多星座GNSS/INS组合导航误差补偿理论与算法研究

In GNSS/INS integrated navigation, it is difficult to construct appropriate state model and random model for Kalman filtering. In this project, the state model errors and random model errors of the Kalman filter in multiple GNSS/INS integrated navigation will be analyzed and processed based on the former research on INS error analysis and compensation on the basis of some time and frequency analyzing methods. The total research consists of: 1) the research on the error compensation of the observation random model; 2) the research on the error compensation of the state model; 3) the research on the error compensation of the state random model; 4) the adaptive integrated algorithm; and 5) the INS assistant ambiguity resolution. These researches will radically impair the function and the random errors induced by INS errors which restrict the multiple GNSS/INS integrated navigation for long. And a set of theories and algorithms will be built up for GNSS/INS error analysis and compensation based on INS error analysis to improve the accuracy, reliability and continuity.

构建合适的状态模型及其随机模型一直是GNSS/INS组合导航Kalman滤波中的研究难点。本课题拟在目前承担的青年科学基金“基于多种时频分析法的INS误差分析与补偿理论研究”研究基础上，对多星座GNSS/INS组合导航Kalman滤波的状态模型误差和随机模型误差进行深入分析、研究和处理。研究内容包括：1）多星座GNSS/INS组合导航观测随机模型误差补偿研究；2）状态模型误差补偿研究；3）状态随机模型误差补偿研究；4）自适应融合算法研究；5）INS辅助GNSS模糊度解算研究。通过本项目的研究可望从INS误差角度建立相关模型以补偿GNSS/INS组合导航函数模型和随机模型中的误差，解决一直制约GNSS/INS组合导航的瓶颈问题，构建一套基于INS误差分析的GNSS/INS组合导航误差补偿理论和算法，提高整个系统的精度、可靠性与连续性。

由INS误差构建合适的状态模型及其随机模型一直是GNSS/INS组合导航Kalman滤波中的研究难点。本课题对多星座GNSS/INS组合导航Kalman滤波的状态模型误差和随机模型误差进行深入分析、研究和处理。针对多星座GNSS/INS组合导航观测模型误差，对BDS/GPS融合定位中系统间偏差补偿模型及其性能进行了分析，建立了顾及系统误差的BDS/GPS融合定位模型；针对多星座组合导航观测随机模型误差，考虑由GNSS观测条件不佳或观测不足引起的误差，在一般自适应滤波的基础之上，对其进行扩展，自适应地调节状态预测向量的协方差阵，减小误差影响；针对状态模型误差，利用Allan方差建立高阶AR模型取代一阶马尔科夫过程，引入滤波状态方程和系统噪声矩阵中，有效表达了惯性元件的随机误差；针对状态随机模型误差，推导了由惯性元件随机误差构成的状态噪声矩阵与滤波估值及其协方差矩阵的近似关系，分析了惯性元件随机误差对滤波估值及其协方差矩阵的影响；针对自适应融合算法，从参数可观测性角度构建出一种两步自适应Kalman滤波算法，有效抑制动态扰动异常和观测异常的影响，避免姿态角错误修正；针对INS辅助GNSS模糊度解算，将INS在短时间内推算获得的位置和速度信息作为先验约束，从而减小模糊度搜索空间，提高计算效率和固定成功率。通过本项目的研究从INS误差角度建立相关模型以补偿GNSS/INS组合导航函数模型和随机模型中的误差，解决一直制约GNSS/INS组合导航的瓶颈问题，构建了一套基于INS误差分析的GNSS/INS组合导航误差补偿理论和算法，提高整个系统的精度、可靠性与连续性。