一种基于多普勒信息的低轨卫星/惯性组合导航定位方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN111965685A(43)申请公布日2020.11.20(21)申请号202010643828.4(22)申请日2020.07.07(71)申请人北京自动化控制设备研究所地址100074北京市丰台区云岗北里1号院3号楼(72)发明人王腾洪诗聘胡文涛王勋刘璞(51)Int.Cl.G01S19/49(2010.01)G01C21/16(2006.01)G01C21/20(2006.01)权利要求书4页说明书8页附图1页(54)发明名称一种基于多普勒信息的低轨卫星/惯性组合导航定位方法(57)摘要本发明提出一种基于多普勒信息的低轨卫星/惯性组合导航定位方法，能够在轨道信息、钟差信息等先验信息不完备的条件下将低轨通信卫星与惯性导航系统进行组合导航定位的方法。通过使用该方法，组合导航系统在卫星导航信号可用时对低轨卫星的位置、钟差、钟漂等参数进行精确预测，当卫星导航信号受到干扰后不可用时，则利用低轨卫星的多普勒信息来进行定位解算，保证组合导航系统的定位误差不因惯性系统的误差积累而发散，从而保持定位精度。CN111965685ACN111965685A权利要求书1/4页1.一种基于多普勒信息的低轨卫星/惯性组合导航定位方法，其特征在于包括如下步骤：第一步,导航计算机分别利用卫星导航接收机、INS、低轨卫星通信接收机提取观测量，并对提取的观测量进行建模，得到观测量与状态向量之间的数学关系；第二步,导航计算机对载体的方位、位置以及速度信息、卫星导航接收机的钟差钟漂、低轨卫星位置和速度分别建立状态转移模型；第三步,导航计算机利用扩展卡尔曼滤波器进行导航定位解算，导航计算机首先根据状态转移模型对状态向量进行预测，所预测的状态向量包括载体的位置速度、INS的角速度和加速度偏移量、卫星导航接收机的钟差钟漂、低轨卫星的位置速度以及低轨卫星的钟差和钟漂信息；第四步,导航计算机对预测的状态向量进行测量更新；当卫星接收机能够正常提取卫星导航观测量时，导航计算机工作在跟踪模式，而当卫星接收机受到遮挡或者干扰而无法提取卫星导航观测量时，则转到同时跟踪定位模式。2.根据权利要求1所述的一种基于多普勒信息的低轨卫星/惯性组合导航定位方法，其特征在于，第一步中卫星导航接收机的观测量为卫星导航接收机的伪距观测值,补偿电离层和对流层误差后表示为：其中δtiono和δttropo分别表示电离层和对流层延迟，为未补偿的伪距，为观测噪声，观测噪声建模为零均值、方差为的高斯白噪声序列，是第l颗导航卫星的位置信息，l＝1,…,L表示第l个卫星，L为卫星的总数，rr是INS的三维位置信息；低轨卫星通信接收机的观测量为伪距率其中fc为载波频率，fD为低轨卫星信号的多普勒频率观测量，c为光速，第m颗低轨卫星的伪距率建模为其中和分别为第m颗低轨卫星的电离层和对流层延迟漂移量，vleom为零均值方差为的观测噪声，是INS的三维速度信息，和分别是低轨卫星的位置和速度信息，是卫星接收机的钟漂，是低轨卫星通信接收机的钟漂信息；载体INS包括一个三轴陀螺仪和三轴加速度计，用于产生角速度ωimu和比力测量元素2CN111965685A权利要求书2/4页aimu，角速度ωimu和比力测量元素aimu分别建模为：Bωimu(k)＝ω(k)+bg(k)+ng(k)其中g(k)是引力加速度，ng和na是测量噪声向量，ng和na分别建模为协方差为和的高斯白噪声序列，bg和ba分别是INS的三维陀螺仪和加速度计偏差，上标B表示载体坐标系，上标G表示地球坐标系，是四维单位四元数表示相对于地理坐标系G固定于INS的载体坐标系方位，c为光速。3.根据权利要求2所述的一种基于多普勒信息的低轨卫星/惯性组合导航定位方法，其特征在于，第二步中，载体的方位、位置以及速度信息建模为由载体坐标系三维转速Bω(k)和地理坐标系的三维加速度Ga(k)驱动的惯导动态方程，其中陀螺和加速度计偏差建模为离散时间动态方程bg(k+1)＝bg(k)+wbg(k)ba(k+1)＝ba(k)+wba(k),k＝1,2,…其中wbg(k)和wba(k)为过程噪声，协方差分别为Qbg和Qba；卫星导航接收机的钟差模型建模为其中δtr和分别是卫星接收机的钟差和钟漂，为过程噪声，其协方差表示为：其中T是恒定的采样间隔，和分别是钟差和钟漂的过程噪声功率谱密度；第m个低轨卫星位置和速度的动态方程建模为：其中为第m颗低轨卫星的加速度，μ是地球的标准引力参数，表示加速度的整体摄动，建模为一个功率谱密度为的高斯白噪声序列，第m个低轨卫星的时钟状态建模为：其中是协方差为的过程噪声，但是中的钟差和钟漂的过程噪声功率谱密3CN111965685A权利要求书3/4页度相应替换为低轨卫星的。4.根据