[发明专利]基于惯导辅助单星定位的卡尔曼滤波动目标定位方法

说明书

本发明提出一种基于惯导辅助单星定位的卡尔曼滤波动目标定位方法，包括最小二乘‑牛顿迭代单星定位初始解算、INS惯导位移补偿和卡尔曼滤波融合反馈三部分：其中最小二乘‑牛顿迭代单星定位初始解算部分构建单星运行轨道以获得单星星历数据，利用测得的三个时刻的卫星相对地面定位目标伪距值，利用最小二乘方法解出目标定位初始解，使用牛顿迭代进一步逼近真实结果；其次利用INS惯导部分输出目标实时位移反馈给最小二乘和其后的卡尔曼滤波器对结果进行校正；最后卡尔曼滤波，发挥无迹卡尔曼滤波器(UKF)精度高和鲁棒性强的优势，经过定位位置迭代和融合滤波后得到目标的定位结果，能有效提高动态环境下的单星导航的定位精度并保持较长时间的稳定定位。

技术领域

本发明是一种基于惯导辅助单星定位的卡尔曼滤波动目标定位方法，特别涉及最小二乘-牛顿迭代(Least squares-Newton iteration)、惯性导航系统(INS)辅助定位以及卡尔曼滤波(KF)融合的方法。

背景技术

现今的卫星定位技术已经趋于成熟，各大国或区域均拥有自己的卫星导航定位系统，能够为用户提供快速、高精度的定位服务。但如今的卫星导航系统均是基于卫星星座构建，利用伪距测量进行定位，要求至少四颗布局良好的卫星才能实现一次定位，是一套精密复杂的系统。也正因为它的精密复杂，所以系统本身十分脆弱，一旦关键节点卫星有所损失，就会制造出大片的定位真空区域。因此开发一种星座拒止条件下的应急卫星定位系统十分有必要。与此同时单星系统由于无需高精度原子钟和复杂系统的配合，研发生产成本低，布置方便快捷。为应对上述情况，不少大国均有相关的技术储备或实际设备投入使用，例如美国海军的Transit系统，美苏法加的COSPAS-SARSAT系统和美法建立的ARGOS系统。

一般评价定位方法实用性的指标有三：1.定位精度、2.目标接收机复杂度、3.对卫星载荷要求。

最早期提出的单星测距测角算法测量卫星与目标之间的角度信息和距离信息，可以在空间确定唯一的位置。利用卫星与目标之间的时差确定两者的距离，但这里还要考虑钟差的影响，关键是如何同步时间，可以采用双向时间对比技术获得钟差。利用天线阵的相位差算得角度。这种方法原理简单但由于卫星距地面太远，因此对角度测量精度提出了很高的要求，目标接收机复杂度高，实现难度和成本很大。

之后又提出了伪距辅助的的径向加速度单星定位方法和相干测角的单星定位方法。其中基于伪距辅助的径向加速度单星定位要求已知卫星的星历信息，利用卫星的径向加速度测量值和伪距信息根据运动学原理构建方程组求解出目标坐标。因此径向加速度的估计精度以及卫星的星历准确度直接决定了定位精度。当径向加速度模型估计精度较低时，定位精度也会大幅下降。基于相干测角的单星定位方法中卫星的发射天线为相干天线阵列，要求预先根据方位角和俯仰角间隔一定角度条件下构建样本库，将天线阵的实测相位差信息与样本库中的数据进行相关运算，找出最大值即可得到方位角。但由于相干测角在大尺度上的精度很难提升，加上需要繁琐的样本库构建，因此实际操作难度大。

使用广泛的多普勒单星定位是利用多普勒原理测得的多普勒频移值，在已知卫星星历提供的卫星速度和卫星发射信号频率的条件下，计算出卫星飞行方向与接收机连线的夹角，采用时间换空间的策略，结合地面高度值即可解出定位目标点。对于静态目标定位精度高，对卫星载荷要求低，实用性强；但由于多普勒频移测量值易受干扰出现波动，可能会使定位结果出现一定的偏差。

后来提出的积分多普勒单星定位方法采用一段时间而非某一时刻的多普勒测量值取积分作为定位结果，很好地解决了多普勒测量值波动的问题，同时由于多普勒积分值反映的是伪距差值的大小，因此抵消了钟差的影响，对静态目标定位效果更佳。然而对于动态目标，误差仍在千米级以上。