[发明专利]增强型导航定位之方法及其系统

说明书

全球定位系统(GPS)是一基於卫星，覆盖全球的全天候被动式无线电定位和授时系统。全球定位系统由美国国防部开发，运行和管理。该系统设计来为全球范围的空中，陆地，海洋上的装有GPS接收机的飞机，航天器，战舰，商用船只，运动车辆以及行人提供精密的位置，速度和时间信息。

全球定位系统接收设备包括一个接收天线，一个信号处理单元，以及相关的电子线路和必要的显示设备。全球定位系统接收机接收GPS卫星信号，並导出飞行体如飞机，飞弹，火箭的位置，速度和时间信息。全球定位系统定位是基于测距的原理。卫星的位置可以由卫星的星历表解算出来，而卫星到用户的距离可以由全球定位系统接收机测得的卫星信号时间延迟导出来。卫星信号以光速传播，卫星到GPS接收机的几何距离等于卫星信号时间延迟乘以光速。这样测得的几何距离叫做伪距，它包含了很多的误差，例如接收机的时钟误差。因为卫星用的是原子钟，它的误差远远小于GPS接收机的时钟误差。在三维飞行体导航系统中，这个未知的用户接收机的时钟误差也要解出来。因此应用单一的全球定位系统导航需要至少四颗GPS卫星观测量。

全球定位系统的误差源有：信号传播误差，卫星时钟误差和星历表误差，以及选择可用性(SelectiveAvailability)误差。用户距离误差(URE)就是由这些误差源引起的沿用户到卫星视线上的测距误差。全球定位系统误差长时间保持稳定，这就是全球定位系统能提供长时间稳定的导航解的原因。然而全球定位系统的缺点是它很容易被有意或无意地干扰或被欺骗，在飞行体作机动飞行时GPS接收机的天线也有可能被遮挡而导致接收不到卫星信号，当卫星信号信噪比低和飞行体作大机动飞行时也可能导致卫星信号的失锁。

一惯性导航系统由一惯性测量单元，一个处理器，和一套嵌入式的导航软件组成。定位解通过数值解由飞行体的比力和转动速率建立的Newton运动方程，比力和转动速率由惯性传感器测定。惯性传感器包括加速度计和陀螺仪，它们连同相关的硬体和电子线路一起组成惯性测量单元。

惯性导航系统包括框架式和捷联式两种。在框架式惯性导航系统中加速度计和陀螺仪被固定在一框架平台上以隔离传感器，从而保证观测量和导航计算都处于一稳定的导航座标系中。可能的导航座标系包括地心惯性座标系(EarthCenteredIntertail-ECI)，地心地固座标系(EarthCenteredEarthFixed-ECEF)，北东下局部座标系(North East Down-NED)，游移方位局部座标系。在捷联惯性导航系统中，惯性传感器被钢性地连接在飞行体上，而一座标系转换矩阵则用于将表达为机体的加速度和转动观测量转换为导航座标系中相应的量，並在一稳定的导航座标系中作导航计算。这个座标系转换矩阵又被称为分析平台。框架式惯性导航系统可以比捷联式导航系统更精密，更易于校正。捷联式导航系统受制于高机动环境，例如高速率的转动。高机动可能影响惯性传感器的性能。随著新的陀螺仪和加速度计的出现，捷联式导航系统越来越占主导地位，因为它的成本低，同时性能可靠。

从原理上讲，惯性导航系统允许纯粹自动操作，在进行起点位置初始化和姿态初始对准后惯性导航系统输出连续的飞行体的位置，速度和姿态信息。除了自动化操作外，惯性导航系统的优点还包括全导航解和宽的带宽。然而惯性导航系统价格昂贵，其导航解並随时间漂移。其含义是惯性导航系统的导航误差随时间不断地增加，这种误差特性主要由惯性传感器误差源引起，例如陀螺仪漂移，加速度计偏差，和刻度因子误差。

单独的惯性导航系统和单独的全球定位系统都存在各自的缺点，这些缺点表明在一些限制条件下，例如低成本，高精度，连续导航解输出，抗干扰能力，和适应大机动等，独立的一个导航系统不能满足任务要求。

对于全球定位系统与惯性系统组成的组合导航系统来说，这两个导航系统互相辅助，利用惯性导航系统的短时导航高精度弥补全球定位系统的导航误差，利用全球定位系统的长时间的高精度导航弥补惯性导航系统的误差随时间增长的缺点。

全球定位系统和惯性导航系统的一种简单的组合方式就是应用全球定位系统接收机的位置和速度直接重调惯性系统。第二种组合方式为全球定位系统和惯性系统的级联组合。在这种组合方式中全球定位系统导出的位置和速度做为观测量，一组合Kalman滤波器融合来自惯性导航系统和全球定位接收机的导航解。第三种全球定位系统和惯性导航系统的组合方式为应用一扩展的Kalman滤波器处理全球定位系统接收机的伪距和伪距率等原始观测量以及惯性导航系统的信息，从而得到最优的惯性导航系统误差，惯性传感器误差和GPS接收机钟偏移的估计。

目前的全球定位系统和惯性导航系统的组合系统存在的缺点有：