一种无人机空中加油惯性辅助北斗三频精密相对导航方法

摘要

本发明公开了一种无人机空中加油惯性辅助北斗三频精密相对导航方法，包括加油机和受油机，加油机上的惯导与北斗卫星导航系统原始数据紧组合以获得加油机的实时位置及姿态信息，并通过数据链传输给受油机；选取加油机为移动基准站，受油机为流动站，建立组合双差载波相位及伪距观测方程；以惯导预测卫地距代替伪距观测量，采用改进的TCAR方法，建立短基线多路径误差模型，采用増广多路径参数的Kalman Filter模型及LAMBDA方法求解及固定原始载波模糊度，并在受油机上进行BDS/INS紧组合以获得两载体精密相对导航参数。本发明的有益效果是，导航精度高，实时性强，可靠性高。

说明书

技术领域

本发明涉及惯性/卫星组合导航技术领域，更具体地说，本发明涉及一种无人机空中加油惯性辅助北斗三频精密相对导航方法。

背景技术

自主空中加油可以大幅度提升无人机的续航能力，对空中军事力量有着及其重要的影响。在加油阶段，受油机与加油机的高度、速度、相对位置都必须严格保持不变。当受油机加进一部分燃油后，飞机重量就会增加，而加油机重量又会减轻，两机必须随时调整飞机的速度和姿态，以保证顺利实施加油，其中，加、受油机间的相对导航方法是实施该过程的关键技术。

传统的基于载波相位的差分卫星导航技术可实现厘米级相对定位精度，但是需要有精确位置已知的固定的基准站向流动站提供差分改正数，并且通讯距离有限；其次，载波相位整周模糊度的正确固定是实现高精度相对定位的关键，但在单频信号下，由于载波波长短，以及数据输出的高采样率及初始坐标的不准确，使得单历元的卫星观测数据会使观测方程的法矩阵严重病态，直接计算得到的模糊度实数解与真值相差较大，很难正确固定模糊度。随着我国北斗卫星导航系统的建设与发展，北斗卫星导航系统全星座公开播发三频信号，能够通过三频信号线性组合方式获得波长长、噪声低的组合观测量，为单历元高精度导航提供的可能。但是在空中加油中加油阶段，一方面，受油机位于体积庞大的加油机后下方，卫星受到部分遮挡，可见卫星数目减小，卫星几何结构受到影响，从而严重降低了卫星导航的精度；另一方面，加、受油机飞行速度快，动态高，卫星导航数据更新率低，难以满足实时导航的要求。因此，单纯的卫星导航系统不能满足空中加油在加油阶段的高精度及高可靠性要求。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种无人机空中加油惯性辅助北斗三频精密相对导航方法，本发明所要解决的技术问题是：空中加油中加油阶段，一方面，受油机位于体积庞大的加油机后下方，卫星受到部分遮挡，可见卫星数目减小，卫星几何结构受到影响，从而严重降低了卫星导航的精度；另一方面，加受油机飞行速度快，动态高，卫星导航数据更新率低，难以满足实时导航的要求。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种无人机空中加油惯性辅助北斗三频精密相对导航方法，包括加油机和受油机，包括以下步骤：

步骤一，加油机上的惯性导航系统与北斗卫星导航系统(BDS/INS)原始数据紧组合以获得加油机的实时位置及姿态信息，并通过数据链将加油机的实时位置及姿态信息传输给受油机；

步骤二，选取加油机为移动基准站，受油机为流动站，建立三组最优三频线性组合双差载波相位及伪距观测方程；

步骤三，以惯性导航系统预测卫地距代替伪距观测量，基于Gemotry-Free(GF)模型直接取整求取Extra Wide Lane(EWL)双差模糊度；

步骤四，由模糊度固定的Extra Wide Lane观测量构造精确伪距观测量，采用ILS法求解基于Gemotry-Base(GB)模型的Wide Lane(WL)双差模糊度并通过LAMBDA搜索固定；

步骤五，由模糊度固定的Wide Lane观测量构造精确伪距观测量，并建立短基线多路径误差模型，采用増广多路径参数的Kalman Filter模型求解基于Gemotry-Base模型的原始频率双差整周模糊度并通过LAMBDA搜索固定；

步骤六，受油机上采用原始模糊度固定的载波相位及伪距、多普勒观测量与惯性导航系统预测信息紧组合实时求解两运动载体的精密相对导航参数。

在一个优选地实施方式中，所述步骤一中，加油机上由惯性导航系统与北斗卫星导航系统原始数据紧组合导航系统的状态方程，表达式为：

组合系统状态量为：

W(t)＝[ω

其中，

组合导航的系统状态方程中，北斗卫星导航系统状态转移矩阵F

其中，Z

在一个优选地实施方式中，所述步骤二中，双差载波相位及伪距观测方程表达式如下：

式中，

其中，

在一个优选地实施方式中，所述步骤三中，卫地距采用惯性导航系统预测位置以及北斗卫星导航系统卫星星历计算惯性导航系统预测卫地距

在一个优选地实施方式中，所述步骤四中，在Extra Wide Lane模糊度取整确定后，将模糊度固定的Extra Wide Lane载波观测量视为精确伪距观测量，辅助求解WideLane模糊度；表达式为：

然后，采用geometry-based模型及ILS法求解Wide Lane模糊度，并采用LAMBDA方法搜索固定；geometry-based模型如下：

在一个优选地实施方式中，所述步骤五中，当确定Wide Lane模糊度后，将模糊度固定的Wide Lane载波观测量视为精确伪距观测量，进一步辅助求解基本模糊度；表达式为：

在一个优选地实施方式中，所述步骤六中，两运动载体的精密相对导航参数采用模糊度固定的载波相位、伪距及多普勒观测量与INS预测信息构造DGNSS/INS紧组合滤波模型，模型如下：

式中，ρ

本发明的技术效果和优点：

1、提高了精密性：

基于载波相位的差分卫星导航技术能够获得cm级的相对定位精度，其关键技术在于整周模糊度的快速准确固定，在单频信号下，由于载波波长短，以及高动态情况下，单历元的卫星观测数据相关性强，观测方程法矩阵严重病态，很难正确固定模糊度。北斗卫星导航系统是我国自主建设、独立运行的卫星导航系统，全星座公开播发三频信号，采用三频线性组合有利于构造波长长，噪声低的组合观测量，从而有利于单历元整周模糊度的正确固定，并且利用惯导输出速率快，短期精度高的优点，预测卫地距代替卫星伪距观测量，进一步减小伪距误差，有利于单历元模糊度的固定，提高模糊度固定成功率。

2、提高了可靠性：

卫星导航技术具有全球性、全天候以及高精度定位的优点，但是卫星信号很容易被遮挡，且易受外界干扰，在高动态情况下，接收机极易出现信号失锁等现象，这样会导致整周模糊度需重新固定以及周跳的频繁发生，从而严重影响导航定位结果。惯性导航是一种自主导航方式，抗干扰能力强，数据更新快，短期精度高，由于误差积累不可长时间单独使用。采用惯性/卫星组合导航系统可达到优势互补，在复杂环境下也能获得连续稳定高精度的导航结果，提高了系统的可靠性。

3、具有实时性：

动态应用中，卫星定位数据采样率虽然能够达到1～10Hz，但仍难以适用于飞行载体高动态环境中，而惯性导航的数据采样率一般都可达到100Hz以上，两者组合应用时，可在卫星数据完好时，能够对惯性误差进行修正，大大改善惯性导航精度，同时经过校正的惯性导航具有较好的稳定性能够进行高精度的导航参数预测，从而提高导航系统数据采样率，并提供更加平滑的导航结果，提高了系统实时性。

附图说明

图1为本发明空中加油中加油阶段相对导航示意图。

图2为本发明实施的基于移动基准站的惯性辅助北斗三频精密相对定位流程图。

图3为本发明实施的移动基准站惯性/差分卫星紧组合结构图。

图4为本发明实施的改进的惯性辅助北斗三频整周模糊度固定流程图。

图5为本发明组合观测量与巷数关系图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-5所示，本发明提供了一种无人机空中加油惯性辅助北斗三频精密相对导航方法具体步骤如下：

1.加油机上实现BDS/INS紧组合绝对定位，即将北斗卫星导航系统误差状态量和惯性系统误差状态量联合起来，共同作为组合导航系统状态量。一般而言，状态方程形式表示为

组合系统状态量为

W(t)＝[ω

Z

2.加油机的原始卫星伪距、载波相位观测量通过数据链传输至受油机，并以加油机为移动基准站，建立双差伪距及载波相位观测方程。表达式如下：

式中，

其中，

通过三频线性组合构造虚拟观测量，组合观测量及其相关参数定义如下：

其中，i,j,k为整数系数。组合波长及整周模糊度分别为：

N

一阶电离层刻度因子(相对于载波相位Φ

假定码观测噪声ε

定义载波相位噪声因子为：

定义总体噪声水平(TNL)为：

设f

表1 有用组合系数与观测量系数

优先从i+j+k＝0中进行筛选符合组合特征的组合系数，其中(0，-1，1)是具有波长长，电离层放大因子小且噪声放大因子很小的组合，无论基线长度如何，都可作为第一线性组合。第二组合选择需与(0，-1，1)线性独立，且对于短基线而言，电离层和对流层误差通过双差几乎完全消除，此时，观测噪声和多路径误差是主要的误差源，所选组合应具有较小的噪声放大因子和较长的波长，(1，0，-1)和(1，-1，0)均为较为合理的选择。第三组合需要与第一、第二组合线性无关，考虑从i+j+k＝1中进行筛选，对于短基线而言，所选组合也应具有较小的噪声放大因子和较长的波长，显然，此时原始观测值(1，0，0)、(0，1，0)和(0，0，1)具有最小的噪声放大因子，是最合理的选择。因此，最终选取三组组合系数为(0，-1，1)，(1，0，-1)，(1，0，0)。组合观测量如图5所示。

3.采用INS预测位置以及BDS卫星星历计算INS预测卫地距

要使上式正确，误差量需满足

4.在EWL模糊度取整确定后，可以将模糊度固定的EWL载波观测量视为精确伪距观测量，辅助求解WL模糊度。表达式为：

然后，采用geometry-based(GB)模型及ILS法求解WL模糊度，并采用LAMBDA方法搜索固定。GB模型如下：

5.当确定WL模糊度后，类似地，将模糊度固定的WL载波观测量视为精确伪距观测量，进一步辅助求解基本模糊度。表达式为：

假设双差载波相位多路径

式中，T为采样周期，q为谱密度常数。

6.采用模糊度固定的载波相位、伪距及多普勒观测量与INS预测信息构造DGNSS/INS紧组合滤波模型，此时，不考虑卫星系统误差量，方程形式及其他状态量同Eq.(1)。观测模型如下：

式中，ρ

7.移动基准站位置偏差对基线测量的影响可表示为：δX

需要说明的是：

首先，本发明未做具体说明的均采用现有技术；

其次：本发明公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本发明同一实施例及不同实施例可以相互组合；

最后：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。