一种面向GNSS重捕获的车载组合导航可信接入方法及系统

本发明属于车载组合导航，具体涉及一种面向gnss重捕获的车载组合导航可信接入方法及系统。

背景技术：

1、车载组合导航系统通常由卫星导航系统、惯性导航系统以及辅助传感器共同构成，用于在车辆行驶过程中连续输出位置、速度、姿态等导航状态信息。其中，卫星导航系统能够提供具有绝对参考意义的位置和速度观测，惯性导航系统能够依靠惯性测量单元输出的加速度和角速度进行短时间连续递推，辅助传感器则可提供高度、轮速或车辆运动约束等补充信息。通过多源信息融合，车载组合导航系统能够在一定程度上兼顾绝对定位精度和导航连续性，因此被广泛应用于智能车辆、自动驾驶、车载测绘、道路巡检以及复杂道路环境下的车辆定位场景。

2、在车辆实际运行过程中，gnss由中断状态转变为重新输出观测数据时，接收机虽然已经重新捕获卫星信号，但初始恢复阶段的观测状态并不一定立即稳定。尤其在隧道出口、高架桥下、城市峡谷及密集建筑物附近，重新获得的gnss观测可能仍受到多路径传播、非视距误差、卫星几何变化及接收机重新锁定过程的影响。因此，gnss重新输出观测数据与gnss观测数据能够可信参与组合导航更新属于两个不同问题。

3、现有组合导航系统通常根据当前历元的观测残差、卫星数量、载噪比或卫星几何精度因子判断gnss观测是否可用。该类方法主要针对单个历元进行质量判断，未充分利用gnss重捕获后多个连续候选历元之间的变化关系。当某个候选历元暂时满足预设阈值，但后续候选历元仍存在明显波动时，单历元判断可能导致不稳定的gnss观测过早参与组合导航更新。

4、此外，现有技术通常将固定残差阈值直接作用于位置、速度等不同量纲的状态分量，或者仅根据当前状态与gnss候选状态之间的差值判断候选状态是否可信。该类判断方式难以同时反映当前安全状态、预测状态及gnss候选状态各自的不确定性。当gnss中断持续时间不同、惯性递推误差水平不同或者gnss观测精度发生变化时，采用固定状态差值进行判断可能无法形成一致的可信性评价结果。

5、部分现有方法利用gnss中断期间的惯性递推结果、辅助传感器信息或者神经网络预测结果，对gnss恢复后的候选状态进行比较。但是，如果当前gnss候选状态同时参与参考状态的生成和候选状态的一致性检验，可能使参考状态与被检验状态之间产生信息耦合，降低一致性判断的独立性。因此，用于检验gnss重捕获候选状态的桥接预测状态，需要由gnss中断期间已经形成的历史信息独立生成。

6、现有技术对gnss重捕获状态的处理通常采用直接接收、直接拒绝或者调整观测权重的方式。当判断结果在阈值附近波动时，gnss观测可能在接入和退出之间频繁切换。部分方法虽然能够暂时拒绝异常观测，但缺少证据恶化时的状态回退机制、检测到危险候选状态后的隔离机制以及隔离结束后的重新观察过程。

7、同时，在gnss候选状态初步满足接入条件但可信性尚未得到充分确认时，如果将完整的状态差值一次性注入组合导航系统，仍可能造成导航状态突变。现有技术缺少根据gnss中断持续时间和桥接预测不确定度确定状态增量上限，对gnss重捕获候选状态的单次注入增量进行约束的机制。

8、因此，现有gnss重捕获处理方法存在以下不足：较多依赖单历元观测信息，缺少对多个连续候选历元的时序证据积累；不同状态的不确定性未被充分引入候选状态偏差评价；桥接预测参考与当前gnss候选状态之间可能存在信息耦合；接入判断缺少具有滞回、回退、隔离和冷却功能的状态控制过程；在候选状态尚未完全可信时，缺少对其状态注入增量的风险约束。上述问题可能影响gnss重捕获阶段组合导航状态更新的连续性和安全性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于解决gnss重捕获初期候选观测质量不稳定、单历元判断容易引起准入状态反复切换以及异常候选观测可能直接影响组合导航输出的问题，提供一种面向gnss重捕获事件的时序证据驱动车载组合导航可信接入方法。该方法将gnss已经重新输出候选观测与候选观测能够安全进入组合导航主融合链作为两个不同问题处理，通过与候选观测解耦的桥接预测、跨历元证据累积、具有滞回和回退能力的准入状态机以及软接入状态下的受限注入，实现gnss重捕获候选状态的分阶段可信接入。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种面向gnss重捕获的车载组合导航可信接入方法，包括以下步骤：

3、s1：获取车辆组合导航系统的多源数据，基于所述多源数据识别gnss重捕获事件并建立包含若干候选历元的重捕获事件窗口；所述重捕获事件窗口包括：候选历元的gnss重捕获候选状态、gnss观测质量信息、gnss中断持续时间、桥接预测状态以及桥接预测协方差矩阵；

4、s2：基于所述重捕获事件窗口得到所述gnss重捕获候选状态相对于当前安全状态的第一白化偏差、相对于所述桥接预测状态的第二白化偏差以及变化方向一致性评价量和车辆运动可达性指标；

5、s3：基于归一化载噪比、归一化可用卫星数和归一化卫星几何精度因子生成gnss观测质量指标，并根据所述gnss观测质量指标、所述第一白化偏差、所述第二白化偏差、所述变化方向一致性评价量以及所述车辆运动可达性指标得到单历元准入证据；

6、s4：基于所述单历元准入证据得到候选历元的时序准入证据，并基于所述时序准入证据控制gnss重捕获准入状态机；

7、s5：基于所述准入状态机的接入状态输出安全导航状态；所述安全导航状态用于车辆定位、路径跟踪、车辆控制以及后续组合导航状态递推。

8、进一步优选地，所述重捕获事件窗口包括：

9、；

10、式中，

xr,k表示第

k个重捕获候选状态；

qk表示归一化gnss观测质量；

tout表示固定中断持续时间；

xb,k表示第

k个候选历元对应的桥接预测状态；

σb,k表示第

k个候选历元的桥接预测协方差矩阵；

k0表示重捕获事件起始历元。

11、进一步优选地，所述桥接预测状态的获取方法包括：

12、将历史多源导航序列、所述gnss中断持续时间和当前安全状态输入桥接预测模型，得到桥接高度修正量δ

hb,k和桥接速度修正量δ

vb,k；

13、基于所述桥接高度修正量和所述桥接速度修正量得到所述桥接预测状态：

14、；

15、；

16、；

17、式中，上标t表示转置；

hb,k和

vb,k分别为第

k个候选历元的桥接预测高度和桥接预测垂向速度；

hs,k和

vs,k分别为第

k个历元的当前安全高度和当前安全垂向速度。

18、进一步优选地，得到所述桥接预测协方差矩阵的方法包括：

19、；

20、其中，

21、；

22、；

23、式中，

σb,k为第

k个候选历元的桥接预测协方差矩阵；

t0为gnss中断持续时间归一化尺度；为大于零的不确定度调节系数；表示基础预测协方差矩阵；

rb,j为第

j个桥接预测残差；为桥接预测残差的样本均值；

m为残差样本数量；

ε为防止协方差矩阵奇异的正则化系数；i为单位矩阵。

24、进一步优选地，所述第一白化偏差包括：

25、；

26、式中，

σs,k为当前安全状态的协方差矩阵，

σr,k为gnss重捕获候选状态的协方差矩阵；表示第

k个历元的当前安全状态；

27、所述第二白化偏差包括：

28、；

29、所述变化方向一致性评价量包括：

30、；

31、式中，和分别为经过无量纲化处理的重捕获候选状态增量和神经网络桥接状态增量；

32、所述车辆运动可达性指标包括：

33、；

34、

式中， 为根据车辆运动范围设置的最大允许垂向加速度；表示历元间垂向加速度。

35、进一步优选地，所述单历元准入证据包括：

36、；

37、；

38、式中，

ek为第

k个候选历元的单历元准入证据；、、、、分别为第一白化偏差、第二白化偏差、变化方向一致性评价量、车辆运动可达性指标和gnss观测质量指标对应的非负证据权重，且各权重之和为1。

39、进一步优选地，所述准入状态机包括：观察状态、软接入状态、全接入状态和隔离状态；

40、软接入进入门限、软接入退出门限、全接入进入门限和全接入退出门限满足：

41、；

42、式中，、、、分别表示表示软接入退出门限、软接入进入门限、全接入退出门限以及全接入进入门限；

43、当所述时序准入证据连续

ns个候选历元不低于软接入进入门限且未检测到危险跳变时，所述准入状态机由观察状态转换至软接入状态；

44、当所述时序准入证据连续

nf个候选历元不低于全接入进入门限且未检测到危险跳变时，所述准入状态机由软接入状态转换至全接入状态；

45、当全接入状态下的所述时序准入证据低于全接入退出门限时，所述准入状态机回退至软接入状态；

46、当软接入状态下的所述时序准入证据低于软接入退出门限时，所述准入状态机回退至观察状态。

47、进一步优选地，判断是否所述危险跳变的方法包括：

48、所述第一白化偏差超过第一隔离门限；

49、所述第二白化偏差超过第二隔离门限；

50、所述车辆运动可达性评价量低于可达性下限；

51、所述归一化gnss观测质量低于观测质量下限；

52、当检测到危险跳变时，所述准入状态机由当前状态转换至隔离状态，并禁止所述gnss重捕获候选状态进入组合导航主融合链；

53、当危险跳变条件解除后启动持续

nc个候选历元的冷却窗口，在所述冷却窗口内维持隔离状态；所述冷却窗口结束后，将所述时序准入证据重新设置为预设初始值，并由隔离状态重新转换至观察状态。

54、进一步优选地，s5中，当所述准入状态机处于软接入状态时，根据gnss中断持续时间和桥接预测不确定度确定状态增量上限：

55、；

56、其中：

57、；

58、式中，tr[]表示矩阵的迹；

bk为软接入状态下允许注入组合导航主融合链的状态增量上限向量；

b0为基础状态增量上限向量；

uk为桥接预测协方差经过状态尺度矩阵无量纲化后的不确定度表征量；

kb为gnss中断持续时间对应的正调节系数；

ku为桥接预测不确定度对应的正调节系数；

tout表示固定中断持续时间；

t0为gnss中断持续时间归一化尺度；

sx为状态尺度矩阵。

59、本发明还提供了一种面向gnss重捕获的车载组合导航可信接入系统，包括：

60、数据获取模块：获取车辆组合导航系统的多源数据，基于所述多源数据识别gnss重捕获事件并建立包含若干候选历元的重捕获事件窗口；所述重捕获事件窗口包括：候选历元的gnss重捕获候选状态、gnss观测质量信息、gnss中断持续时间、桥接预测状态以及桥接预测协方差矩阵；

61、数据处理模块：基于所述重捕获事件窗口得到所述gnss重捕获候选状态相对于当前安全状态的第一白化偏差、相对于所述桥接预测状态的第二白化偏差以及变化方向一致性评价量和车辆运动可达性指标；

62、准入证据生成模块：基于归一化载噪比、归一化可用卫星数和归一化卫星几何精度因子生成gnss观测质量指标，并根据所述gnss观测质量指标、所述第一白化偏差、所述第二白化偏差、所述变化方向一致性评价量以及所述车辆运动可达性指标得到单历元准入证据；

63、准入状态控制模块：基于所述单历元准入证据得到候选历元的时序准入证据，并基于所述时序准入证据控制gnss重捕获准入状态机；

64、导航状态输出模块：基于所述准入状态机的接入状态输出安全导航状态；所述安全导航状态用于车辆定位、路径跟踪、车辆控制以及后续组合导航状态递推。

65、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

66、1、本发明将gnss重新可用后的接入过程作为独立的重捕获事件进行处理，构建包含多个连续候选历元的重捕获事件窗口，不根据单个gnss历元是否满足固定阈值直接恢复接入。由此能够利用重捕获候选状态在多个连续历元内的变化信息，降低单历元粗差、短时多路径效应或者偶发观测跳变造成的错误接入风险。

67、2、本发明通过gnss中断期间的历史多源数据、gnss中断持续时间及当前安全状态生成桥接预测状态，并明确将当前gnss重捕获候选状态排除在桥接预测模型的输入之外。由此使桥接预测结果能够作为独立于当前gnss候选状态的对照基准，避免重捕获候选状态同时参与参考状态生成和一致性检验而造成的判断依据耦合，提高重捕获可信性判断的独立性。

68、3、本发明分别计算重捕获候选状态相对于当前安全状态和桥接预测状态的白化偏差，并在偏差计算中引入对应的状态协方差矩阵。相较于直接比较高度差和速度差，所述白化偏差能够同时反映不同状态分量的量纲差异和状态估计不确定性，使不同gnss中断持续时间和不同预测不确定性条件下的偏差评价具有较好的一致性。

69、4、本发明综合利用白化偏差、候选状态变化方向、车辆运动可达性和gnss观测质量生成单历元准入证据，并对多个候选历元的单历元准入证据进行递推积累。由此使gnss重捕获接入判断由单历元阈值判断转变为时序证据判断，在不依赖实际实验结果作为接入条件的情况下，能够从方法机制上抑制瞬时异常观测对准入决策的直接影响。

70、5、本发明设置包括观察状态、软接入状态、全接入状态和隔离状态的准入状态机，并采用相互分离的升级条件和回退条件形成滞回控制。当时序准入证据持续改善时，按照观察状态、软接入状态和全接入状态逐级完成接入；当证据恶化时执行状态回退；当检测到危险候选状态时进入隔离状态并启动冷却窗口。由此能够减少准入状态在临界条件附近频繁切换，并避免隔离结束后未经重新验证直接恢复接入。

71、6、本发明在软接入状态下，根据gnss中断持续时间和桥接预测不确定度确定状态增量上限，并利用所述风险预算限制gnss重捕获候选状态的单次注入增量。由此能够避免重捕获候选状态与当前安全状态差异较大时直接引起组合导航状态突变，在时序证据尚未充分建立的情况下实现受限、渐进的gnss状态接入。

72、7、本发明将桥接预测、时序证据生成、准入状态控制及状态受限注入进行协同设计，使gnss重捕获后的导航状态更新过程具有可观察、可回退和可隔离的控制路径，适用于gnss中断后重新捕获但观测可信性尚未完全确认的车载组合导航场景。