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CN108931791B - 卫惯紧组合钟差修正系统和方法 - Google Patents

卫惯紧组合钟差修正系统和方法 Download PDF

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CN108931791B
CN108931791B CN201710374917.1A CN201710374917A CN108931791B CN 108931791 B CN108931791 B CN 108931791B CN 201710374917 A CN201710374917 A CN 201710374917A CN 108931791 B CN108931791 B CN 108931791B
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Abstract

本发明涉及一种卫惯紧组合钟差修正系统和方法，包括卫导接收机、惯导系统和卫惯紧组合钟差修正装置，卫导接收机连接惯导系统和卫惯紧组合钟差修正装置，惯导系统连接卫惯紧组合钟差修正装置，卫导接收机根据接收的卫星信号进行处理及PVT解算，实现卫导接收机定位，并对接收机钟差进行调整，惯导系统进行捷联解算得到惯导系统的位置、速度和姿态信息，并根据接收的数据推算伪距估计值、伪距率估计值，卫惯紧组合钟差修正装置根据接收的数据对惯导系统的位置、速度和姿态信息进行紧组合钟差修正，得到修正后的位置、速度和姿态信息并输出，兼容卫导接收机定位和卫惯紧组合定位，以接收机钟差修正紧组合钟差，有效提高了导航准确性。

Description

卫惯紧组合钟差修正系统和方法
技术领域
本发明涉及组合导航领域，特别是涉及一种卫惯紧组合钟差修正系统和方法。
背景技术
卫导接收机跟踪卫星信号产生伪距和载波相位两个基本距离测量值。伪距的测量和时间密切相关。接收机时钟产生的时间通常与卫导的时间不同步，两者之间的时间差通常称为接收机时钟钟差，在定位过程中，需要估计出钟差值，才能完成系统对外的准确授时。钟差受时钟精度的影响，会随时间发生漂移。当钟差得不到校正时，系统时间不准确，将使得本地复制的信号与接收机接收到的信号不同步，甚至会导致信号失锁。因此，系统需要调整钟差。
传统的紧组合算法中，接收机和紧组合不同时工作，通常完全以紧组合的定位结果代替接收机的定位结果，紧组合配合接收机的钟差的调整难以准确反映系统实时误差情况，影响紧组合的观测，导致导航定位准确性低。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种导航定位准确性高的卫惯紧组合钟差修正系统和方法。
一种卫惯紧组合钟差修正系统，包括卫导接收机、惯导系统和卫惯紧组合钟差修正装置，所述卫导接收机连接所述惯导系统和所述卫惯紧组合钟差修正装置，所述惯导系统连接所述卫惯紧组合钟差修正装置，
所述卫导接收机用于接收卫星信号，并对所述卫星信号进行处理得到卫星与卫导接收机之间的伪距、伪距率、卫星的位置和速度；根据所述伪距和所述伪距率进行PVT解算，得到所述卫导接收机的位置、速度、钟差和钟漂；根据所述钟差和所述钟漂调整当前钟差，得到实际调整钟差，并将所述伪距、所述伪距率和所述实际调整钟差发送至所述卫惯紧组合钟差修正装置，将所述卫星的位置、速度和所述卫导接收机的位置、速度发送至所述惯导系统；
所述惯导系统用于通过捷联解算得到所述惯导系统的位置、速度和姿态信息，并结合接收的所述卫星的位置和速度，推算得到伪距估计值和伪距率估计值，并将所述伪距估计值、所述伪距率估计值和所述惯导系统的位置、速度和姿态信息发送至所述卫惯紧组合钟差修正装置；
所述卫惯紧组合钟差修正装置用于根据接收的所述伪距、所述伪距率、所述实际调整钟差、所述伪距估计值和所述伪距率估计值对所述惯导系统的位置、速度和姿态信息进行紧组合钟差修正，得到所述惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出。
一种卫惯紧组合钟差修正方法，包括以下步骤：
卫导接收机接收卫星信号，并对所述卫星信号进行处理得到卫星与卫导接收机之间的伪距、伪距率、卫星的位置和速度；
所述卫导接收机根据所述伪距和所述伪距率进行PVT解算，得到所述卫导接收机的位置、速度、钟差和钟漂，根据所述钟差和所述钟漂调整当前钟差，得到实际调整钟差；
所述卫导接收机将所述伪距、所述伪距率和所述实际调整钟差发送至所述卫惯紧组合钟差修正装置，将所述卫星的位置、速度和所述卫导接收机的位置、速度发送至所述惯导系统；
所述惯导系统通过捷联解算得到所述惯导系统的位置、速度和姿态信息，并结合接收的所述卫星的位置和速度，推算得到伪距估计值和伪距率估计值；
所述惯导系统将所述伪距估计值、所述伪距率估计值和所述惯导系统的位置、速度和姿态信息发送至所述卫惯紧组合钟差修正装置；
所述卫惯紧组合钟差修正装置根据接收的所述伪距、所述伪距率、所述实际调整钟差、所述伪距估计值和所述伪距率估计值对所述惯导系统的位置、速度和姿态信息进行紧组合钟差修正，得到所述惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出。
上述卫惯紧组合钟差修正系统和方法，兼容卫导接收机定位和卫惯紧组合定位，以接收机钟差修正紧组合钟差，在紧组合实现中接收机实时调整钟差，有效提高了导航准确性。
附图说明
图1为一实施例中紧组合钟差修正系统结构图；
图2为一实施例中紧组合钟差修正方法流程图；
图3为另一实施例中紧组合钟差修正方法流程图。
具体实施方式
在一个实施例中，如图1所示，一种卫惯紧组合钟差修正系统，包括卫导接收机110、惯导系统120和卫惯紧组合钟差修正装置130，卫导接收机110连接惯导系统120和卫惯紧组合钟差修正装置130，惯导系统120连接卫惯紧组合钟差修正装置130，卫导接收机110用于接收卫星信号，并对卫星信号进行处理得到卫星与卫导接收机110之间的伪距、伪距率、卫星的位置和速度；根据伪距和伪距率进行PVT(Position,Velocity,Time即位置、速度和时间)解算，得到卫导接收机110的位置、速度、钟差和钟漂；根据钟差和钟漂调整当前钟差，得到实际调整钟差，并将伪距、伪距率和实际调整钟差发送至卫惯紧组合钟差修正装置130，将卫星的位置、速度和卫导接收机110的位置、速度发送至惯导系统120；惯导系统120用于通过捷联解算得到惯导系统120的位置、速度和姿态信息，并结合接收的卫星的位置和速度，推算得到伪距估计值和伪距率估计值；惯导系统120，将伪距估计值、伪距率估计值和惯导系统120的位置、速度和姿态信息发送至卫惯紧组合钟差修正装置130；卫惯紧组合钟差修正装置130用于根据接收的伪距、伪距率、实际调整钟差、伪距估计值和伪距率估计值对惯导系统120的位置、速度和姿态信息进行紧组合钟差修正，得到惯导系统120修正后的位置、速度和姿态信息并输出。
具体地，卫导接收机110即GPS接收机是接收全球定位系统卫星信号并确定地面空间位置的仪器。GPS卫星发送的导航定位信号，是一种可供无数用户共享的信息资源，对于陆地、海洋和空间的广大用户，只要拥有能够接收、跟踪、变换和测量GPS信号的接收设备即可，即GPS信号接收机。惯导系统是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导系统的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、偏航角和位置等信息；紧组合实现卫星导航和惯性导航在测量域上的组合，即以伪距和伪距率作为系统的测量，以此实现卫惯紧组合(惯性卫星紧组合)定位。紧组合相对松组合，精度更高、抗干扰能力更强，相对于深组合，实现简单，难度小。但由于采用伪距作为观测，紧组合同样需要估计系统钟差并调整。
具体地，卫导接收机110从天线接收到卫星信号，并对卫星信号进行处理得到卫星与卫导接收机110之间的伪距、伪距率，包括以下过程：将卫导射频信号下变频为中频信号，中频频点为预设频率；对卫导中频信号进行捕获、跟踪、位同步、帧同步和电文解调后，计算得到卫星与卫导接收机110之间的伪距和伪距率，具体为：
Figure GDA0002672567040000041
Figure GDA0002672567040000042
其中，ρ(n)、r(n)、δt(n)、I(n)、T(n)、
Figure GDA0002672567040000043
δtu分别为卫星n对应的伪距测量值、与接收机的几何距离、卫星钟差、电离层误差对应的距离测量值、对流层误差对应的距离测量值、伪距测量误差和接收机钟差；
Figure GDA0002672567040000044
分别对应ρ(n)、r(n)、δt(n)、I(n)、T(n)、
Figure GDA0002672567040000045
δtu的导数，即为卫星n对应的伪距率测量值、与接收机的几何距离变化率、卫星钟速、电离层误差对应的距离变化率测量值、对流层误差对应的距离变化率测量值、伪距率测量误差、接收机钟速。
具体地，卫星的位置和速度根据接收的卫星星历解算出来的。
在一个实施例中，卫导接收机110用于接收卫星信号，并对卫星信号进行处理得到伪距、伪距率、卫星的位置和速度之后，根据伪距和伪距率进行PVT解算，得到卫导接收机110的位置、速度、钟差和钟漂之前，包括：卫导接收机用于获取连接的卫星数量，当卫星数量大于或等于预设阈值时，则根据伪距和伪距率进行PVT解算，得到卫星导航接收机的位置、速度、钟差和钟漂；当卫星数量小于预设阈值时，返回接收卫星信号，并对卫星信号进行处理得到伪距、伪距率、卫星的位置和速度。
具体地，以卫星与卫导接收机110之间的伪距和伪距率作为观测量，根据观测量与卫导接收机110的位置、速度、钟差和钟漂之间的关系进行PVT解算，PVT解算，顾名思义，即指用户接收机的位置、速度和时间解算，即当卫星数量大于等于4时，采用(加权)最小二乘方法或者滤波的方法计算得到卫导接收机110的位置、速度、钟差和钟漂，具体公式如下所示，可以将接收机定位结果作为系统结果输出：
Figure GDA0002672567040000051
其中，x＝[x y z]T为未知的接收机位置坐标向量，x(n)＝[x(n) y(n) z(n)]T为卫星n的位置坐标向量，
Figure GDA0002672567040000052
为误差校正后的伪距测量值，式中省去了伪距测量误差量
Figure GDA0002672567040000053
上式两边求导后得到求解速度的方程组，此处不另给出；钟差为δtu，钟漂为速度解算里面的钟速。
根据计算得到的钟差和钟漂，相应地提前或者延迟本地时间，即为调整接收机的当前钟差，得到实际调整钟差，以此生成对应的本地伪卫星信号，完成对卫星信号的持续跟踪。
在一个实施例中，惯导系统120用于通过捷联解算得到惯导系统的位置、速度和姿态信息，并结合接收的卫星的位置和速度推算得到伪距估计值和伪距率估计值，具体为：
伪距估计值＝卫星位置-惯导系统位置
伪距率估计值＝卫星速度-惯导系统速度
具体地，惯导系统120通过捷联解算得到惯导系统120的位置、速度和姿态信息，惯导系统120进行捷联解算即为惯导的机械编排，包含惯导的位置更新、速度更新和姿态更新，即利用陀螺仪输出的角速度和加速度计输出的加速度信息，数值积分(采用诸如四元数法、欧拉角法、方向余弦法等)得到惯导系统120的位置、速度和姿态信息，具体公式如下所示，惯导系统120是安装在载体上的，惯导系统120的位置、速度和姿态信息也可理解成为对载体的定位，也可作为系统结果输出。
a)惯导的姿态更新：
导航坐标系和机体坐标系之间的转换矩阵为
Figure GDA0002672567040000061
设
Figure GDA0002672567040000062
则：
Figure GDA0002672567040000063
θ＝-sin-1(C31)
Figure GDA0002672567040000064
其中，俯仰角θ：(-90，90)，航向角
Figure GDA0002672567040000065
(-180，180)，横滚角γ：(0，360)。
与姿态矩阵对应的姿态微分方程为：
Figure GDA0002672567040000066
其中，
Figure GDA0002672567040000067
为导航坐标系到载体坐标系的坐标转换矩阵，
Figure GDA0002672567040000068
是矩阵求导，
Figure GDA0002672567040000069
为对应姿态角速率
Figure GDA00026725670400000610
构成的反对称矩阵。
姿态角速率为：
Figure GDA00026725670400000611
其中，
Figure GDA00026725670400000612
为角速率陀螺仪的输出，
Figure GDA00026725670400000613
为地球自转角速率，
Figure GDA00026725670400000614
为导航坐标系相对于地球的角速度，可由瞬时速度
Figure GDA00026725670400000615
和位置求得。
b)惯导的速度更新：
惯导的速度更新通过求解惯导速度微分方程得到，如下所示：
Figure GDA0002672567040000071
Figure GDA0002672567040000072
Figure GDA0002672567040000073
其中，Ve、Vn、Vu分别是东北天方向的速度，ωie为地球坐标系相对于惯性坐标系的旋转角速度，fe、fn、fu分别是东北天方向加速度计输出的比力信息，RN为卯酉圈曲率半径，RM为子午圈曲率半径，
Figure GDA0002672567040000074
h为地理高度，g为重力加速度。
c)惯导的位置更新：
解算得到速度之后，位置可由速度积分得到：
Figure GDA0002672567040000075
其中，λ、L、h分别为接收机经度、纬度和高程。
在一个实施例中，卫惯紧组合钟差修正装置130用于根据接收的伪距、伪距率、实际调整钟差、伪距估计值和伪距率估计值对惯导系统120的位置、速度和姿态信息进行紧组合钟差修正，得到惯导系统120修正后的位置、速度和姿态信息并输出，包括：卫惯紧组合钟差修正装置130用于根据伪距、伪距率、实际调整钟差、伪距估计值和伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到惯导系统的误差；卫惯紧组合钟差修正装置130用于根据惯导系统的误差对惯导系统的位置、速度和姿态信息进行修正，得到惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出。
具体地，在卫惯组合导航部分，采用卡尔曼滤波算法，包括时间更新过程和观测更新过程。时间更新过程包括状态量和均方误差的一步预测，观测更新过程包括状态估计和均方误差的估计，具体为：
a)系统状态一步预测方程
Figure GDA0002672567040000081
式中，
Figure GDA0002672567040000082
是状态Xk-1卡尔曼滤波估计值，它是利用tk-1时刻和以前时刻的观测值计算得到，
Figure GDA0002672567040000083
是利用
Figure GDA0002672567040000084
计算得到的对Xk的一步预测，也可认为是利用tk-1时刻以及以前时刻的观测值对tk时刻的一步预测，Φk,k-1为状态转移矩阵。
b)系统状态估计方程
Figure GDA0002672567040000085
上式是在一步预测基础上，根据观测值计算出来的，
Figure GDA0002672567040000086
可称为新息过程，Zk为观测向量，Hk为观测转移矩阵。
c)滤波增益方程
Figure GDA0002672567040000087
其中，Kk卡尔曼滤波算法迭代过程中的增益矩阵，Rk观测噪声的误差协方差阵，Kk选取的标准是使被估计量的均方误差阵最小。Rk大则Kk小，被估计量对观测值依赖程度小，Rk小则Kk大，被估计量对观测值依赖程度大。
d)一步预测均方误差方程
Figure GDA0002672567040000088
Γk-1为系统噪声矩阵，在求滤波增益阵之前，必须先求出一步预测均方误差。一步预测均方误差阵Pk/k-1是在均方误差阵Pk-1的基础上考虑系统噪声方差阵Qk-1的影响得到的。
e)估计均方误差方程
Figure GDA0002672567040000089
具体地，本方案中紧组合滤波采用的就是卡尔曼滤波，就是说用卡尔曼滤波实现的紧组合滤波，这里紧组合滤波指的是卡尔曼滤波的最优估计，其中卡尔曼滤波分5步：一步预测、一步协方差预测、增益矩阵、最优估计和最优误差协方差估计。
在实现过程中，根据惯导的误差传播模型以及钟差钟漂的动态模型建立系统的状态方程，钟差钟漂的动态模型通常可采用随机游走模型或者一阶马尔科夫模型，根据观测量和状态量之间的关系建立观测方程，具体如下：
a)紧组合状态方程
状态量选取为
Figure GDA0002672567040000091
其中，下标e、n、u表示东、北、天三个轴向，φe、φn、φu为东向、北向、天向的平台误差角，Δλ、ΔL、Δh为经度、纬度和高度的位置误差，ΔVe、ΔVn、ΔVu为东向、北向和天向的速度误差，δtu和δtru为GPS接收机的时钟的钟差和钟速。
状态量为惯导误差参数，状态方程选取为惯导的误差传播方程：
Figure GDA0002672567040000092
其中，XI为状态向量，AI阵为状态转移矩阵，GI为噪声驱动矩阵，WI为系统驱动噪声，各参数可由惯导误差传播方程以及接收机钟差模型得到。
b)紧组合观测方程
紧组合观测方程包含伪距误差观测和伪距率误差观测。紧组合提供接收机测得的伪距ρGj、伪距率
Figure GDA0002672567040000093
以及惯导计算得到的伪距估计值ρIj和伪距率估计值
Figure GDA0002672567040000094
两者所得到的伪距之差ρGj-ρIj和伪距率之差
Figure GDA0002672567040000095
作为紧组合系统的伪距、伪距率观测量。
伪距误差的观测方程为：
Zρ(t)＝Hρ(t)X(t)+Vρ(t)
式中：
Zρ(t)＝δρj＝ρGj-ρIj
Hρ(t)＝[0j×3 aj1 aj2 0j×2 aj3 0 Hρ1]j×11
Figure GDA0002672567040000101
aj1＝-(RN+h)[ej1cos L sinλ-ej2 cos L cosλ]
aj2＝(RN+h)[-ej1 sin L cosλ-ej2 sin L sinλ]+[RN(1-e2)+h]ej3 cos L
aj3＝ej1 cos L cosλ+ej2 cos L sinλ+ej3 sin L
Figure GDA0002672567040000102
Figure GDA0002672567040000103
Figure GDA0002672567040000104
其中，Zρ(t)为伪距误差观测量，ρGj、ρIj分别为第j颗卫星对应的接收机测量的伪距和惯导推算的伪距估计值，Hρ(t)为伪距误差观测矩阵，(xI yI zI)T为惯导测得的位置，由卫星星历确定的第j颗卫星位置为(xsj ysj zsj)T，
Figure GDA0002672567040000105
为对x求偏导，e为椭圆的偏心率，其中，
Figure GDA0002672567040000106
a是基准椭球体的长半径，b是基准椭球体的短半径，rj为接收机到卫星的几何距离。
伪距率误差观测方程为：
Figure GDA0002672567040000107
式中：
Figure GDA0002672567040000108
Figure GDA0002672567040000109
Figure GDA00026725670400001010
bj1＝-ej1 cosλsin L-ej2 sin L sinλ+ej3 cos L
bj2＝-ej1 sinλ+ej2 cosλ
bj3＝ej1 cos L cosλ+ej2 cos L sinλ+ej3 sin L
其中，
Figure GDA0002672567040000114
为伪距率误差观测量，
Figure GDA0002672567040000111
分别为第j颗卫星对应的接收机测量的伪距率和惯导推算的伪距率估计值，
Figure GDA0002672567040000112
为伪距率误差观测矩阵,X(t)为系统状态向量，Vp(t)为观测噪声向量。
将伪距量测方程式与伪距率量测方程式，合并成组合导航系统的量测方程，观测量则由伪距差与伪距率差组成，形成多维观测矢量，组合系统的量测方程可以表达为：
Figure GDA0002672567040000113
根据以上观测方程，进行紧组合滤波，估计状态量。
通常，惯导的解算频率较卫导PVT解算频率高，在滤波过程中采用卫导PVT解算周期作为系统滤波估计周期，惯导解算周期作为系统滤波预测周期。在每一历元以卫导接收机110跟踪得到的卫星和卫导接收机110间的伪距、伪距率，与惯导推算的伪距估计值、伪距率估计值作差，作为紧组合滤波的观测量，具体地，紧组合滤波结束后，估计得到惯导的误差，包括位置误差、速度误差、姿态误差，最后反馈修正，得到惯导系统120最终的位置、速度和姿态。
在一个实施例中，卫惯紧组合钟差修正装置130用于根据伪距、伪距率、实际调整钟差、伪距估计值和伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到惯导系统的误差，包括：卫惯紧组合钟差修正装置130用于获取钟差模型预测的当前时刻钟差；卫惯紧组合钟差修正装置130用于根据钟差模型预测的当前时刻钟差和实际调整钟差计算当前时刻钟差预测值；卫惯紧组合钟差修正装置130用于根据当前时刻钟差预测值、伪距、伪距率、伪距估计值和伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到惯导系统的误差。
具体地，紧组合滤波过程即为紧组合状态方程和量测方程，通过卡尔曼滤波的5个步骤迭代出来的。在滤波过程中，由于卫导接收机110本身存在的钟差模型，紧组合又对钟差进行了建模，两者模型对各自的实现均是完备的。但一起使用时将存在冲突，在基于接收机进行PVT解算的基础上，接收机利用其本身估计的钟差进行了本地时间的调整，致使紧组合的钟差估计实际未能完全按照模型描述的变化规律得到，而需要在每个历元对紧组合的钟差进行重置，即以紧组合根据钟差钟漂模型(如随机游走模型或者一阶马尔科夫模型)预测得到当前时刻的钟差，减去上一历元接收机实际调整的钟差量，才得到紧组合当前时刻的钟差预测值。此时，惯导推算的卫星和载体之间的距离再加上对流层误差、电离层误差和钟差预测值，其与接收机跟踪得到的伪距所表征的物理含义才一致，两者相减得到的伪距差才适合作为卡尔曼滤波的观测量。因系统对钟漂没有调整，钟漂按晶振属性进行变化，接收机估计的钟漂和紧组合估计的钟漂不存在冲突，因此，紧组合的钟漂估计值不需要重置。
具体地，紧组合的钟差模型包括紧组合的钟差等效距离误差和钟漂等效速度误差的动态模型，在本方案中，紧组合的钟差等效距离误差和钟漂等效速度误差的动态模型如下所示：
Figure GDA0002672567040000121
Figure GDA0002672567040000122
其中，δtru＝ctr，tr是接收机钟漂，c是光速，
Figure GDA0002672567040000123
是接收机钟差等效距离误差的驱动白噪声，
Figure GDA0002672567040000124
为接收机钟漂等效速度误差的驱动白噪声。
上述紧组合的钟差模型，实质与卫导接收机110钟差模型基本一致。在本实施例中还采用此钟差模型，目的是兼容接收机定位和紧组合定位，既保留了紧组合的优势，又可以保留原有接收机功能和性能，利用接收机每个历元调整的钟差对紧组合的钟差进行重置，即对紧组合钟差模型初始状态的修正。
在一个实施例中，惯导系统120用于通过捷联解算得到惯导系统的位置、速度和姿态信息，并结合接收的卫星的位置和速度，推算得到伪距估计值和伪距率估计值之前，还包括：惯导系统120用于根据接收的卫导接收机110的位置和速度对惯导系统进行初始设置和初始对准。
具体地，通常根据不同应用场景选择对准方法和对准是否完成的判断准则，在本实施例中采用动态对准的方法(在车载环境下)，即当卫导持续定位，载体运动速度超过预设阀值后，利用卫导输出的速度计算载体运动航向，有效提高准确性，初始对准姿态由下式近似给出：
γ＝0
θ＝0
Figure GDA0002672567040000131
其中，γ、θ、
Figure GDA0002672567040000132
分别表示横滚角、俯仰角和航向角，vN、vE分别为北东地坐标系下的北向和东向速度。
上述卫惯紧组合钟差修正系统，兼容卫导接收机110定位和卫惯紧组合定位，系统输出结果既可以用紧组合结果，亦可以用接收机结果，以接收机钟差修正紧组合钟差，在紧组合实现中接收机实时调整钟差并修正模型，可降低对接收机晶振精度的要求，在每一历元对紧组合钟差进行校正，有效提高了导航准确性，且紧组合导航系统支持实时导航数据处理和数据后处理，拓展了导航系统的应用场景。
在一个实施例中，如图2所示，一种卫惯紧组合钟差修正方法，包括以下步骤：
步骤S110：卫导接收机接收卫星信号，并对卫星信号进行处理得到卫星与卫导接收机之间的伪距、伪距率、卫星的位置和速度。
步骤S120：卫导接收机根据伪距和伪距率进行PVT解算，得到卫导接收机的位置、速度、钟差和钟漂，根据钟差和钟漂调整当前钟差，得到实际调整钟差。在本实施例中，在步骤S110之后，步骤S120之前，还包括：获取连接的卫星数量，当卫星数量大于或等于预设阈值时，则返回步骤S120；当卫星数量小于预设阈值时，则返回步骤S110。
步骤S130：卫导接收机将伪距、伪距率和实际调整钟差发送至卫惯紧组合钟差修正装置，将卫星的位置、速度和卫导接收机的位置、速度发送至惯导系统。
步骤S140：惯导系统通过捷联解算得到惯导系统的位置、速度和姿态信息，并结合接收的卫星的位置和速度，推算得到伪距估计值和伪距率估计值。在本实施例中，步骤S140之前包括：惯导系统根据接收的卫导接收机的位置和速度对惯导系统进行初始设置和初始对准。
步骤S150：惯导系统将伪距估计值、伪距率估计值和惯导系统的位置、速度和姿态信息发送至卫惯紧组合钟差修正装置。
步骤S160：卫惯紧组合钟差修正装置根据接收的伪距、伪距率、实际调整钟差、伪距估计值和伪距率估计值对惯导系统的位置、速度和姿态信息进行紧组合钟差修正，得到惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出。在本实施例中，步骤S160包括步骤162和步骤164。
步骤162：根据伪距、伪距率、实际调整钟差、伪距估计值和伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到惯导系统的误差。在本实施例中，步骤162包括步骤1622至步骤1626。
步骤1622：获取钟差模型预测的当前时刻钟差。
步骤1624：根据钟差模型预测的当前时刻钟差和实际调整钟差计算当前时刻钟差预测值。
步骤1626：根据当前时刻钟差预测值伪距、伪距率、伪距估计值和伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到惯导系统的误差。
步骤164：根据惯导系统的误差对惯导系统的位置、速度和姿态信息进行修正，得到惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出。
在一个较为详细的实施例中，如图3所示，卫导接收机接收卫星信号，并对接收的卫星信号进行处理，计算得到卫星的伪距和伪距率；卫星的伪距和伪距率作为观测量，根据观测量与接收机的位置、速度、钟差和钟漂之间的关系进行PVT解算，即当卫星数大于等于4时，采用(加权)最小二乘方法或者滤波的方法计算得到卫导接收机的位置、速度、钟差和钟漂；根据计算得到的钟差和钟漂，相应地提前或者延迟本地时间，即为调整接收机的钟差，以此生成对应的本地伪卫星信号，完成对卫星信号的持续跟踪；判断惯导系统是否对准，若已经对准，则直接进行捷联解算，若没有对准，则以卫导接收机的位置、速度对惯导系统进行初始设置，然后惯导系统进行初始对准和捷联解算，计算得到载体的位置、速度和姿态信息；在组合导航部分，采用卡尔曼滤波算法，在实现过程中，根据惯导的误差传播模型以及钟差钟漂的动态模型建立系统的状态方程，钟差钟漂的动态模型通常可采用随机游走模型或者一阶马尔科夫模型；根据观测量和状态量之间的关系建立观测方程。通常，惯导的解算频率较卫导PVT解算频率高，在滤波过程中采用卫导PVT解算周期作为系统滤波估计周期，惯导解算周期作为系统滤波预测周期。在每一历元以卫导接收机跟踪得到的卫星和卫导接收机间的伪距、伪距率，与惯导推算的伪距估计值、伪距率估计值作差，作为紧组合滤波的观测量，以紧组合根据钟差钟漂模型(如随机游走模型或者一阶马尔科夫模型)预测得到当前时刻的钟差，减去上一历元卫导接收机实际调整的钟差量，才得到紧组合当前时刻的钟差预测值。此时，惯导推算的卫星和卫导接收机之间的距离再加上对流层误差、电离层误差和钟差预测值，其与卫导接收机跟踪得到的伪距所表征的物理含义才一致，两者相减得到的伪距差才适合作为卡尔曼滤波的观测量；紧组合滤波结束后，估计得到惯导的误差，包括位置误差、速度误差和姿态误差，并反馈修正惯导的位置、速度和姿态并输出，因惯导是安装在载体上，固惯导最后的位置、速度和姿态和载体的最终的位置、速度和姿态的值是一致的。
上述卫惯紧组合钟差修正方法，兼容卫导接收机定位和卫惯紧组合定位，输出结果既可以用紧组合结果，亦可以用接收机结果，以接收机钟差修正紧组合钟差，在紧组合实现中接收机实时调整钟差并修正模型，可降低对接收机晶振精度的要求，在每一历元对紧组合钟差进行校正，有效提高了导航准确性，且支持实时导航数据处理和数据后处理，拓展了导航系统的应用场景。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种卫惯紧组合钟差修正系统，其特征在于，包括卫导接收机、惯导系统和卫惯紧组合钟差修正装置，所述卫导接收机连接所述惯导系统和所述卫惯紧组合钟差修正装置，所述惯导系统连接所述卫惯紧组合钟差修正装置，
所述卫导接收机用于接收卫星信号，并对所述卫星信号进行处理得到卫星与卫导接收机之间的伪距、伪距率、卫星的位置和速度；根据所述伪距和所述伪距率进行PVT解算，得到所述卫导接收机的位置、速度、钟差和钟漂；根据所述钟差和所述钟漂调整当前钟差，得到实际调整钟差，并将所述伪距、所述伪距率和所述实际调整钟差发送至所述卫惯紧组合钟差修正装置；将所述卫星的位置、速度和所述卫导接收机的位置、速度发送至所述惯导系统；
所述惯导系统用于通过捷联解算得到所述惯导系统的位置、速度和姿态信息，并结合接收的所述卫星的位置和速度，推算得到伪距估计值和伪距率估计值，并将所述伪距估计值、所述伪距率估计值和所述惯导系统的位置、速度和姿态信息发送至所述卫惯紧组合钟差修正装置；
所述卫惯紧组合钟差修正装置用于根据接收的所述伪距、所述伪距率、所述实际调整钟差、所述伪距估计值和所述伪距率估计值对所述惯导系统的位置、速度和姿态信息进行紧组合钟差修正，得到所述惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出。
2.根据权利要求1所述的卫惯紧组合钟差修正系统，其特征在于，所述卫惯紧组合钟差修正装置用于根据接收的所述伪距、所述伪距率、所述实际调整钟差、所述伪距估计值和所述伪距率估计值对所述惯导系统的位置、速度和姿态信息进行紧组合钟差修正，得到所述惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出，包括：
所述卫惯紧组合钟差修正装置用于根据所述伪距、所述伪距率、所述实际调整钟差、所述伪距估计值和所述伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到所述惯导系统的误差；
所述卫惯紧组合钟差修正装置用于根据所述惯导系统的误差对所述惯导系统的位置、速度和姿态信息进行修正，得到所述惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出。
3.根据权利要求2所述的卫惯紧组合钟差修正系统，其特征在于，所述卫惯紧组合钟差修正装置用于根据所述伪距、所述伪距率、所述实际调整钟差、所述伪距估计值和所述伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到所述惯导系统的误差，包括：
所述卫惯紧组合钟差修正装置用于获取钟差模型预测的当前时刻钟差；
所述卫惯紧组合钟差修正装置用于根据所述钟差模型预测的当前时刻钟差和所述实际调整钟差计算当前时刻钟差预测值；
所述卫惯紧组合钟差修正装置用于根据所述当前时刻钟差预测值、所述伪距、伪距率、所述伪距估计值和所述伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到所述惯导系统的误差。
4.根据权利要求1所述的卫惯紧组合钟差修正系统，其特征在于，所述卫导接收机用于接收卫星信号，并对所述卫星信号进行处理得到伪距、伪距率、卫星的位置和速度之后，根据所述伪距和所述伪距率进行PVT解算，得到所述卫导接收机的位置、速度、钟差和钟漂之前，包括：
所述卫导接收机用于获取连接的卫星数量，当所述卫星数量大于或等于预设阈值时，则根据所述伪距和所述伪距率进行PVT解算，得到所述卫星导航接收机的位置、速度、钟差和钟漂；
当所述卫星数量小于预设阈值时，返回接收卫星信号，并对所述卫星信号进行处理得到伪距、伪距率、卫星的位置和速度。
5.根据权利要求1所述的卫惯紧组合钟差修正系统，其特征在于，所述惯导系统用于通过捷联解算得到所述惯导系统的位置、速度和姿态信息，并结合接收的所述卫星的位置和速度，推算得到伪距估计值和伪距率估计值之前，还包括：
所述惯导系统用于根据接收的所述卫导接收机的位置和速度对所述惯导系统进行初始设置和初始对准。
6.一种卫惯紧组合钟差修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
卫导接收机接收卫星信号，并对所述卫星信号进行处理得到卫星与卫导接收机之间的伪距、伪距率、卫星的位置和速度；
所述卫导接收机根据所述伪距和所述伪距率进行PVT解算，得到所述卫导接收机的位置、速度、钟差和钟漂，根据所述钟差和所述钟漂调整当前钟差，得到实际调整钟差；
所述卫导接收机将所述伪距、所述伪距率和所述实际调整钟差发送至卫惯紧组合钟差修正装置，将所述卫星的位置、速度和所述卫导接收机的位置、速度发送至惯导系统；
所述惯导系统通过捷联解算得到所述惯导系统的位置、速度和姿态信息，并结合接收的所述卫星的位置和速度，推算得到伪距估计值和伪距率估计值；
所述惯导系统将所述伪距估计值、所述伪距率估计值和所述惯导系统的位置、速度和姿态信息发送至所述卫惯紧组合钟差修正装置；
所述卫惯紧组合钟差修正装置根据接收的所述伪距、所述伪距率、所述实际调整钟差、所述伪距估计值和所述伪距率估计值对所述惯导系统的位置、速度和姿态信息进行紧组合钟差修正，得到所述惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出。
7.根据权利要求6所述的卫惯紧组合钟差修正方法，其特征在于，所述卫惯紧组合钟差修正装置根据接收的所述伪距、所述伪距率、所述实际调整钟差、所述伪距估计值和所述伪距率估计值对所述惯导系统的位置、速度和姿态信息进行紧组合钟差修正，得到所述惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出，包括：
根据所述伪距、所述伪距率、所述实际调整钟差、所述伪距估计值和所述伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到所述惯导系统的误差；
根据所述惯导系统的误差对所述惯导系统的位置、速度和姿态信息进行修正，得到所述惯导系统修正后的位置、速度和姿态信息并输出。
8.根据权利要求7所述的卫惯紧组合钟差修正方法，其特征在于，所述卫惯紧组合钟差修正装置根据所述伪距、所述伪距率、所述实际调整钟差、所述伪距估计值和所述伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到所述惯导系统的误差的步骤，包括：
获取钟差模型预测的当前时刻钟差；
根据所述钟差模型预测的当前时刻钟差和所述实际调整钟差计算当前时刻钟差预测值；
根据所述当前时刻钟差预测值、所述伪距、伪距率、所述伪距估计值和所述伪距率估计值进行紧组合滤波，计算得到所述惯导系统的误差。
9.根据权利要求6所述的卫惯紧组合钟差修正方法，其特征在于，所述卫导接收机接收卫星信号，并对所述卫星信号进行处理得到伪距和伪距率之后，根据所述伪距和所述伪距率进行PVT解算，得到所述卫导接收机的位置、速度、钟差和钟漂之前，包括：
获取连接的卫星数量，当所述卫星数量大于或等于预设阈值时，则进行根据所述伪距和所述伪距率进行PVT解算，得到所述卫星导航接收机的位置、速度、钟差和钟漂的步骤；
当所述卫星数量小于预设阈值时，则返回接收卫星信号，并对所述卫星信号进行处理得到伪距和伪距率的步骤。
10.根据权利要求6所述的卫惯紧组合钟差修正方法，其特征在于，所述惯导系统通过捷联解算得到所述惯导系统的位置、速度和姿态信息，并结合接收的所述卫星的位置和速度，推算得到伪距估计值和伪距率估计值之前，还包括：
所述惯导系统根据接收的所述卫导接收机的位置和速度对所述惯导系统进行初始设置和初始对准。
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