的RTK數據鏈通信，并將組合方式升級為RTK/SINS超緊耦合，同時兼顧了高動態(tài)和高精度的需求。本發(fā)明將GNSS/SINS的導航結果與已知坐標基站進行視線向量計算，估算出通信模塊的多普勒頻移，并送入通信模塊的跟蹤環(huán)路進行輔助，保證RTK通信模塊在高動態(tài)下穩(wěn)定跟蹤，為GNSS/SINS組合結算提供高精度的數據基礎。同時，GNSS板卡將RTK解算后的衛(wèi)星載波相位與多普勒頻移作為卡爾曼濾波的觀測量，將SINS計算出的衛(wèi)星偽距與偽距率作為卡爾曼濾波的預估量，進行卡爾曼濾波，利用濾波結果對SINS與GNSS進行誤差校正，輸出校正后的定位定姿結果，并將校正后的衛(wèi)星載波多普勒頻移量送入GNSS跟蹤環(huán)路進行輔助，GNSS轉而使用更小的帶寬進行跟蹤以獲得更精確的跟蹤結果。

本發(fā)明實施例的工作流程如圖2所示，實施例中GNSS模塊簡稱GNSS，SINS模塊簡稱SINS，其主要步驟包括：

步驟一：系統(tǒng)上電啟動。

步驟二：GNSS初始化，期間GNSS跟蹤環(huán)路使用初始的大帶寬進行衛(wèi)星信號跟蹤，其中載波環(huán)帶寬T1范圍約50～1000Hz，碼環(huán)帶寬T2范圍約0.5～10Hz；實施例中期間GNSS載波環(huán)帶寬為250Hz，碼環(huán)帶寬范圍為5Hz。

步驟三：GNSS完成初始化后，獲得載體位置速度信息，并將位置速度航向時間等信息傳遞給SINS，輔助SINS完成初始化。具體SINS初始化為現有技術，本發(fā)明不予贅述。

步驟四：由GNSS提供載體位置速度，計算基站視線方向的數據鏈傳輸多普勒頻移，并將其送入RTK通信模塊進行跟蹤輔助，保障通信模塊在高動態(tài)下不會失鎖。

實施例中，由GNSS提供載體位置坐標為[Px_gnss,Py_gnss,Pz_gnss]，速度為[Vx_gnss,Vy_gnss,Vz_gnss]，已知基站坐標為[Px_base,Py_base,Pz_base]，已知RTK通信數據鏈載波波長為λ_RTK，計算基站視線方向的數據鏈傳輸多普勒頻移，并將其送入RTK通信模塊的跟蹤環(huán)路進行輔助；

基站視線方向的數據鏈傳輸多普勒頻移f_RTK計算方法為：

其中：Px_gnss、Py_gnss、Pz_gnss為地球坐標系下的GNSS坐標，Vx_gnss、Vy_gnss、Vz_gnss為GNSS速度，Px_base、Py_base、Pz_base為基站坐標，λ_RTK為RTK通信數據鏈載波波長。

具體實施時，輔助方法為在RTK通信模塊的跟蹤環(huán)路中，在鎖相環(huán)(或鎖頻環(huán))的環(huán)路濾波器之后、晶體振蕩器頻率字變更前，將環(huán)路濾波器結果加入上述多普勒頻移數值，即完成輔助跟蹤。

步驟五：RTK通信模塊接收基站播發(fā)的差分數據，傳遞給GNSS，后者進行實時RTK解算，得到精確的衛(wèi)星載波相位/多普勒頻移，即將RTK解算后的衛(wèi)星載波相位與多普勒頻移作為卡爾曼濾波的觀測量。

步驟六：GNSS通過衛(wèi)星星歷計算，向SINS提供當前衛(wèi)星位置/速度，同時SINS根據自身遞推的位置/速度，計算得到衛(wèi)星偽距/多普勒頻移，即將SINS計算出的衛(wèi)星偽距與偽距率作為卡爾曼濾波的預測量。

實施例中，GNSS通過衛(wèi)星星歷計算，向SINS提供當前衛(wèi)星位置坐標為[Px_sat,Py_sat,Pz_sat]，速度為[Vx_sat,Vy_sat,Vz_sat]，同時SINS由慣性遞推得到其位置坐標為[Px_ins,Py_ins,Pz_ins]，速度為[Vx_ins,Vy_ins,Vz_ins]，再由已知的衛(wèi)星載波波長λ_sat計算得到衛(wèi)星偽距/多普勒頻移，即預測量；

衛(wèi)星偽距預測量計算公式為：

衛(wèi)星載波多普勒頻移預測量計算公式為：

其中：Px_ins、Py_ins、Pz_ins為地球坐標系下的SINS坐標，Vx_ins、Vy_ins、Vz_ins為SINS速度，Px_sat、Py_sat、Pz_sat為衛(wèi)星坐標，Vx_sat、Vy_sat、Vz_sat為衛(wèi)星速度，λ_sat為衛(wèi)星載波波長。

步驟七：將SINS的預測量與GNSS的觀測量送入卡爾曼濾波器，進行卡爾曼濾波，卡爾曼濾波結果為GNSS與SINS的誤差狀態(tài)向量，具體包含SINS的位置誤差、速度誤差與姿態(tài)角誤差、加速度計誤差、陀螺儀誤差以及GNSS的時鐘誤差?？柭鼮V波器為現有技術，本發(fā)明不予贅述。

步驟八：利用卡爾曼濾波結果對GNSS誤差與SINS誤差進行校正，校正方法為將步驟七輸出的誤差狀態(tài)向量中分量同GNSS與SINS的對應狀態(tài)值進行相加，輸出組合導航結果，包含SINS位置、速度與姿態(tài)角與GNSS時鐘，并修正SINS的加速度計與陀螺儀。

步驟九：利用校正后的SINS位置/速度，以及GNSS提供的衛(wèi)星位置速度，參考步驟六的方法(即采用步驟六的衛(wèi)星載波多普勒頻移預測量計算公式)，計算出新的被校正后的載波多普勒頻移，并送入GNSS跟蹤環(huán)路進行輔助，GNSS接收機開始使用小的工作帶寬進行衛(wèi)星信號跟蹤，工作帶寬包括載波環(huán)帶寬t1和碼環(huán)帶寬t2，t1小于T1，t2小于T2。建議載波環(huán)帶寬t1范圍約0.5～10Hz，碼環(huán)帶寬t2范圍約0.01～0.1Hz。優(yōu)選地，t1為T1的1/100～1/10，t2為T2的1/100～1/10，例如t1為T1的1/50，t2為T2的1/50。實施例中載波環(huán)帶寬降至2.5Hz，碼環(huán)帶寬降至0.05Hz，進一步提升跟蹤精度。

載波多普勒頻移輔助GNSS跟蹤環(huán)路的方法為：在載波跟蹤環(huán)的環(huán)路濾波器之后、數控振蕩器頻率字更新之前，將載波環(huán)濾波器結果加上載波多普勒頻移值；同時，在碼跟蹤環(huán)的環(huán)路濾波器之后、數控振蕩器頻率字更新之前，將載波多普勒頻移值除以1540后加入碼環(huán)濾波器結果。完成多普勒輔助后，通過調整跟蹤環(huán)路的濾波器參數，可將載波環(huán)與碼環(huán)的帶寬降低為原帶寬的1/10～1/100，并在后續(xù)導航中不再調整。

步驟十：返回步驟四，重復步驟四至九，直至導航結束。重復時保持使用工作帶寬，無需調整帶寬。

具體實施時，以上流程可采用計算機軟件技術實現自動運行。本發(fā)明所提供系統(tǒng)及相應方法都應在保護范圍內。

應當理解的是，上述針對較佳實施例的描述較為詳細，并不能因此而認為是對本發(fā)明專利保護范圍的限制，本領域的普通技術人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明權利要求所保護的范圍情況下，還可以做出替換或變形，均落入本發(fā)明的保護范圍之內，本發(fā)明的請求保護范圍應以所附權利要求為準。