[发明专利]一种适用于定位导航授时微系统的数据融合方法

权利要求书

1.一种适用于定位导航授时微系统的数据融合方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，定位导航授时微系统中，将原子钟通过串口与导航计算机通信，将原子钟输出的10MHz供给导航计算机作为晶振，对基带信号处理后锁存的多普勒频移信息、载波相位信息和导航电文进行解析，得到星历、伪距、伪距率信息；

步骤2，定位导航授时微系统中，微惯性导航模块与北斗导航模块在导航计算机上进行数据融合：芯片原子钟提供时间基准，将微惯性导航模块解算得到的载体位置、速度信息，与北斗导航模块输出的星历所提供的卫星位置、速度信息进行计算，得到载体的伪距、伪距率；同时由北斗导航模块解算直接得到伪距、伪距率，然后进行基于伪距、伪距率差的卡尔曼组合滤波，得到载体的位置、速度、姿态误差，对系统进行修正。

2.根据权利要求1所述的适用于定位导航授时微系统的数据融合方法，其特征在于，步骤1中所述将原子钟通过串口与导航计算机通信，具体如下：

所述定位导航授时微系统中芯片原子钟提供1pps秒脉冲和10MHz晶振信号，经过驯服后，独立提供1pps秒脉冲供导航处理器使用，实现独立授时功能；该芯片原子钟与导航计算机的数据通信采用RS232串口进行数据传输，DSP通过读取RS232中的数据实时观测芯片原子钟的温度、驯服状态、锁定时间；北斗导航模块定位后输出一个基准的秒脉冲，将该秒脉冲输出给芯片原子钟的1pps_IN管脚，引入后用来驯服芯片原子钟的1pps秒脉冲；芯片原子钟驯服后输出的1pps秒脉冲经过中断的方式被DSP读取，来辅助卫星导航模块；芯片原子钟提供一个10MHz的HCMOS电平信号，将该信号接入到导航计算机代替原有的温补型晶振。

3.根据权利要求1所述的适用于定位导航授时微系统的数据融合方法，其特征在于，步骤2中所述惯性导航模块与北斗导航模块在导航计算机上进行数据融合，具体如下：

(2.1)北斗系统误差建模

伪距表示为：

ρrs=rrs+c(δtr-δts)+Ionos+Trops+ϵps]]>

其中：表示伪距；表示卫星与接收机之间的真实距离；δt_r表示接收机时钟误差；δt^s表示卫星时钟误差；Iono^s表示电离层延时造成的误差；Trop^s表示对流层延时造成的误差；表示接收机相关误差；

超紧组合导航系统中，将北斗系统误差归纳为由钟差引起的等效距离误差δt_u和由钟漂引起的等效距离率误差δt_ru，δt_u和δt_ru用以下微分方程建模：

δ·tu=δtru+wtuδ·tru=-βtru+wtru]]>

其中，β_tru＝1/τ，τ为相关时间，w_tu、w_tru分别为高斯白噪声；

(2.2)惯性器件误差模型

陀螺的常值漂移ε_b是一个取值为常数的随机过程，陀螺的随机漂移ε_ri用一阶马尔可夫过程来描述：

ϵ·ri=-1τgiϵri+wϵri]]>

式中，τ_gi为相关时间，w_εri为量测噪声，两者均近似为高斯白噪声；

加速度计零位误差看作由随机常值偏置和量测噪声组成，随机常值偏置是一个取值为常数的随机过程，加速度计的量测噪声近似为高斯白噪声，最终得到陀螺的误差ε和加速度计的误差为：

ε＝ε_b+ε_r+w_g

▿=▿b+w▿]]>

其中，ε_b为陀螺的常值漂移，ε_b为陀螺的随机漂移，w_g为白噪声；

(2.3)微惯性导航模块误差建模：分别建立姿态角误差方程、速度误差方程、位置误差方程；

(2.4)系统状态方程

卡尔曼滤波器的系统状态变量取导航输出参数的误差量，包括微惯导输出的15个误差量和北斗导航模块输出的2个误差量，系统的状态变量X为：

X＝[X_I X_G]^T

其中，X_I为SINS误差变量，具体形式为：

上式中，分别是东、北、天方向上的姿态误差角；δV_E、δV_N、δV_U分别是东向、北向、天向上的速度误差；δL、δλ、δh分别是纬度误差、经度误差、高度误差；ε_x、ε_y、ε_z分别是载体系下陀螺三个轴向上的随机漂移；分别是载体系下加速度计三个轴向上的常值偏置；

X_G是北斗导航模块误差变量，表示为：

X_G＝[δt_u δt_ru]^T

北斗导航模块误差状态方程为：

X·G=FGXG+GGWG]]>

其中：

FG=010-βtru,GG=1001,WG=wtuwtruT]]>

微惯导误差状态方程形式如下：

X·I=FIXI+GIWI]]>

其中：

FI=(Fins)9×9(Fsg)9×606×9(Fimu)6×615×15]]>

上式中，F_ins是系统误差矩阵；F_sg是惯性器件的误差转换矩阵；F_imu是惯性器件的噪声矩阵，分别为：

Fsg=Cbn03×303×3Cbn03×303×39×6Fimu=06×6]]>

噪声驱动阵G_I为：

GI=Cbn03×303×3Cbn09×309×315×6]]>

其中为载体坐标系到导航坐标系的姿态转移矩阵；

噪声向量W_I为：

W_I＝[ω_gx ω_gy ω_gz ω_ax ω_ay ω_az]^T

上式中，ω_gx、ω_gy、ω_gz分别是陀螺三个轴向上的高斯白噪声；ω_ax、ω_ay、ω_az分别是加速度计三个轴向上的高斯白噪声；

联立北斗导航模块误差状态方程和微惯导误差状态方程得到系统的状态方程为：

X·IX·G=FI00FGXIXG+GI00GGWIWG]]>

即

X·=FX+GW]]>

上式中，X为各种误差参数构成的17维状态向量，F为17×17阶的系统状态转移矩阵，G为17×8阶的系统噪声驱动阵，W为噪声构成的8维向量；

(2.5)系统观测方程：综合伪距观测方程和伪距率观测方程，得到滤波器的系统观测方程。