本公开涉及卫星定位，尤其涉及一种卫星导航和惯性导航的组合定位方法、装置及系统。
背景技术：
1、随着自动驾驶、无人机等新兴应用的快速发展，对高精度导航的需求日益增长。特别是在城区复杂环境中，全球导航卫星系统(global navigation satellite system,gnss)的鲁棒高精度定位能力面临着严峻的挑战。
2、目前，基于gnss载波相位实时动态差分(real-time kinematic,rtk)技术已广泛应用于测绘、形变监测等领域。通过gnss接收机提供连续、稳定的伪距和载波相位观测量，rtk技术能够达到厘米级甚至毫米级的定位精度。然而，在城区环境中，高楼大厦、树木及其他遮挡物会对卫星信号造成遮挡或反射，导致卫星信号接收质量下降，出现多径效应和信号衰落，进而影响定位的准确性和可靠性。
3、惯性导航系统(inertial navigation system,ins)作为一种自主式导航系统，不依赖外部信号，因而在城区导航中具有独特的优势。ins通过内部的陀螺仪和加速度计测量载体的运动信息，并通过积分运算来推算位置。然而，ins也存在一些局限性，如长时间积分会导致误差累积，影响导航精度。此外，ins在初始对准时需要较长时间，且设备成本相对较高。
4、为了克服单一导航系统的不足，研究人员一直致力于gnss和ins的融合使用。
5、在基础导航领域，已经有研究人员对单天线单接收机和惯性测量单元(inertialmeasurement unit,imu)的组合进行研究。然而，在高精度定位方面，尤其是在卫星多天线定位算法出现后，如何利用imu信息与多天线观测量融合以提升复杂观测环境的鲁棒高精度定位性能还有待进一步研究。
技术实现思路
1、本公开实施例提出了一种卫星导航和惯性导航的组合定位技术，能够充分利用多天线gnss观测数据和imu数据，对于提高在城区等复杂环境中的定位精度和可靠性具有重要意义。
2、根据本公开的一个实施例，提出了一种卫星导航和惯性导航组合定位方法，包括：
3、获取用户端多个天线的多个接收机的观测量和基准站的观测量，其中，至少一个所述天线通过功分器连接至少两个所述接收机形成零基线构型；
4、获取惯性测量单元(imu)提供的用户端载体的速度、位置和姿态角信息；
5、基于所述多个接收机的观测量和所述基准站的观测量、所述imu提供的所述速度、所述位置和所述姿态角信息，构建imu辅助的多天线多接收机实时差分定位(rtk)观测方程组；
6、解算所述imu辅助的多天线多接收机rtk观测方程组，获得rtk固定解；
7、利用接收机间的几何关系，通过坐标闭合差约束条件和模糊度闭合差约束条件对rtk固定解进行验证；
8、利用imu得到的位置的短时连续性，检验rtk固定解中的野值；
9、基于检验结果，输出用户端定位信息。
10、在一些实施方式中，构建imu辅助的多天线多接收机rtk观测方程组包括：
11、建立所述用户端的所述接收机与所述基准站构成的基线的rtk观测方程；
12、建立基于预先测量的天线间距离约束的基线长度观测方程；
13、建立基于所述姿态角信息和基线长度形成的基线向量观测方程；
14、建立基于多接收机构成的闭合环约束的基线向量三角形闭合差观测方程。
15、在一些实施方式中，建立所述用户端的所述接收机与所述基准站构成的基线的rtk观测方程，包括：
16、基于下式建立所述用户端的所述接收机与所述基准站构成的基线的rtk观测方程：
17、ha·x＝la+ε，
18、其中，ha为线性化矩阵，la为线性化后的观测量残差矩阵，x为待估计的结果，x包括与所述天线连接的接收机相对于基准站的位置坐标和相应的的双差模糊度，ε为观测噪声。
19、在一些实施方式中，建立基于预先测量的天线间距离约束的基线长度观测方程，包括：
20、基于下式建立基线长度观测方程：
21、he·[rr3，b-rr1，b nr3，r1]t＝dr3，r1+εe，
22、其中，r1、r3为连接至不同所述天线的两个接收机，b为基准站，分别是rtk浮点解中接收机r1、r3相对于基准站b的位置坐标，n是双差观测量个数，rr1，b、rr3，b分别是待估计的接收机r1、r3相对于基准站b的位置坐标，nr3，r1是接收机r1相对于接收机r3的整周模糊度，dr3，r1是预先测量的连接接收机r1、r3的两个天线间的距离，εe是所述两个天线间的距离的测量误差。
23、在一些实施方式中，建立基于所述姿态角信息和基线长度形成的基线向量观测方程，包括：
24、基于下式建立所述基线向量观测方程：
25、hc·[rr3，b-rr1，b nr3，r1]t＝xyzr3，r1+εc，
26、其中，r1、r3为连接至不同所述天线的两个接收机，b为基准站，hc＝[i3×3 0n×n]，i是单位矩阵，rr3，b、rr1，b分别是待估计的接收机r3、r1相对于基准站b的位置坐标，xyzr3，r1是基于imu提供的所述姿态角信息得到的接收机r3到r1的相对位置，εc是所述相对位置的测量误差。
27、在一些实施方式中，所述方法还包括：
28、基于下式得到接收机r3到r1在北东天坐标系(neu)的基线向量neur3，r1：
29、neur3，r1＝dr3，r1*[cos(y)cos(p) sin(y)cos(p) sin(p)]t，
30、其中，dr3，r1是预先测量的连接接收机r1、r3的两个天线间的距离，y为所述姿态角信息中的方位角，p为所述姿态角信息中的俯仰角；
31、通过所述载体坐标的纬度和经度，将neur3，r1转换到卫星定位使用的xyz坐标系，得到接收机r3到r1在xyz坐标系的位置坐标xyzr3，r1。
32、在一些实施方式中，建立基于多接收机构成的闭合环约束的基线向量三角形闭合差观测方程：
33、基于下式建立所述基线向量三角形闭合差观测方程：
34、
35、其中，r1、r2、r3为与所述天线连接的所有接收机和所述基准站中的三个接收机，hd＝[i -i -i]，i是单位矩阵，分别是rtk浮点解中接收机r1相对于接收机r2的位置坐标、接收机r3相对于接收机r2的位置坐标、接收机r1相对于接收机r3的位置坐标，εd是rtk浮点解估计误差。
36、在一些实施方式中，通过坐标闭合差约束条件对rtk固定解进行验证包括：
37、基于以下坐标闭合差约束条件对rtk固定解进行验证：
38、
39、其中，r1、r3为连接至所述天线的两个接收机，b为基准站，是rtk固定解中接收机r1相对于基准站的位置坐标，是rtk固定解中接收机r3相对于基准站的位置坐标，是rtk固定解中接收机r1相对于接收机r3的位置坐标，εf是预先设定的rtk固定解估计误差；
40、通过模糊度闭合差约束条件对rtk固定解进行验证包括：
41、基于以下模糊度闭合差约束条件对rtk固定解相应的模糊度项进行验证：
42、
43、其中，r1、r3为连接至所述天线的两个接收机，b为基准站，依次为rtk固定解中接收机r1和基准站b对卫星j和卫星k的双差模糊度、接收机r3和基准站b对卫星，和卫星k的双差模糊度、接收机r1和接收机r3对卫星，和卫星k的双差模糊度。
44、在一些实施方式中，利用imu得到的位置的短时连续性，检验rtk固定解中的野值，包括：
45、设置滑动时间窗口；
46、以当前时间窗口起始点的rtk固定解的位置坐标为基准点，从所述基准点开始，基于imu积分得到在当前时间窗口内每个时刻的相对位置变化；
47、基于所述基准点和所述相对位置变化，得到当前时间窗口内每个时刻imu预测的位置；
48、比较当前时间窗口内每个时刻imu预测的位置和对应时刻rtk固定解的位置坐标，以检验rtk固定解中的野值。
49、在一些实施方式中，在构建imu辅助的多天线多接收机rtk观测方程组前，所述方法还包括通过以下步骤利用零基线双差观测量检测异常观测量：
50、基于以下公式计算零基线双差伪距观测量zdop和零基线双差载波相位观测量zdoφ：
51、
52、其中，r1、r2为连接至同一所述天线的两个接收机，是接收机r1和r2对卫星j和k的伪距双差观测量，是伪距双差观测量的噪声，是接收机r1和r2对卫星j和k的载波相位双差观测量，是接收机r1和r2对卫星j和k的载波相位双差模糊度，是载波相位双差观测量的噪声；
53、如果计算出的零基线双差伪距观测量zdop的绝对值超过零基线伪距偏差阈值，则判断该零基线双差伪距观测量zdop的相关观测量存在异常；
54、如果计算出的零基线双差载波相位观测量zdoφ存在整周跳变、半周跳变或超过零基线载波相位偏差阈值，则判断该零基线双差载波相位观测量zdoφ的相关观测量存在异常。
55、在一些实施方式中，所述零基线伪距偏差阈值为0.6m，和/或所述零基线载波相位偏差阈值为载波相位波长的10％。
56、在一些实施方式中，基于检验结果，输出用户端定位信息包括：
57、如果所述rtk固定解通过检验，则输出所述rtk固定解作为用户端定位信息；
58、如果所述rtk固定解被检验为野值，则输出imu得到的位置作为用户端定位信息。
59、在一些实施方式中，所述imu为光纤惯性测量单元或微机电(mems)惯性测量传感器。
60、根据本公开的一个实施例，还提出了一种卫星导航和惯性导航组合定位系统，所述系统设置于用户端，包括多个天线、至少一个功分器、多个接收机、惯性测量单元(imu)、通信模块和数据处理模块，其中：
61、所述天线用于接收卫星信号；
62、所述接收机连接所述天线，用于处理所述卫星信号以得到观测量，其中至少一个所述天线通过对应所述功分器连接至少两个接收机形成零基线构型；
63、所述通信模块用于接收基准站的观测量；
64、所述imu用于基于测量数据得到用户端载体的速度、位置和姿态角信息；
65、所述数据处理模块与所述多个接收机、所述imu和所述通信模块连接，用于基于所述接收机的观测量、所述基准站的观测量和所述imu提供的速度、位置和姿态角信息，执行如上任意实施方式所述的方法。
66、根据本公开的一个实施例，还提出了一种卫星导航和惯性导航组合定位装置，包括：
67、观测量获取单元，用于获取用户端多个天线的多个接收机的观测量和基准站的观测量，其中，至少一个所述天线通过功分器连接至少两个所述接收机形成零基线构型；
68、imu信息获取单元，用于获取惯性测量单元(imu)提供的用户端载体的速度、位置和姿态角信息；
69、观测方程组构建单元，用于基于所述多个接收机的观测量和所述基准站的观测量、所述载体的所述速度、所述位置和所述姿态角信息，构建imu辅助的多天线多接收机实时差分定位(rtk)观测方程组；
70、rtk解算单元，用于解算所述imu辅助的多天线多接收机rtk观测方程组，获得rtk固定解；
71、三角形闭合环约束验证单元，用于利用接收机间的几何关系，通过坐标闭合差约束条件和模糊度闭合差约束条件对rtk固定解进行验证；
72、imu短时连续性检验单元，用于利用imu得到的位置的短时连续性，检验rtk固定解中的野值；
73、定位输出单元，用于基于检验结果，输出用户端定位信息。
74、根据本公开的一个实施例，还提出了一种电子设备，所述设备包括存储器、处理器，所述存储器用于存储可在处理器上运行的计算机指令，所述处理器用于在执行所述计算机指令时实现如上任意实施方式所述的方法。
75、根据本公开的一个实施例，还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如上任意实施方式所述的方法。
76、本公开提出的融合多天线多接收机rtk与惯性导航的定位方案，一方面采用多天线多接收机，大幅提升了观测量的数量，并引入了更多的基线长度约束和基线向量三角形闭合约束，有效增强了定位解算的几何强度，同时通过零基线构型，有效检测异常观测量；另一方面更通过融合惯性测量单元(imu)，进一步提升了定位的精度和可靠性。imu提供的姿态角信息不仅为天线之间的基线向量提供了额外的约束条件，还能在短时间内维持高精度的位置信息，这一特性在gnss信号受到严重遮挡或干扰时尤为重要，能够有效弥补卫星导航的短板。此外，imu数据的短时连续性还可用于检测rtk定位中的野值，进一步提高了定位的鲁棒性，以及改善零基线接收机可能观测量差异不足的问题。
77、通过多天线多接收机、零基线构型和imu的深度融合，本方案不仅改善了复杂观测环境下可用观测数不足的问题，还能在卫星信号短暂丢失时维持连续的高精度定位输出。这种创新的组合定位方法显著提高了在城市尤其是林荫路等复杂环境中的定位性能，为自动驾驶、精密测量等高精度定位应用提供了更为可靠和稳定的技术支持。
1.一种卫星导航和惯性导航组合定位方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，构建imu辅助的多天线多接收机rtk观测方程组包括：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，建立所述用户端的所述接收机与所述基准站构成的基线的rtk观测方程，包括：
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，建立基于预先测量的天线间距离约束的基线长度观测方程，包括：
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，建立基于所述姿态角信息和基线长度形成的基线向量观测方程，包括：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
7.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，建立基于多接收机构成的闭合环约束的基线向量三角形闭合差观测方程：
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，利用imu得到的位置的短时连续性，检验rtk固定解中的野值，包括：
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在构建imu辅助的多天线多接收机rtk观测方程组前，所述方法还包括通过以下步骤利用零基线双差观测量检测异常观测量：
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述零基线伪距偏差阈值为0.6m，和/或所述零基线载波相位偏差阈值为载波相位波长的10％。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于检验结果，输出用户端定位信息包括：
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述imu为光纤惯性测量单元或微机电(mems)惯性测量传感器。
14.一种卫星导航和惯性导航组合定位系统，其特征在于，所述系统设置于用户端，包括多个天线、至少一个功分器、多个接收机、惯性测量单元(imu)、通信模块和数据处理模块，其中：
15.一种卫星导航和惯性导航组合定位装置，其特征在于，包括：
16.一种电子设备，其特征在于，所述设备包括存储器、处理器，所述存储器用于存储可在处理器上运行的计算机指令，所述处理器用于在执行所述计算机指令时实现权利要求1至13任一项所述的方法。
17.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现权利要求1至13任一项所述的方法。
