一种基于多源信息融合的组合导航设备制造技术

本实用新型专利技术提供了一种基于多源信息融合的组合导航设备，包括：导航系统、辅助导航系统、卡尔曼EKF滤波器和联邦滤波器，联邦滤波器包括一个主滤波器和多个局部滤波器，导航系统包括GNSS系统和INS系统，辅助导航系统包括MLDAS系统、气压高度表和守时设备中的一种或者多种：EKF滤波器用于对GNSS系统与INS系统进行紧组合滤波，输出融合后的数据；每一局部滤波器用于将GNSS系统与INS系统融合后的数据与一种辅助导航系统进行松组合滤波，计算出的局部估计值和误差协方差阵；主滤波器对EKF输出的融合数据进行滤波，根据滤波结果以及各局部滤波器的输出数据进行最优融合，得到全局最优估计值。从而提高机载导航设备的可用性和完好性。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于导航
，尤其涉及一种组合导航设备。
技术介绍
随着技术及其应用的推广，全球卫星导航系统(GNSS)接收机已经成为机载电子装备中核心部件之一。GNSS接收机的性能一般通过精度、完好性、连续性和可用性等四个方面来进行评估。其中完好性主要是对接收机在应用的安全性方面的要求，因此在对安全要求较高的应用中，完好性是必须要解决的关键问题。完好性一般定义为：完好性是一种概率，在特定时期、系统覆盖区域内的任一点，位置误差不超出告警门限(AlarmLimit)，不给用户在告警时限(TimeToAlarm)内发出告警信息的概率。完好性问题对于航空来说是关系重大的，因为用户正以高速航行，如果不能及时的检测并排除故障卫星的话，飞机就很可能会偏离航路。随着机载系统对安全性能要求的日益提高，飞机上的导航系统也呈现多信息化、智能化、集成化的发展趋势。精确性与安全可靠性成为机载导航系统的重要特点。而精确定位定姿、故障检测隔离，已成为机载导航领域的重要学科技术之一，越来越受到人们的重视，近几年来得到了迅猛的发展。GNSS虽然有传统陆基无线电导航系统无法比拟的全球覆盖、高精度等性能，但目前在飞行器导航领域并没有得到普遍应用。不考虑政治方面的影响，从技术而言，精度、完好性、连续性及可用性四个方面都没有可满足所有飞行阶段的需求。从完好性方面看，GNSS系统本身能进行一定程度的完好性监测，但告警时间太长，通常需几个小时。从连续性和可用性方面看，GPS虽然能保证所有地区能有4颗以上可视卫星，但卫星几何结构仍然存在较差情况，如果加上完好性要求，其可用性会更差。GNSS接收机进行完好性监测采用RAIM算法，其基本原理是利用卫星测量的冗余观测信息对接收机导航定位结果进行超差判定，因此单纯卫星导航接收机完好性能受接收机跟踪锁定卫星数量、卫星几何分布及告警门限制约，具体如下：(1)GNSS接收机完好性受限于可见卫星数GNSS接收机通过基带处理单元可以输出接收机相对卫星的伪距，忽略噪声后，伪距是接收机三维位置和接收机钟差的函数，因此在进行三维导航时至少需要接收机跟踪4颗卫星才能解算出正确的接收机位置和钟差信息。假设只有一颗卫星出现故障，当观测到5颗卫星时，可以利用伪距间的冗余信息检测出对于当前飞行阶段，GNSS接收机存在不可接受的定位误差，但是由于没有其它信息，此时虽然可以给出超差告警，但不能锁定是哪颗卫星出现了故障；只有在同时观测到6颗以上卫星时才能确定出是哪颗卫星出现了故障。(2)GNSS接收机完好性受限于卫星几何分布GNSS接收机完好性能除和可见卫星数有关外，还和可见卫星的几何分布密切相关。通常在跟踪4颗以上卫星的条件下，当卫星与接收机之间构成的多面体体积最大时定位性能最佳，这时卫星星座的精度因子(DOP)最小。卫星几何分布越理想，接收机定位结果估计越准确，就越不容易超差，同时对故障卫星的监测能力也越高。因此GNSS卫星几何分布对接收机完好性有重要影响。(3)GNSS接收机完好性受限于应用精度要求GNSS接收机完好性是衡量接收机定位结果超差时的告警能力，因此完好性与告警门限密切相关，而告警门限的设定取决于实际的应用精度需求。飞行器不同飞行阶段对GNSS导航的完好性能要求不同，随着GNSS导航在飞机精密进近阶段的应用研究，GNSS导航系统的精度和完好性能要求越来越高。在精密进近阶段，尤其在3类精密进近阶段，对机载GNSS系统的完好性要求较高。考虑到卫星导航的体制局限性，单凭GNSS接收机算法优化很难满足要求。
技术实现思路
有鉴于此，本技术的一个目的是提供一种基于多源信息融合的组合导航方法和设备，由外部增强信息和辅助信息为GNSS导航系统提供更精确的测量信息和冗余测量信息，从而提高机载导航设备的可用性和完好性。为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。本技术提供了一种基于多源信息融合的组合导航设备，包括全球卫星导航系统GNSS、惯性导航系统INS、辅助导航系统、卡尔曼EKF滤波器和联邦滤波器，所述联邦滤波器包括一个主滤波器和多个局部滤波器，所述辅助导航系统包括多模区域差分增强系统MLDAS、气压高度表和守时设备中的一种或者多种，其中：所述EKF滤波器用于对所述GNSS系统与所述INS系统进行紧组合滤波，输出融合后的数据；每一局部滤波器用于将GNSS系统与INS系统融合后的数据与一种辅助导航系统进行松组合滤波，计算出的局部估计值和误差协方差阵；主滤波器对EKF输出的融合数据进行滤波，根据滤波结果以及各局部滤波器的输出数据进行最优融合，得到全局最优估计值。该组合导航系统能够有效提高机载导航设备的可用性和完好性。较佳地，所述EKF滤波器包括：所述坐标转换电路，用于将所述GNSS系统与所述INS系统的输出信号映射到以地心惯性坐标系ECI为导航坐标系下；所述EKF滤波器，与坐标转换电路相连，用于计算GNSS系统伪距测量结果与根据相应的INS系统导航解算得到的伪距预测结果之差，和GNSS伪距率与根据相应的INS系统导航解算得到的伪距率之差，综合所述两差值构成EKF量测方程，执行导航误差状态估计；反馈电路，与所述EKF滤波器相连，用于使用所述导航误差状态估计对INS系统的参数进行校正；以及量测校正数据输入ECI坐标系下的INS系统的力学编排，解算并输出飞行器最优PVA估计值。较佳地，所述EKF滤波器对GNSS系统和INS系统进行紧组合滤波时采用开环形式或者闭环形式，其中：在采取开环形式时，包括时间更新过程和量测更新过程，其中：时间更新公式为：量测更新公式为：在采取闭环形式时，包括时间更新过程、量测更新过程和自适应反馈校正过程，其中：时间更新公式为：量测更新公式为：自适应反馈校正公式为：其中：表示系统当前时刻状态估计值；表示系统状态一步预测值；Ki(k)表示系统当前时刻滤波增益阵；Pi(k/k-1)表示系统状态一步预测误差估计协方差阵；Pi(k/k)表示系统状态误差估计协方差阵；Qi(k-1)表示系统状态噪声阵；Ri(k)表示量测噪声阵。较佳地，各局部滤波器对输入信号进行融合时：时间更新公式：量测更新公式：其中：表示系统当前时刻状态估计值；表示系统状态一步预测值；Ki(k)表示系统当前时刻滤波增益阵；Pi(k/k-1)表示系统状态一步预测误差估计协方差阵；Pi(k/k)表示系统状态误差估计协方差阵；Qi(k-1)表示系统状态噪声阵；Ri(k)表示量测噪声阵。较佳地，主滤波器对输入信号进行融合时：全局的最优估计值公式为：最优估计方差阵公式为：其中：表示系统当前时刻状态估计值；Pi(k/k)表示系统状态误差估计协方差阵。较佳地，联邦滤波中的信息分配原则为：其中，βi为信息分配因子，需满足信息守恒原理：较佳地，所述联邦滤波器还包括反馈电路，其中：所述反馈电路，分别与主滤波器、各局部滤波器和参考系统相连，用于使用全局最优估计值对参考系统的参数进行校正，以及反馈重置各局部滤波器和主滤波器。较佳地，局部滤波器重置公式为：较佳地，主滤波器重置公式为：其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多源信息融合的组合导航设备，其特征在于，包括导航系统、辅助导航系统、卡尔曼EKF滤波器和联邦滤波器，所述联邦滤波器包括一个主滤波器和多个局部滤波器，所述导航系统包括全球卫星导航系统GNSS和惯性导航系统INS，所述辅助导航系统包括多模区域差分增强系统MLDAS、气压高度表和守时设备中的一种或者多种，其中：所述EKF滤波器用于对所述GNSS系统与所述INS系统进行紧组合滤波，输出融合后的数据；每一局部滤波器用于将GNSS系统与INS系统融合后的数据与一种辅助导航系统进行松组合滤波，计算出的局部估计值和误差协方差阵；主滤波器对EKF输出的融合数据进行滤波，根据滤波结果以及各局部滤波器的输出数据进行最优融合，得到全局最优估计值。

【技术特征摘要】
1.一种基于多源信息融合的组合导航设备，其特征在于，包括导航系统、辅助导航系统、卡尔曼EKF滤波器和联邦滤波器，所述联邦滤波器包括一个主滤波器和多个局部滤波器，所述导航系统包括全球卫星导航系统GNSS和惯性导航系统INS，所述辅助导航系统包括多模区域差分增强系统MLDAS、气压高度表和守时设备中的一种或者多种，其中：所述EKF滤波器用于对所述GNSS系统与所述INS系统进行紧组合滤波，输出融合后的数据；每一局部滤波器用于将GNSS系统与INS系统融合后的数据与一种辅助导航系统进行松组合滤波，计算出的局部估计值和误差协方差阵；主滤波器对EKF输出的融合数据进行滤波，根据滤波结果以及各局部滤波器的输出数据进行最优融合，得到全局最优估计值。2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括坐标转换电路和反馈电路，其中：所述坐标转换电路，用于将所述GNSS系统与所述INS系统的输出信号映射到以地心惯性坐标系ECI为导航坐标系下；所述EKF滤波器，与坐标转换电路相连，用于计算GNSS系统伪距测量结果与根据相应的INS系统导航解算得到的伪距预测结果之差，和GNS...

【专利技术属性】
技术研发人员：高锋，谭双福，衡国彬，徐靖然，唐富春，
申请(专利权)人：中卫物联成都科技有限公司，
类型：新型
国别省市：四川;51