CN103675844B - 一种gnss/ins组合导航同步模拟系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GNSS/INS组合导航同步模拟系统，包括载体运动轨迹生成模块，GNSS仿真子系统、INS仿真子系统、射频模块和时钟分路同步模块；载体运动轨迹生成模块根据设定的载体类型、运动类型和参数生成载体运动参数，所述时钟分路同步模块包括时钟同步单元和惯性导航数据输出单元；时钟同步单元通过时钟同步总线与惯性导航数据输出单元和GNSS仿真子系统相连；INS仿真子系统包括惯性测量器件仿真模块和惯性导航定位解算模块。本发明实现GNSS信号和INS数据的同步仿真，可以满足GNSS/INS松组合导航系统、紧组合导航系统以及深组合导航系统的测试。

Description

一种GNSS/INS组合导航同步模拟系统

技术领域

本发明涉及一种卫星导航（GNSS）和惯性导航（INS）的组合导航同步模拟系统，实现卫星导航信号和惯性导航数据的同步仿真，可以满足GNSS/INS松组合导航系统、紧组合导航系统以及深组合导航系统的测试，为车辆、舰船以及飞机、导弹等高精度、高动态载体的组合导航系统开发和测试提供全面仿真环境。

背景技术

GNSS信号模拟器根据载体动态特性等各种因素的影响，模拟产生接收机接收到的各种卫星导航信号，从而为接收机的研制开发、测试提供仿真环境。由于卫星导航存在易受电磁波干扰、定位频率低的缺点，而惯性导航存在误差无限累积的缺点，因此对于飞机、导弹等高精度、高动态的载体，常采用GNSS/INS的组合导航系统实现载体的导航定位，GNSS可以辅助INS克服误差累积的缺点，INS也可以在GNSS受到电磁干扰无法定位时提供定位结果，并帮助GNSS检测伪距和多普勒频移等测量值的正直性和准确性。

对于GNSS/INS组合导航系统常见的组合方式有松组合、紧组合和深组合。松组合导航系统将GNSS和INS两个导航子系统在位置、速度和姿态角这一领域内进行组合；GNSS和INS在伪距、载波相位和多普勒频移等观测数据领域内进行的组合称为紧组合；深组合导航系统将INS的传感测量值直接反馈给GNSS接收机的信号跟踪环路，使得接收机可以相应减小信号跟踪环路的滤波带宽，从而降低环路中的测量噪声，提高信噪比。

采用卫星导航和惯性导航的组合导航接收机在测试时，一般采用GNSS信号模拟器配合INS仿真系统的方式进行测试。GNSS信号模拟器根据设定的载体动态特性生成模拟的卫星导航信号供组合导航接收机定位，同时组合导航接收机接收来自INS仿真系统的惯性导航数据。

但是，GNSS信号模拟器和INS仿真系统是两个分离的仿真系统，无法保证GNSS信号模拟器输出信号和INS仿真系统输出数据的同步。GNSS信号输出和INS数据输出的不同步和输出频率的不一致，有时会导致接收机需要设计多个滤波器，从而增加了导航解算的数据量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种GNSS/INS组合导航同步模拟系统，该系统能够同步仿真卫星导航信号和惯性导航数据，进而完成卫星导航与惯性导航接收机的组合导航测试。

本发明所采用的技术方案为：

一种GNSS/INS组合导航同步模拟系统，包括载体运动轨迹生成模块，GNSS仿真子系统、INS仿真子系统、射频模块和时钟分路同步模块；

载体运动轨迹生成模块根据设定的载体类型、运动类型和参数生成载体运动参数，所述载体运动参数包括为GNSS仿真子系统提供的运动参数，为INS仿真子系统提供的仿真理论值以及用于定位解算的载体运动参数初值；

所述时钟分路同步模块包括时钟同步单元和惯性导航数据输出单元；时钟同步单元通过时钟同步总线与惯性导航数据输出单元和GNSS仿真子系统相连；

GNSS仿真子系统根据载体运动轨迹生成模块输出的载体运动参数模拟出载体接收的卫星模拟中频信号；GNSS仿真子系统在时钟同步单元输出的同步信号控制下输出卫星模拟中频信号；

射频模块将GNSS仿真子系统输出的卫星模拟中频信号进行上变频获得卫星导航仿真射频信号；所述卫星导航仿真射频信号输入至GNSS/INS组合导航接收机；

INS仿真子系统包括惯性测量器件仿真模块和惯性导航定位解算模块，惯性测量器件仿真模块根据所述仿真理论值获得仿真测量值，惯性导航定位解算模块根据所述仿真测量值和用于定位解算的载体运动参数初值进行定位解算获得惯性导航数据，惯性导航定位解算模块将惯性导航数据输出至所述惯性导航数据输出单元，惯性导航数据输出单元在时钟同步单元输出的同步信号控制下输出惯性导航数据。

所述仿真理论值包括载体相对于惯性坐标系的角速度和比力。

GNSS仿真子系统包括导航电文观测数据生成模块和卫星导航信号生成模块；导航电文观测数据生成模块包括卫星轨道仿真模块、测量误差仿真模块和导航电文观测数据生成模块。

卫星导航信号生成模块包括多个导航信号生成单元，所述多个导航信号生成单元通过时钟同步总线与时钟同步单元相连。

所述惯性导航数据包括定位解算后的载体位置、速度、加速度和姿态。

本发明与现有技术相比的有益效果在于：

（1）本发明实现了GNSS仿真与INS仿真的同步，保证GNSS仿真信号和INS仿真数据同步输出，提高了GNSS/INS组合导航测试的准确性和精度。为组合导航接收机设计组合导航算法提供了数据依据，并且GNSS和INS仿真的同步可以减少接收机滤波器设计的复杂度。同步模拟系统中的时钟分路同步模块在保证GNSS仿真和INS仿真同步的同时，也为GNSS各频点信号输出同步提供支持。

（2）本发明中GNSS仿真子系统和INS仿真子系统采用了相同的载体运动轨迹生成模块的输出数据，真正做到了两个子系统数据同源和同步。载体运动轨迹生成模块可以根据载体类型、运动类型和参数仿真静止点、匀速直线、圆周运动、车辆、舰船、飞机、导弹和低轨卫星的运动轨迹数据。

附图说明

图1为GNSS/INS组合导航同步模拟系统示意图。

图2为卫星导航仿真子系统结构框图。

图3为惯性导航仿真子系统结构框图。

图4为时钟分路同步模块结构框图。

图5为时钟同步时序图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明具体实施方式做进一步介绍。

如图1所示，本发明的GNSS/INS组合导航同步模拟系统用于为GNSS/INS组合导航接收机提供测试用模拟信号，具体包括载体运动轨迹生成模块，GNSS（卫星导航）仿真子系统、INS（惯性导航）仿真子系统、射频模块和时钟分路同步模块。时钟分路同步模块包括时钟同步单元和惯性导航数据输出单元，用于实现GNSS仿真和INS仿真同步。

载体运动轨迹生成模块根据设定的载体类型、运动类型和参数生成载体运动参数。该模块的输出同时作为GNSS仿真子系统和INS仿真子系统的参考源来统一规范输入，实现了GNSS仿真子系统和INS仿真子系统仿真输入的数据同源和同步。

GNSS仿真子系统根据载体运动轨迹生成模块输出的载体运动参数模拟出载体接收的卫星模拟中频信号；GNSS仿真子系统在时钟同步单元输出的同步信号控制下输出卫星模拟中频信号。

射频模块将GNSS仿真子系统输出的卫星模拟中频信号进行上变频获得卫星导航仿真射频信号。通过射频模块为GNSS/INS组合导航接收机提供卫星导航仿真射频信号。

INS仿真子系统用于模拟惯性导航的仿真测量值以及定位解算数据。INS仿真子系统将惯性导航数据输出至所述惯性导航数据输出单元，惯性导航数据输出单元在时钟同步单元输出的同步信号控制下输出惯性导航数据至GNSS/INS组合导航接收机。

载体运动轨迹生成模块

载体运动轨迹生成模块可根据用户设定的载体类型、运动类型及参数实时的生成载体运动参数，支持包括静止点、匀速直线、圆周、车辆、舰船、飞机、导弹和低轨卫星等载体类型的运动仿真，同时支持外部轨迹生成模块按照一定格式输入的载体运动参数。

载体运动参数有一个统一的时间标志，包括如下数据：

1)载体在ECEF坐标系的位置、速度、加速度和加加速度，作为GNSS仿真子系统的输入；

2)载体在导航坐标系的位置、速度、姿态角、角速度，作为INS仿真子系统用于定位解算的载体运动参数初值；

3)载体相对于惯性坐标系的角速度和比力，作为INS仿真子系统的仿真理论值。

载体运动轨迹生成模块的载体数据输出频率可配置，其中默认状态下提供给GNSS仿真子系统的数据输出频率为100Hz，提供给INS仿真子系统的数据输出频率为1000Hz。

以飞机的运动轨迹生成为例，所述运动类型及参数是指飞机运动轨迹中直线飞行的时间、速度；加速飞行的时间、速度变化量；转弯的角度、向心加速度；爬升的高向速度、爬升高度、起始纵向过载、结束纵向过载等。

GNSS仿真子系统

GNSS仿真子系统用于模拟卫星导航信号，载体运动轨迹生成模块输出的各种载体运动数据作为输入，经过GNSS仿真子系统模拟出载体接收的各种卫星导航信号。GNSS仿真子系统包括导航电文观测数据生成模块和卫星导航信号生成模块；导航电文观测数据生成模块包括卫星轨道仿真模块、测量误差仿真模块和导航电文观测数据生成模块。

(一)测量误差仿真模块

接收机定位时的观测数据伪距和载波相位包含各种测量误差，因此在模拟接收机接收的卫星导航信号时，需要考虑各种测量误差的影响。测量误差仿真模块用于仿真接收机计算伪距时所考虑的误差，包括卫星时钟钟差仿真、相对论效应仿真、电离层效应仿真、对流层效应仿真以及其他误差仿真。

(二)卫星轨道仿真模块

卫星轨道仿真模块根据星历参数计算出卫星在ECEF坐标系的位置、速度和加速度，并考虑地球自转效应的影响修正卫星的位置、速度和加速度，输出修正后的卫星位置、速度和加速度。

具体修正公式如下：

$\left[\begin{array}{c}{x}_s\\ y_s\\ z_s\end{array}\right]=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\α}& \sin \mathrm{\α}& 0\\ -\sin \mathrm{\α}& \cos \mathrm{\α}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)\·\left[\begin{array}{c}{x^{\′}}_s\\ {y^{\′}}_s\\ {z^{\′}}_s\end{array}\right]---\left(1\right)$

(x'_s,_y'_s,z'_s)为信号发射时刻的卫星在ECEF坐标系的位置；(x_s,y_s,z_s)为修正后的信号接收时刻的卫星在ECEF坐标系的位置；α为信号接收时刻到信号发射时刻地球自转的角度。

(三)导航电文观测数据生成模块

导航电文观测数据生成模块是导航电文观测数据生成模块的核心部分，该模块的功能分为两部分：（1）观测数据生成；（2）导航电文生成。

（1）观测数据包含伪距和载波相位等数据。根据卫星轨道仿真模块计算出的卫星位置，以及载体运动轨迹生成模块输出的载体的位置，计算卫星相对于载体的仰角，根据卫星仰角对卫星可见性进行判断，对于卫星仰角大于5°的卫星认为是可见卫星。由可见卫星的位置和载体位置可得卫星到载体的真距r(t-τ,t)，再加仿真的测量误差即可计算出伪距，公式如下所示：

ρ(t)=r(t-τ,t)+c(I(t)+T(t)-δt^(s)(t-τ))    （2）

$r(t-\mathrm{\τ},t)=\sqrt{{(x_s-x_u)}^2+{(y_s-y_u)}^2+{(z_s-z_u)}^2}---\left(3\right)$

其中，ρ(t)为伪距，r(t-τ,t)为卫星到载体的真距，c为光速，I(t)为电离层效应延时，T(t)为对流层效应延时，δt^(s)(t-τ)为卫星时钟钟差和相对论效应延时，(x_u,y_u,z_u)为载体在ECEF坐标系的位置。

对公式（2）求一阶导数、二阶导数、三阶导数，由卫星的位置、速度和加速度，以及载体在ECEF坐标系的位置、速度和加速度可分别计算出伪距一阶导数、伪距二阶导数、伪距三阶导数。

根据伪距仿真模型和接收机载波相位计算公式，得到卫星导航信号仿真系统载波相位计算公式：

$\mathrm{\φ}\left(t\right)=\frac{(\mathrm{\ρ}\left(t\right)-2\·\mathrm{cI}\left(t\right))}{\mathrm{\λ}}---\left(4\right)$

其中，φ(t)为载波相位，GNSS仿真子系统仿真的载波相位相当于载波相位的初相，不考虑载波相位的整周模糊度；λ为导航信号的波长。

同理对公式（4）求一阶导数、二阶导数、三阶导数可分别计算出载波相位一阶导数、载波相位二阶导数、载波相位三阶导数。

（2）按照GPS、BDS、Galileo、Glonass的卫星导航电文格式，将星历、历数等数据进行编码，生成仿真的卫星导航电文。

(四)卫星导航信号生成模块

卫星导航信号生成模块接收到0～3阶伪距和0～3阶载波相位后，进行数据解析生成伪随机码流和数字载波，并将伪随机码流和卫星导航电文调制到数字载波上，生成GNSS数字中频信号，然后通过数模转换获得GNSS模拟中频信号。卫星导航信号生成模块输出的模拟中频信号输出到射频模块进行上变频，获得相应的卫星导航仿真射频信号。

卫星导航信号生成模块在硬件结构上为可扩展的，可以根据GNSS信号的频点要求增加或减少相应的导航信号生成单元。如图4所示，卫星导航信号生成模块具有可配置个数的导航信号生成单元，每个导航信号生成单元可配置为GPS、BDS、Galileo和Glonass相应频点的信号输出。

INS仿真子系统

如图3所示，INS仿真子系统包括惯性测量器件仿真模块和惯性导航定位解算模块，惯性测量器件仿真模块根据仿真理论值获得仿真测量值，惯性导航定位解算模块根据所述仿真测量值和用于定位解算的载体运动参数初值进行定位解算获得惯性导航数据，惯性导航定位解算模块将惯性导航数据输出至所述惯性导航数据输出单元，惯性导航数据输出单元在时钟同步单元输出的同步信号控制下输出惯性导航数据。

(一)惯性测量器件仿真

惯性测量器件作为惯性导航系统的惯性传感器，通常由安装在三个方向相互垂直轴上的共计三个陀螺仪和三个加速度计组成，其中每一个轴上的一对陀螺仪与加速度计分别用来测量相应方向上的旋转角速度与运动加速度。

惯性测量器件仿真即是对三轴的陀螺仪和加速度计测量值的仿真，即仿真测量值等于仿真理论值加上仿真测量误差。陀螺仪和加速度计的仿真理论值分别对应载体运动轨迹生成模块生成的载体相对于惯性坐标系的角速度和比力通过惯性测量器件仿真模块输出仿真测量值（角速度和比力）。测量误差包括确定性误差和随机误差两部分，针对陀螺仪和加速度计及其类型的不同，有不同的误差模型。

一般地，惯性测量器件测量值有如下通用仿真模型：

S_o=S_i+E_d+E_R    （5）

其中，S_o为惯性测量器件测量值仿真，S_i为理论值仿真，E_d为确定性误差仿真，E_R为随机误差仿真。这里考虑的确定性误差主要由标度因数误差、标度因数不对称系数ΔK_a、传感器的轴不对准误差M及零偏B等组成，进一步将各误差项细化，惯性测量器件测量值通用仿真模型可写成如下形式：

S_o=(1+ΔK)(S_i+M+B)+ΔK_a(|S_i+M+B|)+E_R=S_i+ΔKS_i+(1+ΔK)(M+B)+ΔK_a(|S_i+M+B|)+E_R    （6）

其中，标度因数误差ΔK中包含了固定标度因数误差、成比例的标度因数误差和成二次方比力的标度因数误差；零偏B由固定零偏、成比例的零偏和成二次方比例的零偏组成；随机误差E_R包括随机游走噪声、一阶马尔可夫随机噪声及二阶马尔可夫随机噪声。

(二)惯性导航定位解算

惯性导航定位解算模块作为惯性导航系统的解算部分，以惯性测量器件的仿真测量值作为输入，以载体在导航坐标系的位置、速度、姿态角、角速度，作为惯性导航定位解算的载体运动参数初值，解算出惯性导航数据，惯性导航数据包括载体在ECEF坐标系的位置、速度、加速度和姿态，解算的数据输出周期为1000Hz。

时钟分路同步模块

图4为时钟分路同步模块的结构框图，所述时钟分路同步模块包括时钟同步单元和惯性导航数据输出单元；时钟同步单元通过时钟同步总线与惯性导航数据输出单元和多个导航信号生成单元相连。

时钟同步单元将外部的时钟信号分路为多路同步时钟信号，采用总线型拓扑，传送时钟同步信号给卫星导航信号生成模块中的各个导航信号生成单元，从而保证了GNSS信号输出的同步。

时钟同步单元除了负责卫星导航信号生成模块各个单元的信号输出同步外，还用于保证惯性导航数据与卫星导航信号输出的同步。时钟同步单元通过同步信号脉冲来保证卫星导航信号与惯性导航数据输出的同步，时序图如图5所示。在仿真开始之后同步信号脉冲的第一个上升沿，GNSS仿真子系统开始输出卫星模拟中频信号,惯性导航数据输出单元开始输出惯性导航数据。这样，就可以保证卫星导航信号和惯性导航数据在仿真起始时是同步的。

本发明的组合导航同步模拟系统将GNSS仿真和INS仿真集成到了一台设备上，并实现GNSS仿真信号和INS仿真数据输出的同步。采用信号同步技术，同步卫星导航仿真信号与惯性导航仿真数据可以提高组合导航接收机测试的精度。同时，将INS仿真系统集成到GNSS信号模拟器中，对于提高组合导航测试的效率有重要意义。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (5)

1.一种GNSS/INS组合导航同步模拟系统，其特征在于，包括载体运动轨迹生成模块，GNSS仿真子系统、INS仿真子系统、射频模块和时钟分路同步模块；

载体运动轨迹生成模块根据设定的载体类型、运动类型和参数生成载体运动参数，所述载体运动参数包括为GNSS仿真子系统提供的运动参数，为INS仿真子系统提供的仿真理论值以及用于定位解算的载体运动参数初值；

所述时钟分路同步模块包括时钟同步单元和惯性导航数据输出单元；时钟同步单元通过时钟同步总线与惯性导航数据输出单元和GNSS仿真子系统相连；时钟同步单元通过同步信号脉冲来保证卫星导航信号与惯性导航数据输出的同步；

GNSS仿真子系统根据载体运动轨迹生成模块输出的载体运动参数模拟出载体接收的卫星模拟中频信号；GNSS仿真子系统在时钟同步单元输出的同步信号控制下输出卫星模拟中频信号；

射频模块将GNSS仿真子系统输出的卫星模拟中频信号进行上变频获得卫星导航仿真射频信号；所述卫星导航仿真射频信号输入至GNSS/INS组合导航接收机；

INS仿真子系统包括惯性测量器件仿真模块和惯性导航定位解算模块，惯性测量器件仿真模块根据所述仿真理论值获得仿真测量值，惯性导航定位解算模块根据所述仿真测量值和用于定位解算的载体运动参数初值进行定位解算获得惯性导航数据，惯性导航定位解算模块将惯性导航数据输出至所述惯性导航数据输出单元，惯性导航数据输出单元在时钟同步单元输出的同步信号控制下输出惯性导航数据至GNSS/INS组合导航接收机。

2.根据权利要求1所述的一种GNSS/INS组合导航同步模拟系统，其特征在于，所述仿真理论值包括载体相对于惯性坐标系的角速度和比力。

3.根据权利要求1所述的一种GNSS/INS组合导航同步模拟系统，其特征在于，GNSS仿真子系统包括导航电文观测数据仿真模块和卫星导航信号生成模块；导航电文观测数据仿真模块包括卫星轨道仿真模块、测量误差仿真模块和导航电文观测数据生成模块。

4.根据权利要求3所述的一种GNSS/INS组合导航同步模拟系统，其特征在于，卫星导航信号生成模块包括多个导航信号生成单元，所述多个导航信号生成单元通过时钟同步总线与时钟同步单元相连。

5.根据权利要求1所述的一种GNSS/INS组合导航同步模拟系统，其特征在于，所述惯性导航数据包括定位解算后的载体位置、速度、加速度和姿态。