一种GNSS/INS矢量深组合的系统及方法

技术领域

本申请涉及组合导航技术领域，具体地涉及一种GNSS/INS矢量深组合的系统及方法。

背景技术

全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GNSS)和惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS)具有很强的互补特性，两者的组合可以取长补短，获得比单独使用任一系统时更高的导航性能，也因此GNSS/INS组合导航系统得到了越来越广泛的研究和应用。

GNSS与INS的组合通常分为3种模式：松组合、紧组合和深组合。

其中，松组合是最简单的组合模式，GNSS与INS各自独立工作，并利用两者位置、速度信息及进行数据融合。紧组合相对复杂，根据GNSS接收机接收到的卫星星历信息和INS输出的位置、速度信息进行计算得到对应于INS位置的伪距与伪距，然后再与GNSS接收机测量得到的伪距与伪距率组合。再松组合与紧组合模式中，GNSS的信息可以抑制INS误差的累积，当卫星导航伪码与载波信号受遮挡无法正常工作时，INS可以提供连续的导航结果。

深组合时最深层次的组合方式，随着航空、航天、军事等应用对导航系统性能要求的提升，深组合技术逐渐成为国内外研究的重点。深组合除了可以完成松组合和紧组合的处理工作外，还可以利用INS的测量(加速度)或者是导航信息(位置、速度)对接收机的信号跟踪进行辅助。深组合需要深入到接收机内部，涉及接收机的信号处理层次的融合，在结构或算法方面都比松组合和紧组合更加辅助，是GNSS于INS最深层次的组合方式。在接收机中完成卫星导航伪码与载波信号调解(捕获、跟踪)的核心环节是信号跟踪环路。环路通过不断鉴别本地复制信号与接收信号的差异，进而调节压控振荡器使得本地复制信号的频率/相位与接收到的信号趋于一致，实现信号的捕获/跟踪。

然而，接收机的信号跟踪环路通常会受到多种误差源的影响，包括热噪声、晶振的不稳定性及载体动态等。在进行接收机设计时，为了保证接收机的动态性能就需要设置较大的环路带宽，然而越大的环路带宽通常意味着引入越多的环路噪声，也即牺牲了环路的抗噪声或者抗干扰性能甚至是灵敏度。反过来，为了获得更好的抗噪声或抗干扰性能就要减小环路带宽，这样环路的动态性能就会受到限制，传统接收机动态性能对带宽的要求与抗干扰、抗噪声性能对带宽的要求存在严重的矛盾性。

在传统GNSS接收机中，只能进行线性预测下一时刻同步参数，会引入较大误差，积分时间越长，则线性预测误差越大。因此，传统接收机中，当卫星导航伪码与载波信号被遮挡而变弱，无法修正线性预测误差时，跟踪环路很快失锁，一旦信号质量受到影响或者载体动态过大，GNSS接收机自身不能完成信号的跟踪锁定，整个系统将无法正常工作。因此，现有技术中的传统接收机跟踪环路设计中存在性能与带宽的设置相互矛盾的问题。

发明内容

本申请实施例的目的是提供一种GNSS/INS矢量深组合的系统和方法，用以解决现有技术中的传统接收机跟踪环路设计中存在性能与带宽的设置相互矛盾的问题。

为了实现上述目的，本申请第一方面提供一种GNSS/INS矢量深组合的系统，该系统包括：

惯导预测装置，被配置成根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号；

定位场观测装置，与惯导预测装置通信，被配置成根据本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号确定观测量；

组合滤波装置，与惯导预测装置和定位场观测装置通信，被配置成对观测量进行处理，以得到惯导误差修正量，将惯导误差修正量发送至惯导预测装置，以使惯导预测装置对INS生成的参数进行修正。

在本申请实施例中，惯导预测装置还被配置成对惯性导航器件和时钟单元的累计误差进行修正。

在本申请实施例中，惯导预测装置包括：

星历提取模块，被配置成获取卫星星历参数，根据卫星星历参数和信号传输延时确定修正误差；

惯导修正模块，与星历提取模块通信，被配置成根据修正误差对惯性导航器件的累计误差进行修正；

时钟校准模块，与星历提取模块通信，被配置成根据修正误差对时钟单元的累计误差进行修正。

在本申请实施例中，惯导预测装置还被配置成：

根据INS生成的参数确定本地卫星导航伪码与载波信号的载波频率、载波相位和码相位；

根据载波频率、载波相位和码相位生成本地卫星导航伪码与载波信号。

在本申请实施例中，定位场观测装置包括：

信号模块，与惯导预测装置通信，被配置成对本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的卫星导航伪码与载波信号进行相干积分，以得到相干积分累加值；

基带模块，与信号模块和组合滤波装置通信，被配置成通过信号跟踪算法对相干积分累加值进行处理，以得到测量值；

量测模块，与基带模块和组合滤波装置通信，被配置成根据测量值确定观测量；

导航模块，与量测模块通信，被配置成根据观测量进行定位与授时。

在本申请实施例中，观测量包括载波频率误差和相位误差，组合滤波装置还被配置成：

通过锁频环滤波器对载波频率误差进行处理，以得到处理后的载波频率误差；

通过锁相环滤波器对相位误差进行处理，以得到处理后的相位误差；

根据处理后的载波频率误差和处理后的相位误差确定惯导误差修正量。

本申请第二方面提供一种GNSS/INS矢量深组合的方法，应用于GNSS/INS矢量深组合的系统，GNSS/INS矢量深组合的系统包括惯导预测装置、定位场观测装置和组合滤波装置，该方法包括：

通过惯导预测装置根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号；

通过定位场观测装置根据本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号确定观测量；

通过组合滤波装置对观测量进行处理，以得到惯导误差修正量，将惯导误差修正量发送至惯导预测装置，以使惯导预测装置对INS生成的参数进行修正。

在本申请实施例中，根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号包括：

根据INS生成的参数确定本地卫星导航伪码与载波信号的载波频率、载波相位和码相位；

根据载波频率、载波相位和码相位生成本地卫星导航伪码与载波信号。

在本申请实施例中，根据本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号确定观测量包括：

对本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的卫星导航伪码与载波信号进行相干积分，以得到相干积分累加值；

对相干积分累加值进行处理，以得到测量值；

根据测量值确定观测量。

在本申请实施例中，观测量包括载波频率误差和相位误差，对观测量进行处理，以得到惯导误差修正量包括：

通过锁频环滤波器对载波频率误差进行处理，以得到处理后的载波频率误差；

通过锁相环滤波器对相位误差进行处理，以得到处理后的相位误差；

根据处理后的载波频率误差和处理后的相位误差确定惯导误差修正量。

通过上述技术方案，提供一种GNSS/INS矢量深组合的系统，包括惯导预测装置、定位场观测装置和组合滤波装置。惯导预测装置被配置成根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号；定位场观测装置与惯导预测装置通信，被配置成根据本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号确定观测量；组合滤波装置，与惯导预测装置和定位场观测装置通信，被配置成对观测量进行处理，以得到惯导误差修正量，将惯导误差修正量发送至惯导预测装置，以使惯导预测装置对INS生成的参数进行修正。本申请可以通过GNSS/INS矢量深组合的系统实现INS和GNSS之间的相互增益，通过惯导预测装置准确预测卫星导航伪码与载波信号的参数；并通过GNSS确定观测量，进一步得到惯导误差修正量，以约束INS误差发散，提高了系统的抗干扰性能和跟踪灵敏度。

本申请实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本申请实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本申请实施例，但并不构成对本申请实施例的限制。在附图中：

图1为本申请实施例提供的一种GNSS/INS矢量深组合的系统的结构示意图；

图2为本申请另一实施例提供的一种GNSS/INS矢量深组合的系统的结构示意图；

图3为本申请又一实施例提供的一种GNSS/INS矢量深组合的系统的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的一种GNSS/INS矢量深组合的方法的流程示意图；

图5为本申请一具体实施例提供的集中矢量深组合系统的结构示意图；

图6为本申请一具体实施例提供的载波跟踪环路的结构示意图；

图7为本申请一具体实施例提供的INS辅助载波跟踪环路的结构示意图；

图8为本申请一具体实施例提供的连续场景下跟踪卫星载噪比的示意图；

图9(a)、图9(b)、图9(c)和图9(d)为本申请一具体实施例提供的连续场景下GNSS/INS矢量深组合的误差估计的示意图。

附图标记说明

100 惯导预测装置 200 定位场观测装置

300 组合滤波装置 101 星历提取模块

102 惯导修正模块 103 时钟校准模块

201 信号模块 202 基带模块

203 量测模块 204 导航模块

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本申请实施例，并不用于限制本申请实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

需要说明，若本申请实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，若本申请实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本申请要求的保护范围之内。

图1为本申请实施例提供的一种GNSS/INS矢量深组合的系统的结构示意图。如图1所示，本申请实施例提供一种GNSS/INS矢量深组合的系统，该系统可以包括：

惯导预测装置100，被配置根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号；

定位场观测装置200，与惯导预测装置100通信，被配置成根据本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号确定观测量；

组合滤波装置300，与惯导预测装置100和定位场观测装置200通信，被配置成对观测量进行处理，以得到惯导误差修正量，将惯导误差修正量发送至惯导预测装置100，以使惯导预测装置100对INS生成的参数进行修正。

在本申请实施例中，GNSS即全球卫星导航系统，INS即惯性导航系统。深组合是GNSS和INS的最深层次的组合方式，在深组合系统中，可以利用INS的测量信息或者导航信息对GNSS的接收机的信号跟踪进行辅助。在接收机中完成卫星导航伪码与载波信号解调，其核心环节是信号跟踪环路，信号跟踪环路可以不断鉴别本地信号与接收信号的差异，进而调节压控振荡器，使得本地复制信号的频率和相位与接收到的信号区域一致，以实现信号的捕获及跟踪。由于接收机的信号跟踪环路通常会受到多种误差源的影响，例如热噪声、晶振的不稳定性及载体动态等，导致传统接收机动态性能对带宽的要求与抗干扰和抗噪声性能对带宽的要求存在严重的矛盾性。因此，需要通过矢量深组合系统实现INS和GNSS之间的相互增益，以解决传统接收机跟踪环路设计中性能与带宽设置的矛盾问题。

在本申请实施例中，GNSS/INS矢量深组合系统主要包括惯导预测装置100、定位场观测装置200以及组合滤波装置300。其中，惯导预测装置100分别与定位场观测装置200和组合滤波装置通信300，定位场观测装置200可以与组合滤波装置300通信。

惯导预测装置100主要用于根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号。其中，INS生成的参数是指INS生成的卫星导航伪码与载波信号的参数。在一个示例中，可以根据INS生成的参数得到卫星导航伪码与载波信号同步参数，进一步根据卫星导航伪码与载波信号同步参数生成本地卫星导航伪码与载波信号。在另一个示例中，惯导预测装置100可以根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号，INS提供的预测信息可以为PVCC信息，惯导预测装置100可以根据PVCC信息计算出载波频率、载波相位和码相位等，在确定载波频率、载波相位和码相位等数据的情况下，即可生成本地卫星导航伪码与载波信号。惯导预测装置100可以与定位场观测装置200通信，生成本地卫星导航伪码与载波信号之后，可以将本地卫星导航伪码与载波信号发送至定位场观测装置200，以进一步处理。

在本申请实施例中，定位场观测装置200即GNSS接收机，主要用于根据本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号确定观测量。具体地，通过将本地生成的本地卫星导航伪码与载波信号与天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号进行相干积分，获得足够的信噪比增益后，经过误差鉴别处理以得到观测量，并利用观测量实现定位和授时。在一个示例中，GNSS接收机跟踪环路最主要的任务是维持跟踪环路码相位和载波频率的锁定，剥离中频信号中的载波信号和C/A码信息，提取卫星提供的二进制导航电文。矢量跟踪环的每个通道跟踪一颗卫星，对应一个通道预处理滤波器，主要用来估算该跟踪环路的码相位误差、载波频率误差等估计误差信息，将误差信息转化为对应的伪距偏差、伪距率偏差信息，这些量可以作为下一级导航主滤波器的观测信号。

在本申请实施例中，组合滤波装置300主要用于对观测量进行处理，以得到惯导误差修正量，将惯导误差修正量发送至惯导预测装置100，以使惯导预测装置100对INS生成的参数进行修正。其中，惯导误差修正量为惯导误差修正信息等相干数据。在一个示例中，组合滤波装置300向惯导预测装置100输入惯导修正信息等相关数据，可以辅助惯导预测装置100更加精准地预测GNSS的信号参数。

具体地，组合滤波装置300将惯导误差修正量输入至惯导预测装置100，惯导预测装置100通过惯导误差修正量对INS生成的参数进行修正，INS重新生成GNSS的信号参数并结合天线输入的卫星导航伪码与载波信号重新生成本地信号，重新确定观测量，根据观测量重新确定惯导误差修正量。重复以上步骤，直至本地卫星导航伪码与载波信号与天线输入的卫星导航伪码与载波信号趋于一致。

在本申请实施例中，在GNSS/INS矢量深组合的系统中，INS对载体动态的测量可以预测接收机与卫星之间的相对运动，接收机需要承受的动态应力大大减小，环路就可以稳定工作在较高的动态条件下。利用惯性辅助信息辅助接收机跟踪环路，可以压缩环路带宽，减小环路噪声，提高载噪比，进而提高系统的抗干扰性能；在惯性辅助信息作用下，接收机压缩环路带宽，减少环路噪声，同时为延长相干积分时间提供了可能，进而可以提高跟踪灵敏度。

本申请实施例要通过GNSS/INS矢量深组合的系统实现INS和GNSS之间的相互增益。就GNSS角度而言，矢量深组合系统主要利用INS提供信号参数，使得在强噪声，弱卫星导航伪码与载波信号的场景中，通过相干积分的方法，提高信噪比，获得较高的环路增益，使得GNSS接收机可以进行尽量长时间的相干积分，敏感定位场信息进行定位和授时，降低环路噪声的影响，提高抗噪声抗干扰能力和跟踪灵敏度。就INS角度而言，由于惯性器件测量值存在噪声和漂移，经过积分得到的速度、位置结果将随时间发散，GNSS接收机敏感定位场后，其定位和授时结果可以用来约束INS误差发散。

通过上述技术方案，提供一种GNSS/INS矢量深组合的系统，包括惯导预测装置100、定位场观测装置200和组合滤波装置300。惯导预测装置100被配置成根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号；定位场观测装置200与惯导预测装置100通信，被配置成根据本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号确定观测量；组合滤波装置300，与惯导预测装置100和定位场观测装置通信300，被配置成对观测量进行处理，以得到惯导误差修正量，将惯导误差修正量发送至惯导预测装置100，以使惯导预测装置100对INS生成的参数进行修正。本申请可以通过GNSS/INS矢量深组合的系统实现INS和GNSS之间的相互增益，通过惯导预测装置100准确预测卫星导航伪码与载波信号的参数；并通过GNSS确定观测量，进一步得到惯导误差修正量，以约束INS误差发散，提高了系统的抗干扰性能和跟踪灵敏度。

在本申请实施例中，惯导预测装置100还可以被配置成对惯性导航器件和时钟单元的累计误差进行修正。

在本申请实时中，惯导预测装置100还可以对惯性导航器件和时钟单元的累计误差进行修正。在GNSS/INS矢量深组合的系统中，惯导预测装置的预测精度与惯性器件精度和时钟晶振精度相关。在INS的辅助下，接收机跟踪环路的主要误差项从载体动态引起误差转变为INS估计误差和晶振误差。接收机的晶振是接收机的频率基准信号的来源，直接影响接收机性能。惯性器件的等级则影响INS辅助信息的质量，进而会影响深组合系统性能。

在一个示例中，INSS可以使用高精度惯性器件和高精度时钟晶振，如此在长时间内准确生成卫星导航伪码与载波信号同步参数，但成本较高并且体积较大。在另一个示例中，INSS可以使用低精度惯性器件和低精度时钟晶振，如此可以降低成本，且体积小，但是只能在短时间内准确生成卫星导航伪码与载波信号同步参数。在实际应用中，若在短时间内GNSS的观测量能用于修正惯性器件和时钟晶振误差，也能保证系统长时间高精度运行，因此，可以根据实际应用场景来选择惯性器件和时钟晶振。

图2为本申请另一实施例提供的一种GNSS/INS矢量深组合的系统的结构示意图。如图2所示，惯导预测装置100可以包括：

星历提取模块101，被配置成获取卫星星历参数，根据卫星星历参数和信号传输延时确定修正误差；

惯导修正模块102，与星历提取模块101通信，被配置成根据修正误差对惯性导航器件的累计误差进行修正；

时钟校准模块103，与星历提取模块101通信，被配置成根据修正误差对时钟单元的累计误差进行修正。

在本申请实施例中，惯导预测装置100可以包括星历提取模块101、惯导修正模块102和时钟校准模块103。其中，星历提取模块101主要用于获取卫星星历参数，根据卫星星历参数和信号传输延时确定修正误差。在一个示例中，星历提取模块101可以提供卫星钟偏、电离层、对流层、地球自转信息，用于提高GNSS同步参数的预测精度，并对卫星钟偏、电离层、对流层、地球自转进行计算，根据卫星星历参数和信号传输延时，计算后得到修正误差。惯导修正模块102和时钟校准模块103可以根据该修正误差分别对惯性导航器件的累计误差和时钟单元的累计误差。在另一个示例中，可以先确定惯导和时钟的修正误差，再根据惯导和时钟的修正误差修正INS生成的参数，最终再转换为GNSS同步参数。

在本申请实施例中，惯导预测装置100还可以被配置成：

根据INS生成的参数确定本地卫星导航伪码与载波信号的载波频率、载波相位和码相位；

根据载波频率、载波相位和码相位生成本地卫星导航伪码与载波信号。

具体地，根据接收机时间、星历文件迭代计算卫星信号发射时刻、卫星位置、卫星速度、卫星钟偏和伪距；GPS信号L1频段C/A测距码的周期为1ms，而且与卫星时钟整秒对齐，因此，可以根据信号发射时刻计算伪码相位，伪码相位的单位为码片。在忽略卫星钟漂的情况下，计算载波率和载波相位；根据载噪比估计结果计算信号幅值。最后，在确定了信号幅值、码相位、载波相位、载波频率和跟踪上的载波相位的情况下，即可生成本地信号。

图3为本申请又一实施例提供的一种GNSS/INS矢量深组合的系统的结构示意图。如图3所示，定位场观测装置200可以包括：

信号模块201，与惯导预测装置100通信，被配置成对本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的卫星导航伪码与载波信号进行相干积分，以得到相干积分累加值；

基带模块202，与信号模块201和组合滤波装置300通信，被配置成通过信号跟踪算法对相干积分累加值进行处理，以得到测量值；

量测模块203，与基带模块202和组合滤波装置300通信，被配置成根据测量值确定观测量；

导航模块204，与量测模块通信203，被配置成根据观测量进行定位与授时。

在本申请实施例中，定位场观测装置200即GNSS接收机，按照卫星导航伪码与载波信号处理流程，且考虑到不同的GNSS导航算法兼容性问题，将GNSS接收机具体分为信号、基带、量测、导航4个层次，即将定位场观测装置200可以包括信号模块201、基带模块202、量测模块203和导航模块204。

在本申请实施例中，定位场观测装置200接收惯导预测装置100生成的本地卫星导航伪码与载波信号，并获取天线输入信号，进而通过信号模块201将本地信号与天线输入的信号进行相关并相干累加，以得到相干积分累加值，进而通过基带模块202对相干积分累加值进行信号跟踪算法处理，以得到测量值。其中，测量值是指载波频率、载波相位、码相位等测量值。基带模块202将测量值输入至量测模块203，量测模块203可以实现导航电文调解，并根据测量值确定观测量，并将观测量输入至组合滤波装置进行下一步处理。在本申请实施例中，在GNSS/INS矢量深组合的环路结构中，将基带I/Q信号通过鉴相器后，将得到的码相位跟踪误差和载波相位跟踪误差作为通道预处理滤波器的观测量。通道预处理滤波器利用码跟踪误差、载波跟踪误差和载波频率变化率误差等作为状态量，将码跟踪误差和载波跟踪误差相互耦合在一起，两者相互辅助，可以更加精确地估计和预测载波频率和码相位的变化。

在本申请实施例中，导航模块204可以获取量测层203输出的观测量，进而根据观测量实现定位与授时功能。

在一个示例中，定位场观测装置200接收惯导预测装置100生成的本地信号，并获取天线输入信号，进而将本地信号与天线输入的信号进行相关并相干累加，获得足够的信噪比增益后，可以敏感定位场信息，将累加结果经过频率鉴别器和码相位鉴别器进行处理，以得到载波频率误差和码相位误差。

其中，载波频率误差代表速度域误差，是计算外部辅助频率时因INS速度、接收机钟漂不准确引起的误差；码相位误差代表位置域误差，时计算辅助码相位时因INS位置、接收机钟漂不准确引起的误差。

在本申请实施例中，INS生成的预测信息与载波频率误差和码相位误差存在一定的相关性。如果INS生成的PVCC信息准确无误，则载波频率误差和码相位误差为零；反之，载波频率误差和码相位误差不为零，INS生成的PVCC信息存在误差。由此可知，载波频率误差和码相位误差的大小反映了INS生成PVCC信息的准确度，因此，可以通过载波频率误差和码相位误差来判断INS生成信息的准确度。

在本申请实施例中，可以把载波误差视为伪距率误差，把码相位误差视为伪距误差，并将载波误差与码相位误差作为定位场观测装置200输出的观测量，定位场观测装置200将观测量输入至组合滤波装置300中以进行下一步处理。

在一个示例中，需要对观测量进行多路径误差补偿和信号完好性分析处理，以此来剔除不健康的卫星，并在此基础上根据卫星仰角和载噪比来选择可用卫星并进行通道分配。

在本申请实施例中，观测量包括载波频率误差和相位误差，组合滤波装置300还可以被配置成：

通过锁频环滤波器对载波频率误差进行处理，以得到处理后的载波频率误差；

通过锁相环滤波器对相位误差进行处理，以得到处理后的相位误差；

根据处理后的载波频率误差和处理后的相位误差确定惯导误差修正量。

在本申请实施例中，锁相环一般由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成，锁相环滤波器即锁相环组成部分中的滤波器。锁频环实质上就是动态运用的自动频率微调电路，是一种典型的自动控制环路，锁频环主要用于代替锁相环作为跟踪滤波器来跟踪卫星等大动态参数目标，或相位急剧变化的信号。在本申请实施例中，通过锁频环滤波器对载波频率误差进行处理，通过锁相环滤波器对相位误差进行处理，两者对应相加，可以实现锁频环辅助锁相环。

图4为本申请实施例提供的一种GNSS/INS矢量深组合的方法的流程示意图。如图4所示，本申请第二方面提供一种GNSS/INS矢量深组合的方法，应用于GNSS/INS矢量深组合的系统，GNSS/INS矢量深组合的系统包括惯导预测装置、定位场观测装置和组合滤波装置，该方法可以包括下列步骤：

步骤401、通过惯导预测装置根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号；

步骤402、通过定位场观测装置根据本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号确定观测量；

步骤403、通过组合滤波装置对观测量进行处理，以得到惯导误差修正量，将惯导误差修正量发送至惯导预测装置，以使惯导预测装置对INS生成的参数进行修正。

在本申请实施例中，INS生成的参数是指INS生成的卫星导航伪码与载波信号的参数。在一个示例中，可以根据INS生成的参数得到卫星导航伪码与载波信号同步参数，进一步根据卫星导航伪码与载波信号同步参数生成本地卫星导航伪码与载波信号。在另一个示例中，惯导预测装置可以根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号，INS提供的预测信息可以为PVCC信息，惯导预测装置可以根据PVCC信息计算出载波频率、载波相位和码相位等，在确定载波频率、载波相位和码相位等数据的情况下，即可生成本地卫星导航伪码与载波信号。惯导预测装置可以与定位场观测装置通信，生成本地卫星导航伪码与载波信号之后，可以将本地卫星导航伪码与载波信号发送至定位场观测装置，以进一步处理。

在本申请实施例中，通过定位场观测装置将本地生成的本地卫星导航伪码与载波信号与天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号进行相干积分，获得足够的信噪比增益后，经过误差鉴别处理以得到观测量，进一步将观测量输入至组合滤波装置以进一步处理。通过组合滤波装置对观测量进行组合滤波处理，以得到惯导误差修正量，将惯导误差修正量发送至惯导预测装置，以使惯导预测装置对INS生成的参数进行修正。其中，惯导误差修正量为惯导误差修正信息等相干数据。在一个示例中，组合滤波装置向惯导预测装置输入惯导修正信息等相关数据，可以辅助INS更加精准地预测GNSS的信号参数。

在本申请实施例中，INS对载体动态的测量可以预测接收机与卫星之间的相对运动，接收机需要承受的动态应力大大减小，环路就可以稳定工作在较高的动态条件下。利用惯性辅助信息辅助接收机跟踪环路，可以压缩环路带宽，减小环路噪声，提高载噪比，进而提高系统的抗干扰性能；在惯性辅助信息作用下，接收机压缩环路带宽，减少环路噪声，同时为延长相干积分时间提供了可能，进而可以提高跟踪灵敏度。

在本申请实施例中，根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号可以包括：

根据INS生成的参数确定本地卫星导航伪码与载波信号的载波频率、载波相位和码相位；

根据载波频率、载波相位和码相位生成本地卫星导航伪码与载波信号。

具体地，根据接收机时间、星历文件迭代计算卫星信号发射时刻、卫星位置、卫星速度、卫星钟偏和伪距；GPS信号L1频段C/A测距码的周期为1ms，而且与卫星时钟整秒对齐，因此，可以根据信号发射时刻计算伪码相位，伪码相位的单位为码片。在忽略卫星钟漂的情况下，计算载波率和载波相位；根据载噪比估计结果计算信号幅值。最后，在确定了信号幅值、码相位、载波相位、载波频率和跟踪上的载波相位的情况下，即可生成本地信号。

在本申请实施例中，根据本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号确定观测量可以包括：

对本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的卫星导航伪码与载波信号进行相干积分，以得到相干积分累加值；

对相干积分累加值进行处理，以得到测量值；

根据测量值确定观测量。

在本申请实施例中，定位场观测装置接收惯导预测装置生成的本地卫星导航伪码与载波信号，并获取天线输入信号，进而通过信号模块将本地信号与天线输入的信号进行相关并相干累加，以得到相干积分累加值，进而通过基带模块对相干积分累加值进行信号跟踪算法处理，以得到测量值。其中，测量值是指载波频率、载波相位、码相位等测量值。基带层将测量值输入至量测层，量测层可以实现导航电文调解，并根据测量值确定观测量。在本申请实施例中，观测量即载波频率误差和码相位误差，在GNSS/INS矢量深组合的环路结构中，将基带I/Q信号通过鉴相器后，将得到的码相位跟踪误差和载波相位跟踪误差作为通道预处理滤波器的观测量。通道预处理滤波器利用码跟踪误差、载波跟踪误差和载波频率变化率误差等作为状态量，将码跟踪误差和载波跟踪误差相互耦合在一起，两者相互辅助，可以更加精确地估计和预测载波频率和码相位的变化。

在本申请实施例中，观测量包括载波频率误差和相位误差，对观测量进行处理，以得到惯导误差修正量可以包括：

通过锁频环滤波器对载波频率误差进行处理，以得到处理后的载波频率误差；

通过锁相环滤波器对相位误差进行处理，以得到处理后的相位误差；

根据处理后的载波频率误差和处理后的相位误差确定惯导误差修正量。

在本申请实施例中，锁相环一般由鉴相器、环路滤波器和压控振荡器组成，锁相环滤波器即锁相环组成部分中的滤波器。锁频环实质上就是动态运用的自动频率微调电路，是一种典型的自动控制环路，锁频环主要用于代替锁相环作为跟踪滤波器来跟踪卫星等大动态参数目标，或相位急剧变化的信号。在本申请实施例中，通过锁频环滤波器对载波频率误差进行处理，通过锁相环滤波器对相位误差进行处理，两者对应相加，可以实现锁频环辅助锁相环。

通过上述技术方案，提供一种GNSS/INS矢量深组合的系统，包括惯导预测装置、定位场观测装置和组合滤波装置。惯导预测装置被配置成根据INS生成的参数生成本地卫星导航伪码与载波信号；定位场观测装置与惯导预测装置通信，被配置成根据本地卫星导航伪码与载波信号和天线输入的天线卫星导航伪码与载波信号确定观测量；组合滤波装置，与惯导预测装置和定位场观测装置通信，被配置成对观测量进行处理，以得到惯导误差修正量，将惯导误差修正量发送至惯导预测装置，以使惯导预测装置对INS生成的参数进行修正。本申请可以通过GNSS/INS矢量深组合的系统实现INS和GNSS之间的相互增益，通过INS准确预测卫星导航伪码与载波信号的参数；并通过GNSS确定观测量，进一步得到惯导误差修正量，以约束INS误差发散，提高了系统的抗干扰性能和跟踪灵敏度。

在本申请一具体实施例中，一种GNSS/INS矢量深组合的系统可以包括以下装置：

惯导预测装置，惯导预测装置中的星历提取主要提供卫星钟偏、电离层、对流层和地球自转信息，用于提高GNSS同步参数的预测精度，并对卫星钟偏、电离层、对流层和地球自转进行计算，根据卫星星历参数和信号传输延时，计算后得到修正误差。所述的惯导和时钟的修正误差，用于修正预测的伪距和伪距率，最终再转换为GNSS同步参数。惯导预测精度与惯性器件精度和时钟晶振精度相关，使用高精度惯性器件和高精度晶振，能够在长时间内准确的预测卫星导航伪码与载波信号同步参数，但成本高并且体积大；反之，使用低精度惯性器件和低精度晶振，在短时间内能够准确的预测卫星导航伪码与载波信号同步参数，体积小，成本低，如果在短时间内GNSS观测值能用于修正惯性器件和晶振误差，也能保证系统长时间高精度运行。工程上，可以根据应用场景来选择惯性器件和晶振。

定位场观测装置，定位场观测装置对观测量需要进行多路径误差补偿、信号完好性分析处理，以此来剔除不健康的卫星，并在此基础上根据卫星仰角、载噪比来选择可用卫星并分配通道，所述的敏感定位场信息可归结为信号估计问题进行处理。按照卫星导航伪码与载波信号处理流程，且考虑到不同的GNSS导航算法兼容性问题，将GNSS接收机具体分为信号层、基带层、量测层和导航层4个层次。信号层输入为中频采样点，实现相干积分，输出相干积分累加值；基带层输入为相干积分I/Q值，实现信号跟踪算法，输出载波频率、载波相位、码相位等测量值；量测层实现导航电文解调、提取伪距、伪距率观测量并输出；导航层实现导航与授时功能。

组合滤波装置，组合滤波装置根据惯导预测偏差，使用扩展Kalman滤波器(EKF，Extended Kalman Filter)进行低通滤波后，得到惯导误差修正量，对惯导状态误差进行修正。在深组合系统中，惯导对载体动态的测量可以预测接收机与卫星之间的相对运动，接收机需要承受的动态应力大大减小，环路就可以稳定工作在较高的动态条件下。利用惯性辅助信息辅助接收机跟踪环路，可以压缩环路带宽，减小环路噪声，提高载噪比，进而提高系统的抗干扰性能；在惯性辅助信息作用下，接收机压缩环路带宽，减少环路噪声，同时为延长相干积分时间提供了可能，进而可以提高跟踪灵敏度。在INS的辅助下，接收机跟踪环路的主要误差项从载体动态引起误差转变为INS估计误差和晶振误差。接收机的晶振是接收机的频率基准信号的来源，直接影响接收机性能。惯性器件的等级则影响INS辅助信息的质量，进而会影响深组合系统性能。矢量跟踪的GNSS/INS深组合矢量跟踪环路中的导航滤波器利用预滤波器的输出作为观测量，对INS的定位误差进行估计，然后利用误差校正后的INS导航解计算得到的码多普勒和载波多普勒估计值，控制本地信号的生成。

在本申请一具体实施例中，一种GNSS/INS矢量深组合的方法可以包括以下步骤：

步骤1、惯导预测模块提供卫星导航伪码与载波信号同步参数，生成用于生成本地卫星导航伪码与载波信号，惯导预测主要包括星历、惯性传感器(IMU)和时钟。

步骤2、对卫星钟偏、电离层、对流层和地球自转进行计算，根据卫星星历参数和信号传输延时，计算后得到修正误差；

步骤3、根据PVCC信息计算卫星导航伪码与载波信号同步参数的原理和流程为：

1)根据接收机时间、星历文件，迭代计算卫星信号发射时刻、卫星位置、卫星速度、卫星钟偏和伪距；

2)GPS L1 C/A测距码周期为1ms，而且与卫星时钟整秒对齐，因此可以根据信号发射时刻计算伪码相位(单位为码片)；

3)忽略卫星钟漂，计算载波频率和载波相位；

4)根据载噪比估计结果计算信号幅值；

5)已知信号幅值、码相位、载波相位、载波频率和跟踪上的载波相位，即可生成卫星信号。

步骤4、定位场观测模块通过使用本地生成的卫星导航伪码与载波信号与天线输入卫星导航伪码与载波信号进行相干积分，获得足够的信噪比增益后，可以敏感定位场信息，经过误差鉴别后得到观测量，利用观测量实现定位和授时；

步骤5、对观测量需要进行多路径误差补偿、信号完好性分析处理，以此来剔除不健康的卫星，并在此基础上根据卫星仰角、载噪比来选择可用卫星并分配通道。

步骤6、按照卫星导航伪码与载波信号处理流程，且考虑到不同的GNSS导航算法兼容性问题，将GNSS接收机具体分为信号层、基带层、量测层和导航层4个层面；

步骤7、信号层、基带层、量测层和导航层等观测量输入到组合滤波模块中；

步骤8、组合滤波模块根据敏感定位场后给出的惯导预测偏差，使用扩展Kalman滤波器(EKF，Extended Kalman Filter)进行低通滤波后，得到惯导误差修正量，对惯导状态误差进行修正，可归结为控制问题进行处理；

步骤9、组合滤波模块向惯导模块输入误差修正信息等相关数据，辅助惯导更加精准的进行预测。

图5为本申请一具体实施例提供的集中矢量深组合系统的结构示意图。如图5所示，在一个具体实施例中，GNSS与INS组成一个大环路，以实现卫星导航伪码与载波信号跟踪和INS误差修正，GNSS/INS矢量深组合的系统的工作流程如下：

GNSS根据INS生成的PVCC信息计算载波频率、载波相位和码相位并产生本地信号。接着将本地信号与天线输入的信号进行相关并相干累加，将累加结构经过频率鉴别器和码相位鉴别器后得到载波频率误差和码相位误差。

载波频率误差代表速度域误差，是计算外部辅助频率时因为INS速度、接收机钟漂不准确引起的误差；

码相位误差代表位置域误差，是计算辅助码相位时因为INS位置、接收机钟偏不准确引起的误差。

如果INS预测的PVCC信息准确无误，则载波频率误差和码相位误差为零，反之，则载波频率误差和码相位误差大小反映了INS生成PVCC信息的准确度。

在GNSS/INS矢量深组合系统中，可以将载波频率误差是为u伪距率误差，把相位误差视为伪距误差，并将载波频率误差和码相位误差作为组合滤波的观测量。将观测量经过组合滤波处理后，更新INS误差和接收机时钟误差，利用更新后的INS信息、接收机时钟信息重新预测PVCC信息，开始下一轮循环。

图6为本申请一具体实施例提供的载波跟踪环路的结构示意图。如图6所示，在一具体实施例中，在载波跟踪环路的实现中，在INS辅助信息无效的情况下，开关下拨，使用宽带宽环路滤波器进行载波跟踪。在INS辅助信息有效的情况下，开关上拨，使用窄带宽环路滤波器。

在组合滤波方面，滤波频率越高，GNSS对INS误差修正的效果越大，对INS引入的噪声也越大，且容易破坏INS的独立性。反之，滤波频率越低，则INS误差修正效果越不明显。因此，在实际应用中应折中选择滤波频率。

图7为本申请一具体实施例提供的INS辅助载波跟踪环路的结构示意图。如图7所示，在本申请一具体实施例中，在引入INS辅助信息后的GNSS载波跟踪环路设计中，将输入的中频数据与本地数据进行相关，将相干后的数据经过A&D(累加、清零)模块处理，得到相干积分时间内同相路累加值和正交路累加值。

接着，通过鉴频器和鉴相器对得到的累加值进行处理。具体地，经鉴频器处理后得到频率误差，经过FLL滤波器滤除高频分量；鉴相器处理后得到相位误差，经过PLL滤波器滤除高频分量。将两者对应相加，实现FLL辅助PLL。将环路滤波的结果再与INS辅助多普勒f

通过上述技术方案，由于INS辅助多普勒f

在本申请又一实施例中，以GNSS/INS矢量深组合的系统在低动态连续场景下的位置估计为例，参考ADIS16477-2设置仿真惯性器件指标，在低动态连续场景下进行，该场景包含静止、加减速、转弯运动。

加减速阶段最大加速度1g，加加速度1g/s，最大速度80m/s，转弯阶段向心加速度1.6g，轨迹时间120s。

低动态场景下，预先仿真设置轨迹的位置、速度、姿态、角速度和加速度曲线等参数信息，并在相同条件下进行矢量深组合的参数输出，对比分析误差以评估矢量深组合系统性能优势。

陀螺仪仿真参数中，零偏稳定性为2.5°/h，角度随机游走为0.15°/√h，初始零偏为[0.1,0.2,0.3]°/s，采样周期为100Hz。

加速度计仿真参数中，零偏稳定性为13μg，速度随机游走为0.037m/s/√h，初始零偏为[-2,2,-3]mg，采样周期为100Hz。

图8为本申请一具体实施例提供的连续场景下跟踪卫星载噪比的示意图。如图8所示，在一具体实施例中，在低动态连续场景下，通过不同跟踪卫星载噪比，对矢量深组合系统的位置、速度、姿态和加速度计零偏估计等性能进行了估计。跟踪卫星载噪比连续无中断时，均在37dB/Hz参考范围以上。

根据以上数据，通过仿真输出GNSS/INS矢量深组合系统的位置、速度、姿态和加速度计零偏估计等信息，并对该信息进行误差分析。

图9(a)～图9(d)为本申请一具体实施例提供的连续场景下GNSS/INS矢量深组合的误差估计的示意图。如图9所示，图9(a)为位置误差数示意图，图9(b)为速度误差数示意图，图9(c)为姿态误差数示意图，图9(d)为加速度计零偏估计值示意图。在一具体实施例中，位置误差分析中，分别从高度、经度和纬度进行单一和综合误差估计。

速度误差分析中，分别从地向速度误差、东向速度误差和北向速度误差进行单一和综合误差估计。

姿态误差分析中，分别从滚转角、俯仰角和航向角进行单一和综合误差估计。

加速度计零偏估计误差分析中，分别从x、y和z轴进行单一和综合误差估计。

据仿真分析结果表明，低动态场景矢量深组合模式下，定位精度优于1m，测速精度优于0.005m/s。由此可知，GNSS/INS矢量深组合的系统可以实现INS和GNSS之间的相互增益，通过INS准确预测卫星导航伪码与载波信号的参数；并通过GNSS确定观测量，进一步得到惯导误差修正量，以约束INS误差发散，提高了系统的抗干扰性能和跟踪灵敏度，从而提高导航定位的精度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(CPU)、输入/输出接口、网络接口和内存。

存储器可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(RAM)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(ROM)或闪存(flash RAM)。存储器是计算机可读介质的示例。

计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。