一种MEMS-INS辅助GNSS矢量环路跟踪方法、装置、存储介质及设备

一种mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法、装置、存储介质及设备
技术领域
1.本发明涉及卫星定位技术领域，尤其涉及一种mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法、装置、存储介质及设备。


背景技术：

2.随着科学技术的日益更迭，人们对运动载体(船舶、车辆、飞机)的跟踪稳定性要求越来越高，获取可靠的位置信息变得至关重要。近年来，组合导航能够充分利用各系统优势，扬长避短，被广泛认为是弱信号环境下独立gnss导航的有效替代方案。组合导航系统的优势在于通过组合导航输出结果辅助卫星信号的捕获和跟踪，提高导航系统的稳定性，并且组合导航系统能对ins进行误差估计和校正，从而抑制ins误差发散。激光陀螺、光纤陀螺等惯性设备精度高，但价格昂贵，mems级加速度计和陀螺仪正被广泛用作低成本惯性测量单元(imu)传感器，然而这会牺牲组合导航系统的精度。
3.因此，有必要探究更为先进的滤波融合技术，提高gnss/mems-ins组合导航系统的精度。


技术实现要素：

4.针对现有技术存在的问题，本发明提供一种mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法、装置、存储介质及设备，旨在利用ckf得到的组合导航结果反馈辅助码跟踪环路，提高跟踪环路的性能，并改善定位精度和提高定位稳定性。
5.第一方面，本发明实施例提供一种mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法，包括：
6.获取卫星信号降频量化后的数字中频信号；
7.数字中频信号与载波振荡器产生的信号进行混频得到接收码，所述接收码与码发生器产生的本地复制码进行相关，经积分、清除后得到六个相干积分结果；
8.获取伪距误差及伪距率误差，送入全球导航卫星系统的导航滤波器计算出卫星导航接收机的当前时刻粗略位置、速度信息；
9.判断载噪比是否满足预设条件；
10.在所述载噪比不满足预设条件的情况下，利用容积卡尔曼滤波算法进行微型惯性导航系统与全球导航卫星系统的组合导航，结合当前时刻粗略位置、速度信息得到卫星导航接收机的当前时刻精确位置、速度信息；
11.计算当前时刻的伪距；
12.计算当前时刻的码频率，反馈到码振荡器，以使码发生器以产生本地复制码，实现矢量环路跟踪。
13.在一些实施方式中，所述数字中频信号与载波振荡器产生的信号进行混频得到接收码，包括：
14.载波振荡器产生的同相载波信号、反相载波信号分别与所述数字中频信号混频得
到接收码，其中，所述反相载波信号经90
°
反相后再与所述数字中频信号混频。
15.在一些实施方式中，所述获取伪距误差及伪距率误差，包括：
16.码环鉴别器鉴别k时刻接收码和本地复制码之间的码相位差，所述码相位差经线性转换得到伪距误差；
17.利用载波环鉴别器预测k 1时刻的载波频率，k 1时刻的载波频率与k时刻的载波频率差值经线性变化得到伪距率误差。
18.在一些实施方式中，所述利用容积卡尔曼滤波算法进行微型惯性导航系统与全球导航卫星系统的组合导航，结合当前时刻粗略位置、速度信息得到卫星导航接收机的当前时刻精确位置、速度信息，包括：
19.通过球面径向准则设置容积点，定义组合导航状态量，包括姿态误差、速度误差、位置误差、陀螺零偏常值漂移、加速度计随机常值漂移、mems-ins和gnss的杆臂位置误差、时间不同步误差，ckf滤波器状态初值设为零矩阵；
20.计算一步预测状态值的均值及方差；
21.分解一步预测状态值的方差，重新更新容积点；
22.计算一步预测量测值的均值；
23.预测量测值的方差，以及状态值和一步预测量测值的协方差；
24.计算容积卡尔曼增益、目标状态的后验均值及后验方差；
25.其中，目标状态的后验均值基于当前时刻粗略位置、速度信息计算得到。
26.在一些实施方式中，在所述计算当前时刻的码频率，反馈到码振荡器，以使码发生器以产生本地复制码之后，返回所述数字中频信号与载波振荡器产生的信号进行混频得到接收码，所述接收码与码发生器产生的本地复制码进行相关，经积分、清除后得到六个相干积分结果的步骤。
27.在一些实施方式中，所述方法还包括：
28.在所述载噪比满足预设条件的情况下，直接执行所述计算当前时刻的伪距及所述计算当前时刻的码频率，反馈到码振荡器，以使码发生器以产生本地复制码，实现矢量环路跟踪的步骤。
29.在一些实施方式中，在所述载噪比满足预设条件的情况下，结合卫星导航接收机的当前时刻粗略位置、速度信息计算当前时刻的伪距；
30.在所述载噪比不满足预设条件的情况下，结合卫星导航接收机的当前时刻精确位置、速度信息计算当前时刻的伪距。
31.第二方面，本发明实施例提供一种mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪装置，包括：
32.信号获取模块，用于获取卫星信号降频量化后的数字中频信号；
33.码相关模块，用于数字中频信号与载波振荡器产生的信号进行混频得到接收码，所述接收码与码发生器产生的本地复制码进行相关，经积分、清除后得到六个相干积分结果；
34.第一计算模块，用于获取伪距误差及伪距率误差，送入全球导航卫星系统的导航滤波器计算出卫星导航接收机的当前时刻粗略位置、速度信息；
35.判断模块，用于判断载噪比是否满足预设条件；
36.ckf模块，用于在所述载噪比不满足预设条件的情况下，利用容积卡尔曼滤波算法
进行微型惯性导航系统与全球导航卫星系统的组合导航，结合当前时刻粗略位置、速度信息得到卫星导航接收机的当前时刻精确位置、速度信息；
37.第二计算模块，用于计算当前时刻的伪距；
38.反馈模块，用于计算当前时刻的码频率，反馈到码振荡器，以使码发生器以产生本地复制码，实现矢量环路跟踪。
39.第三方面，本发明实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被一个或多个处理器执行时，实现如第一方面所述的mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法。
40.第四方面，本发明实施例提供一种电子设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述一个或多个处理器执行时实现如第一方面所述的mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法。
41.与现有技术相比，本发明的fls与ukf相结合的组合导航方法至少能够带来如下有益效果：
42.在利用矢量跟踪技术完成ins辅助gnss环路跟踪实现组合导航的基础上，本发明提供的基于ckf的矢量环路跟踪方法，能够提高跟踪环路的性能，并改善组合导航系统的定位精度和提高定位稳定性。
附图说明
43.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定。
44.图1是本发明提供的mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法流程图；
45.图2是本发明提供的mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法原理示意图；
46.图3是本发明提供的容积卡尔曼滤波实现流程示意图；
47.图4是本发明提供的mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法的定位结果对比图；
48.图5是本发明提供的mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪装置框图。
具体实施方式
49.以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
50.需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
51.实施例一
52.图1示出了一种mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法流程图，图2示出了该方法的原理示意图，如图1至图2所示的mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法，包括：
53.步骤s101、获取卫星信号降频量化后的数字中频信号s
if
。
54.步骤s102、数字中频信号s
if
与本地的载波振荡器产生的信号进行混频得到接收码，接收码与本地的码发生器产生的本地复制码(超前码e、即时码p和滞后码l)进行相关，经积分、清除(i&d)后得到六个相干积分结果，包括超前码e、即时码p和滞后码l的同向载波信号ie、i
p
、i
l
及反向载波信号qe、q
p
、q
l
。
55.在一些实施方式中，数字中频信号s
if
与载波振荡器产生的信号进行混频得到接收码，包括：
56.载波振荡器产生的同相载波信号、反相载波信号分别与数字中频信号s
if
混频得到接收码，其中，反相载波信号经90
°
反相后再与数字中频信号混频。
57.步骤s103、获取伪距误差及伪距率误差，送入全球导航卫星系统的导航滤波器计算出卫星导航接收机的当前时刻粗略位置、速度信息。
58.在一些实施方式中，步骤s103中获取伪距误差及伪距率误差，包括：
59.码环鉴别器鉴别k时刻接收码和本地复制码之间的码相位差δτk，码相位差经线性转换得到伪距误差δρ；
[0060][0061]
其中，f
code
为卫星信号的码频率，本实施例为1.023*10-6
，c为光速。
[0062][0063]
利用载波环鉴别器(包括锁相环pll)预测k 1时刻的载波频率，k 1时刻的载波频率f
k 1
与k时刻的载波频率fk的差值δfd经线性变化得到伪距率误差
[0064][0065]
应当理解的是，采用锁相环pll鉴别出相位，即预测出k 1时刻的载波频率，反馈给载波振荡器产生下一时刻的信号。
[0066]
进一步地，将伪距差δρ、伪距率误差送入gnss导航滤波器，计算出卫星导航接收机的当前粗略位置、速度信息。
[0067]
步骤s104、判断载噪比是否满足预设条件。
[0068]
在一些情况下，预设条件为载噪比大于28。
[0069]
步骤s105、在载噪比不满足预设条件的情况下，利用容积卡尔曼滤波算法进行微型惯性导航系统与全球导航卫星系统的组合导航，结合当前时刻粗略位置、速度信息得到卫星导航接收机的当前时刻精确位置、速度信息。
[0070]
在一些实施方式中，步骤s105中利用容积卡尔曼滤波算法进行微型惯性导航系统与全球导航卫星系统的组合导航，结合当前时刻粗略位置、速度信息得到卫星导航接收机的当前时刻精确位置、速度信息，包括：
[0071]
步骤s105a、通过球面径向准则设置容积点定义组合导航状态量为19维，包括三个方向的姿态误差φ、三个方向的速度误差δv、三个方向的位置误差δp、三个方向的陀螺
零偏常值漂移εb、三个方向的加速度计随机常值漂移三个方向的mems-ins(包括陀螺仪和加速度计)和gnss的杆臂位置误差δlb、时间不同步误差δt，ckf滤波器状态初值设为零矩阵。
[0072]
容积点获取的计算式如下：
[0073][0074][0075][0076]
其中，ξi是容积点集，n是状态矩阵的维数；[1]代表单位矩阵；pk是协方差矩阵；是初始状态量。
[0077]
步骤s105b、计算一步预测状态值的均值及方差p
k 1/k
。
[0078][0079]
其中，φ
k 1/k
是状态转移矩阵；
[0080][0081]maa
,m
av
,m
ap
,m
va
,m
vv
,m
vp
,m
pv
,m
pp
是ins的误差传播系数；代表导航系到载体系的姿态阵；0代表零矩阵。
[0082]
一步预测状态值的方差p
k 1/k
：
[0083][0084]
上式中，q为系统状态噪声方差，系统状态噪声包括噪声和是陀螺角速度测量白噪声,是加速度计比力测量白噪声。
[0085]
步骤s105c、分解一步预测状态值的方差，重新更新容积点。
[0086][0087][0088]
步骤s105d、计算一步预测量测值的均值
[0089][0090]
其中，h
k 1
是量测转移矩阵；
[0091][0092]
其中，代表地球坐标系到载体坐标系的角速度，an载体在不同步时间附近的平均线加速度，1代表单位阵；上标/下标b表示载体坐标系，上标n表示导航坐标系。
[0093]
步骤s105e、预测量测值的方差以及状态值和一步预测量测值的协方差
[0094][0095][0096]
上式中，r为系统量测噪声方差。系统量测噪声包括噪声vv和v
p
,vv是卫星接收机速度量测白噪声，v
p
是卫星接收机位置量测白噪声。
[0097]
步骤s105f、计算容积卡尔曼增益k
k 1
、目标状态的后验均值及后验方差p
k 1
。其中，目标状态的后验均值基于当前时刻粗略位置、速度信息计算得到。
[0098][0099][0100][0101]
其中，y
k 1
是量测量,其中代表ins和gnss的速度和位置结果，ins的速度和位置结果可直接获取，gnss速度和位置结果为步骤s103得到的卫星导航接收机的当前时刻粗略位置、速度信息。
[0102]
上述容积卡尔曼滤波的实现流程如图3所示。
[0103]
步骤s106、计算当前时刻的伪距。
[0104]
在载噪比满足预设条件的情况下，直接结合步骤s103得到的卫星导航接收机的当前时刻粗略位置、速度信息计算当前时刻的伪距。
[0105]
而在载噪比不满足预设条件的情况下，结合卫星导航接收机的当前时刻精确位置、速度信息计算当前时刻的伪距。
[0106]
结合经过ckf预测的接收机位置p
r,k
，计算当前时刻的伪距ρk，结合ckf预测的状态量和步骤s105得到的gnss滤波器的位置、速度，可以得到更加精确的接收机位置、速度信息。
[0107]
ρk＝||p
r,k-ps|| c(δb-δbs) ci ct ε
ρ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(19)
[0108]
其中，p
r,k
为接收机位置，δb为接收机时钟偏差，δbs为卫星时钟钟差,i为电离层延时,t为对流层延时，ε
ρ
是伪距量测噪声量。
[0109]
步骤s107、计算当前时刻的码频率f
code,k
，反馈到码振荡器，以使码发生器以产生本地复制码，实现矢量环路跟踪。
[0110]
[0111]
其中，δt表示更新周期。
[0112]
根据组合导航结果(ckf的预测结果)预测的码频率，调节码振荡器(码nco)变成阶跃信号，经码发生器以产生超前码e、即时码p和滞后码l，实现码环路跟踪。
[0113]
应理解的是，在载噪比满足预设条件的情况下，直接执行步骤s106计算当前时刻的伪距及步骤s107计算当前时刻的码频率，反馈到码振荡器，以使码发生器以产生本地复制码，实现矢量环路跟踪。
[0114]
在计算当前时刻的码频率，反馈到码振荡器，以使码发生器以产生本地复制码之后，返回数字中频信号与载波振荡器产生的信号进行混频得到接收码，接收码与码发生器产生的本地复制码进行相关，经积分、清除后得到六个相干积分结果的步骤s102。
[0115]
图4示出了一种实施方式中mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法的定位结果对比图，可以看出，利用ckf得到的组合导航结果反馈辅助码跟踪环路，跟踪环路的性能良好，定位精度及定位稳定性良好。
[0116]
实施例二
[0117]
图5示出了一种mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪装置框图，如图5所示的mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪装置，包括：
[0118]
信号获取模块501，用于获取卫星信号降频量化后的数字中频信号；
[0119]
码相关模块502，用于数字中频信号与载波振荡器产生的信号进行混频得到接收码，接收码与码发生器产生的本地复制码进行相关，经积分、清除后得到六个相干积分结果；
[0120]
第一计算模块503，用于获取伪距误差及伪距率误差，送入全球导航卫星系统的导航滤波器计算出卫星导航接收机的当前时刻粗略位置、速度信息；
[0121]
判断模块504，用于判断载噪比是否满足预设条件；
[0122]
ckf模块505，用于在载噪比不满足预设条件的情况下，利用容积卡尔曼滤波算法进行微型惯性导航系统与全球导航卫星系统的组合导航，结合当前时刻粗略位置、速度信息得到卫星导航接收机的当前时刻精确位置、速度信息；
[0123]
第二计算模块506，用于计算当前时刻的伪距；
[0124]
反馈模块507，用于计算当前时刻的码频率，反馈到码振荡器，以使码发生器以产生本地复制码，实现矢量环路跟踪。
[0125]
进一步地，码相关模块502在将数字中频信号s
if
与载波振荡器产生的信号进行混频得到接收码时，具体包括：
[0126]
载波振荡器产生的同相载波信号、反相载波信号分别与数字中频信号s
if
混频得到接收码，其中，反相载波信号经90
°
反相后再与数字中频信号混频。
[0127]
进一步地，第一计算模块503在获取伪距误差及伪距率误差时，具体包括：
[0128]
码环鉴别器鉴别k时刻接收码和本地复制码之间的码相位差δτk，码相位差经线性转换得到伪距误差δρ；及
[0129]
利用载波环鉴别器(包括锁相环pll)预测k 1时刻的载波频率，k 1时刻的载波频率f
k 1
与k时刻的载波频率fk的差值δfd经线性变化得到伪距率误差
[0130]
进一步地，ckf模块505在利用容积卡尔曼滤波算法进行微型惯性导航系统与全球导航卫星系统的组合导航，结合当前时刻粗略位置、速度信息得到卫星导航接收机的当前
时刻精确位置、速度信息时，具体包括：
[0131]
通过球面径向准则设置容积点定义组合导航状态量为19维，包括三个方向的姿态误差φ、三个方向的速度误差δv、三个方向的位置误差δp、三个方向的陀螺零偏常值漂移εb、三个方向的加速度计随机常值漂移三个方向的mems-ins(包括陀螺仪和加速度计)和gnss的杆臂位置误差δlb、时间不同步误差δt，ckf滤波器状态初值设为零矩阵；
[0132]
计算一步预测状态值的均值及方差p
k 1/k
；
[0133]
分解一步预测状态值的方差，重新更新容积点；
[0134]
计算一步预测量测值的均值
[0135]
预测量测值的方差，以及状态值和一步预测量测值的协方差；以及
[0136]
计算容积卡尔曼增益k
k 1
、目标状态的后验均值及后验方差p
k 1
。其中，目标状态的后验均值基于当前时刻粗略位置、速度信息计算得到。
[0137]
进一步地，第二计算模块506在计算当前时刻的伪距时，在载噪比满足预设条件的情况下，直接结合卫星导航接收机的当前时刻粗略位置、速度信息计算当前时刻的伪距。而在载噪比不满足预设条件的情况下，结合卫星导航接收机的当前时刻精确位置、速度信息计算当前时刻的伪距。结合经过ckf预测的接收机位置p
r,k
，计算当前时刻的伪距ρk，结合ckf预测的状态量和步骤s105得到的gnss滤波器的位置、速度，可以得到更加精确的接收机位置、速度信息。
[0138]
本实施例中的装置的各模块功能的实现内容可参照实施例一的具体内容，且具有实施例一的全部有益效果，此处不再赘述。
[0139]
实施例三
[0140]
本实施例提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被一个或多个处理器执行时，实现实施例一的mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法。
[0141]
本实施例中，计算机可读存储介质可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，例如静态随机存取存储器(static random access memory，简称sram)，电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read-only memory，简称eeprom)，可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，简称eprom)，可编程只读存储器(programmable read-only memory，简称prom)，只读存储器(read-only memory，简称rom)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。方法的内容详见实施例一，此次不再赘述。
[0142]
实施例四
[0143]
本实施例提供一种电子设备，包括存储器和一个或多个处理器，所述存储器上存储有计算机程序，计算机程序被一个或多个处理器执行时实现实施例一的mems-ins辅助gnss矢量环路跟踪方法。
[0144]
本实施例中，处理器可以是专用集成电路(application specific integrated circuit，简称asic)、数字信号处理器(digital signal processor，简称dsp)、数字信号处理设备(digital signal processing device，简称dspd)、可编程逻辑器件(programmable logic device，简称pld)、现场可编程门阵列(field programmable gate array，简称
fpga)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述实施例中的方法。在处理器上运行的计算机程序被执行时所实现的方法可参照本发明前述实施例提供的方法的具体实施例，此处不再赘述。在实际应用中，电子设备可以是提供计算服务的设备。
[0145]
在本发明实施例所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置、方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的。
[0146]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0147]
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。