一种基于低轨卫星信号辅助的GNSS/LEO/MIMU观测失锁桥接及分级重收敛方法

本发明属于卫星导航与组合导航，具体涉及一种基于低轨卫星辅助信息的gnss/leo/mimu观测失锁桥接及分级重收敛方法，适用于城市峡谷、复杂遮挡以及gnss观测退化环境下的连续定位。

背景技术：

1、gnss具有全天候、高精度定位能力，是卫星导航与组合导航系统的重要信息来源，但在城市峡谷、密集建筑及复杂电磁环境下易受遮挡、干扰和多路径影响，导致观测数量减少甚至短时失锁，使gnss/leo/mimu组合导航精度下降。现有技术存在以下不足：1.观测选择只考虑可靠性，不考虑信息贡献；2.失锁期间缺少leo辅助状态管理；3.恢复阶段容易产生状态突变。

2、leo具有轨道低、信号强、可提供额外观测约束等特点，可作为gnss失锁时的辅助信息来源，但现有方法多为简单融合，缺少针对“gnss失锁—leo辅助桥接—恢复重收敛”全过程的统一状态管理方法；部分方法虽引入失锁期间的状态冻结思想，但未明确冻结策略的适用时长边界。此外，gnss恢复后若直接重新开启全部状态估计，可能因冻结状态先验协方差未充分膨胀而引起滤波震荡甚至发散。然而，在复杂环境下gnss信号可能出现连续遮挡或短时失锁，此时传统gnss/ins融合方法通常依赖惯性传播维持导航状态，但由于惯性器件误差随时间累积，长时间失锁会导致定位误差快速增长。同时，若在外部观测恢复后直接进行全状态滤波更新，弱可观测状态可能受到异常观测影响，导致状态估计产生较大波动。因此，需要一种能够利用低轨卫星辅助观测维持失锁期间状态约束，并在观测恢复后实现稳定渐进重收敛的方法。

技术实现思路

1、发明目的：针对上述问题，本发明提供一种基于低轨卫星信号辅助的gnss/leo/mimu观测失锁桥接及分级重收敛方法及系统。本发明通过构建信息增益、遮挡可靠性和预测一致性的联合观测评价模型，实现候选观测筛选及权重调整；通过外层运行模式判别机制，实现正常模式、退化模式、桥接模式和纯惯性传播模式之间的切换；在桥接模式下采用schmidt子状态冻结策略，仅更新可可靠估计的活动状态；在观测恢复后，通过协方差膨胀及统计一致性判据驱动冻结状态逐级恢复更新。

2、技术方案：本发明采用如下技术方案，包括以下步骤。

3、(1)获取gnss观测数据、leo辅助观测数据以及mimu惯性测量数据，建立gnss/leo/mimu紧组合导航误差状态模型，并利用误差状态扩展卡尔曼滤波进行状态预测。系统误差状态表示为：

4、；

5、其中，分别表示位置误差、速度误差和姿态误差；分别为陀螺仪零偏及加速度计零偏；分别为接收机钟差及钟漂；为gnss与leo系统间偏差；为残余对流层湿延迟；

6、(2)针对gnss及leo候选观测，建立信息增益、遮挡可靠性及预测一致性三方面联合评价模型，用于在gnss观测退化或失锁情况下选择有效外部约束信息，实现观测的硬筛选与软降权，而不改变底层紧组合滤波结构。该评价机制对gnss与leo观测采用统一评价框架，但在桥接模式下主要用于筛选和调整参与更新的leo辅助观测。基于经参考尺度矩阵无量纲化处理后的关键误差子状态协方差，对于第i个候选观测，信息增益及其归一化形式为：

7、；

8、其中，为加入该观测前关键误差子状态的协方差， 表示假设加入第i条候选观测后，根据单观测量测更新计算得到的关键误差子状态后验协方差。为观测维数；为该观测视线仰角与方位角，为街谷遮挡边界模型给出的临界仰角；为该观测新息向量及新息协方差，为一致性门限。据此构造联合评价指标并执行硬筛选与软降权：

9、 ；

10、当，或，或时，将该候选观测从有效观测集合中剔除；为原始观测噪声协方差，分别为联合评分及遮挡可靠性阈值。

11、(3)设当前历元有效观测集合为，其数量为，机会性leo观测数量记为；设对应假设更新后关键误差子状态协方差，更新前，定义关键误差子状态整体信息增益（与步骤2单观测信息增益同一构造形式，区别在于此处针对整个作一次假设性联合更新）：

12、（为空集时）；

13、=正常/退化/桥接/纯惯性传播，依次对应；

14、①且；

15、②；

16、③当前gnss观测失锁或有效gnss观测不足，且；

17、④否则

18、对应更新策略：正常模式全状态鲁棒更新；退化模式仍全状态更新，但因步骤2评分降权已在前端完成，更新强度自然减弱，无需额外机制；桥接模式进入下文schmidt冻结更新；纯惯性传播模式仅状态传播。桥接模式仅适用于不超过的短时场景：当超过，或时，系统退出桥接、转入纯惯性传播模式，待恢复后进入下文内层恢复状态机。在桥接模式下，当gnss有效观测数量不足时，通过机会性leo辅助观测为组合导航系统提供额外外部约束，以降低纯惯性传播导致的误差累积。

19、为避免模式在阈值附近抖动，采用降级快速、升级缓切的迟滞切换策略：高等级向低等级退化立即切换；低等级向高等级恢复需目标条件连续满足预设历元数后方可升级。

20、(4)桥接模式下，以步骤2筛选后保留的有效观测（包括机会性leo观测及可能残余的有效gnss观测）为输入，将误差状态划分为活动状态和冻结状态：

21、 ；

22、观测矩阵及先验协方差表示为：

23、 ；

24、桥接模式下的新息协方差为：

25、 ；

26、活动状态schmidt增益为：

27、 ；

28、状态更新为：

29、 ；

30、其中，为桥接模式下实际参与更新的观测残差向量，其来源包括机会性leo观测及可能残余的有效gnss观测。由于冻结状态在失锁期间未参与量测反馈更新，其估计不确定性会随时间增加，因此在恢复阶段通过调整冻结状态协方差，使恢复后的观测更新能够充分反映失锁期间累积的不确定性。

31、协方差采用schmidt形式分块更新：

32、idt分块形式更新：

33、 ；

34、通过上述方式，冻结状态不参与当前量测反馈更新，但其与活动状态之间的统计相关性仍通过交叉协方差保留。

35、(5)当外部观测恢复后，系统启动独立于外层运行模式判别的恢复状态机。恢复阶段首先根据恢复前连续失锁时间，对冻结状态不确定性进行调整。定义冻结状态协方差膨胀因子：

36、；

37、膨胀后的先验协方差为：

38、；

39、其中，为膨胀系数，为膨胀上限，分别表示活动状态和冻结状态对应维数的单位矩阵。

40、随后，根据恢复阶段观测统计特性，采用滑动窗口平均归一化新息平方（anis）作为状态释放判据：

41、 ；

42、其中，为恢复判定滑动窗口长度，分别为第j个有效更新历元的观测残差向量、新息协方差及观测维数；根据观测数量、整体信息增益以及anis统计一致性，按照由易到难顺序逐级恢复冻结状态。在此基础上将重收敛过程划分为三个依次执行的阶段：

43、阶段i

44、开放更新状态：

45、进入条件：外部观测重新可用且

46、该阶段主要恢复位置、速度以及接收机时间相关状态。

47、阶段ii

48、开放更新状态：

49、进入条件：

50、连续满足预设历元数。

51、阶段iii

52、开放更新状态：

53、进入条件：

54、连续满足预设历元数。

55、完成阶段iii后，系统恢复全部状态更新能力。若恢复过程中外部观测再次恶化，或anis指标偏离对应范围，则终止当前恢复阶段，并重新进入运行模式判别。由于不同状态的可观测程度和收敛速度不同，本方法按照状态恢复难度由低到高进行逐级开放更新。位置、速度及时间相关状态能够直接受到外部观测约束，因此优先恢复；姿态误差和惯性器件偏置受系统动态误差影响较大，因此后续恢复；慢变参数具有更强耦合性，最后进行恢复。

56、有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

57、（1）本发明针对gnss/leo候选观测建立信息增益、遮挡可靠性以及预测一致性的联合评价模型，实现观测硬筛选与软降权，提高复杂环境下观测利用合理性。

58、（2）本发明建立基于有效观测数量、信息增益以及失锁时间的多模式运行判别机制，并设置桥接模式最大持续时间约束，避免冻结状态长期维持。

59、（3）本发明在gnss短时失锁条件下采用schmidt子状态冻结策略，仅对可可靠估计的活动状态进行量测反馈，降低弱可观测状态受到异常观测影响的风险。

60、（4）本发明在观测恢复阶段，根据失锁时间构造冻结状态协方差膨胀机制，并结合anis统计一致性指标逐级释放冻结状态，提高恢复过程稳定性。

61、（5）本发明通过外层运行模式判别与内层恢复状态机相结合，实现gnss失锁、leo辅助桥接以及恢复重收敛全过程的统一状态管理。