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多频GNSS/INS组合精密定位定姿理论与方法研究

肖凯  
【摘要】:卫星/惯性(GNSS/INS)组合导航系统能够在卫星信号受干扰或中断时持续导航,且能提供精密的位置、速度、姿态信息,在军民领域都得到了广泛应用。未来,几大卫星导航系统都将播发三频乃至多频的卫星信号。多频信号提供了冗余观测量,能够显著提高导航定位的精度和可靠性(且有利精密定位),是目前GNSS导航定位研究的前沿和热点。但在GNSS/INS领域,如何利用多频信号的研究还未充分开展。因此,本文深入研究了多频GNSS/INS组合精密定位定姿的理论和方法,主要内容如下:1.构建了新的三频差分GNSS/INS紧组合模型,能够充分利用冗余频点观测量和三频模糊度解算快速的优点,在模型结构、观测量使用、解算效率方面,都有显著的优化。此外,将抗差自适应Kalman滤波算法应用于新模型,构造了适合新模型的双因子函数和自适应因子函数。实验表明,与传统GNSS/INS模型相比,新模型既能获得高精度的位置、速度、姿态结果,又有更优的解算效率,非常适合动态实时测量。2.提出了INS辅助三频模糊度解算算法(iTCAR)。iTCAR具有常规TCAR算法的高效优点,同时利用了INS辅助,在动态测量时更加可靠。使用三组实测动态数据分析了不同观测条件下常规TCAR算法的模糊度解算正确率;不同“伪距”来源时超宽巷模糊度解算的正确率。得出了iTCAR算法相较TCAR算法的优点。实验结果表明,相较常规TCAR算法,iTCAR算法可得到更高的模糊度解算正确率。3.提出了INS辅助多频组合观测量模糊度解算的新方法(IMAR)。IMAR算法利用了高精度的INS预测位置和多频组合观测量波长长、载波观测噪声小、电离层延迟小的特性。构造了INS辅助组合模糊度直接取整的数学模型。通过分析载波噪声尺度因子、电离层延迟放大因子、INS预测星地距离误差对模糊度取整正确率的影响,得出了组合观测量的选择策略,确定组合量(0,-1,1),(1,4,-5),(4,-2,-3)联合解算模糊度。实验结果表明,IMAR算法在卫星信号正常时有接近100%的模糊度解算正确率;在卫星信号长时间的完全中断或部分中断后,都能瞬时重新确定模糊度参数。4.提出了INS辅助多频组合观测量周跳探测和修复的新方法。依靠高精度的惯性预测几何信息和多频组合观测量的优良特性,新方法所构造的周跳探测量对1周周跳也能探测和可靠修复。推求了周跳探测量的错探率和漏探率,分析了INS误差对周跳探测量精度的影响。在此基础上,优选组合量(0,-1,1),(1,3,-4),(-3,4,0)联合进行周跳探测和修复。实测数据验证了该方法在密集周跳场景、卫星信号部分中断时、卫星信号完全中断时都能探测出周跳并可靠地修复。5.针对动态实时测量的传统LAMBDA模糊度解算方法,系统全面地探究了加入多频信号、多GNSS系统融合、INS辅助后,其效果的改善。构建了多频BDS/GPS/INS紧组合模型。推导了多频信号的ADOP值解析式,分析和验证了多频信号对ADOP值的影响。综合理论分析和实验验证,得出了多频信号、BDS/GPS多系统融合、INS辅助对模糊度解算时的Ratio值、ADOP值、模糊度浮点解误差、模糊度固定率、模糊度解算正确率五个方面的影响。所做研究有助于测绘用户根据需求选择频点数、GNSS系统融合、INS辅助。


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