面向时钟同步多天线gnss接收机的定向测姿方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及高精度定向测姿技术，尤其涉及一种面向时钟同步多天线GNSS接收 机的定向测姿方法。
【背景技术】
[0002] 时钟同步多天线 GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系 统）接收机于2008年大规模进入中国市场，代表性产品包括美国Trimble公司BD982双频 双天线接收机，欧洲Javad公司的TRIUMPH-4X -机4天线接收机，上海司南导航K528型号 的GPS/北斗共用时钟双天线主机板以及东方联星T0AS100D双天线测向接收机。多天线接 收机降低了接收机的成本，时钟同步的实现为更高精度的导航应用提供了技术前提，未来 有望取代或互补现行的中低档惯性导航系统以及中低档倾斜仪，具有广阔的应用前景。
[0003] 然而，目前市面上已有的产品并没有充分发挥时钟同步多天线GNSS接收机的所 有优势，在定向测姿算法上仍然沿袭了时钟不同步的两个接收机的短基线RTK、双差算法， 并没有真正利用时钟同步的优势来提高精度和效率，而理论上时钟同步设备利用单差即可 同时消除卫星和接收机钟差，因此可以改善参数相关性，利于快速固定模糊度。
【发明内容】
[0004] 本发明面向时钟同步多天线GNSS接收机提出一种高精度实时定向测姿方法，具 有精度高、实时性和实用性强等优点。
[0005] 本发明提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，包括以下步骤： [0006] 步骤A :建立针对时钟同步多天线GNSS接收机的高精度定向测姿模型，包括建立 单差观测方程；
[0007] 步骤B :实时观测载波相位及伪距，并以实时数据流的形式为所述高精度定向测 姿模型提供数据源；
[0008] 步骤C :确定待估参数和约束信息；
[0009] 步骤D :监测与修复周跳，避免观测值中存在周跳导致解算精度下降；
[0010] 步骤E :通过估计基线矢量参数与浮点载波相位模糊度参数，固定部分或全部模 糊度参数至整数值，实现分步模糊度固定和快速模糊度整数解的搜索，将已知的基线长度 信息作为附加信息，在所述基线矢量参数解算的过程中作为伪观测值约束所述基线矢量的 解算精度；
[0011] 步骤F :通过坐标系转换，将所述基线矢量转换至航向角和俯仰角输出。
[0012] 本发明提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法中，所述单差观 测方程的建立包括以下步骤：
[0013] 步骤Al :时钟同步GNSS接收机单天线输出的所述载波相位，其表达式如下：
[0014] φ? = + c ' STri + 〇·δτ?+τΙ +Ι?) + cPlb1 + ψυρ〇ι + φΜΡι +Nji +ε,
[0015] 式中，p/代表卫星j-天线i间的几何距离，分别代表接收机i钟差和卫星 j钟差，#、//分别代表卫星j-天线i的大气延迟、电离层延迟，Pmp/分别代 表接收机i的电缆延迟、接收机UPD (uncalibrated phase delay)延迟和卫星j-天线i的 多路径延迟，λ代表载波波长，c代表光速，JV/代表卫星j-天线i的模糊度，ε代表测量噪 声；
[0016] 步骤Α2 :针对双天线观测数据进行站间单差，假定不考虑多路径效应，由于是短 基线并采用时钟同步GNSS接收机，消除了大气延迟、电离层延迟和卫星钟差等公共误差的 同时消除了接收机钟差，所述单差观测方程如下：
[0017]
【主权项】
1. 面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在于，包括W下步骤： 步骤A ;建立针对时钟同步多天线GNSS接收机的高精度定向测姿模型，包括建立单差 观测方程； 步骤B;实时观测载波相位及伪距，并W实时数据流的形式为所述高精度定向测姿模 型提供数据源； 步骤C ;确定待估参数和约束信息； 步骤D ;监测与修复周跳，避免观测值中存在周跳导致解算精度下降； 步骤E ;通过估计基线矢量参数与浮点载波相位模糊度参数，固定部分或全部模糊度 参数至整数值，实现分步模糊度固定和快速模糊度整数解的捜索，并将已知的基线长度信 息作为附加信息，在所述基线矢量参数解算的过程中作为伪观测值约束所述基线矢量的解 算精度； 步骤F ;通过坐标系转换，将所述基线矢量转换至航向角和俯仰角输出。
2. 如权利要求1所述的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在 于，所述单差观测方程的建立包括W下步骤： 步骤A1 ;时钟同步GNSS接收机单天线输出的所述载波相位，其表达式如下：
式中，片代表卫星j-天线i间的几何距离，化,,，扣;分别代表接收机i钟差和卫星j钟 差，巧//分别代表卫星j-天线i的大气延迟、电离层延迟，^瑪、仍IWV 片分别代表接 收机i的电缆延迟、接收机uro延迟和卫星j-天线i的多路径延迟，A代表载波波长，C代 表光速，iV/代表卫星j-天线i的模糊度，e代表测量噪声； 步骤A2 ;针对双天线观测数据进行站间单差，所述单差观测方程如下：
式中，A P j代表卫星j-天线间几何距离的差值；A與代表双天线电缆延迟的差值. A巧W0代表双天线间Uro的差值；A Nj代表卫星j的基线模糊度参数；A代表载波波长，e 代表测量噪声； 步骤A3 ;线性化所述单差观测方程，其表达式如下：
式中，代表卫星j-天线间距离差值的初始值，A代表待估基线参数的系数矩阵，AX 代表待估基线参数，A仍；M分别代表电缆延迟差值和UPD差值，AN叩^表待估基线 模糊度参数，A代表载波波长，e代表测量噪声。
3. 如权利要求1所述的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在 于，所述步骤E进一步包括W下步骤： 步骤E1 ;通过卡尔曼滤波计算所述基线矢量参数和所述模糊度参数的浮点解； 步骤E2 ;-定历元后，选择所述模糊度参数固定至整数值；
步骤E3 ;通过形成伪观测值进行模糊度参数约束或固定； 步骤E4 ;-定历元后，选择离整数值较近的部分或全部的模糊度参数固定至相应的最 近整数值，并通过形成伪观测方程再次进行所述模糊度约束或固定，直至满足所述基线矢 量参数的精度。
4. 如权利要求3所述的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在 于，所述步骤E2包括；求解所有所述模糊度参数与其最近整数值之间的差值，并对所有差 值进行平均计算，选择离均值最近的所述模糊度参数作为待固定模糊度参数，并记录其最 近整数值。
5. 如权利要求3所述的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在 于，当进行所述模糊度参数约束时，约束方程表达如下： 0 = / X (茨一W)个按己 式中，I代表单位阵，寅代表待固定模糊度参数的整数值，N代表带固定模糊度参数的 浮点解，e。代表约束范围；当进行所述模糊度参数固定时，在不发生周跳的条件下，在相应 卫星的观测值中扣除所述模糊度参数的整数解，并不再估计该所述模糊度参数。
6. 如权利要求1所述的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在 于，所述伪观测值的构成过程表达如下： i:=巧-(2山权-2卸資'.V - 2立2九)， 式中，L为解算的基线长度，L。为先验已知的基线长度，从而构成基线长度约束的伪观 测值。
7. 如权利要求1所述的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，所述步骤F 包括W下步骤： 步骤F1 ;从地屯、直角坐标系到主天线位置地理坐标系的转换，其公式如下：
式中，所述主天线位置为地理坐标系原点，B和L代表所述主天线的大地绅度和经度； 在载体静止时，在地理坐标系中基线的所述航向角为# = 所述俯仰角
步骤巧；所述基线矢量从地理坐标系到载体坐标系的转换，在载体运动的情况下，载 体的主轴为X轴，载体垂直向上方为Z轴，y轴与X轴和Z轴正交；从地理坐标系到载体坐 柄系的转换关系表达如下：
式中，a为载体从地理坐标系正北向按顺时针方向度量到载体y轴的方位角，0为向 上为正的俯仰角，丫为向右为正的横摇角。
8. 如权利要求1所述的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在 于，在静态或准静态情况下，用于监测微小的基线变化，适用于结构体的健康监测。
9. 如权利要求1所述的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在 于，在动态情况下，适用于高动态环境下的载体姿态测量。
【专利摘要】本发明提出了一种面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，包括建立针对时钟同步多天线GNSS接收机的高精度定向测姿模型；实时观测载波相位及伪距，并以实时数据流的形式为高精度定向测姿模型提供数据源；确定待估参数和约束信息；监测与修复周跳；通过估计基线矢量参数与浮点载波相位模糊度参数，固定部分或全部模糊度参数至整数值，并将基线长度信息作为附加信息，在基线矢量参数解算的过程中作为伪观测值约束基线矢量的解算精度；通过坐标系转换，将基线矢量转换至航向角和俯仰角输出。本发明通过单差实现高精度测姿，算法简单，可适用于静态、准静态和动态情况下高精度实时定向测姿应用，同时算法运行效率高，适用于高动态车载定向测姿。
【IPC分类】G01S19-55
【公开号】CN104597471
【申请号】CN201510015460
【发明人】董大南, 陈雯, 蔡苗苗, 周锋, 夏俊晨, 程明飞, 余超, 邱崧
【申请人】华东师范大学
【公开日】2015年5月6日
【申请日】2015年1月13日