专利名称：一种短基线下基于分级小型搜索空间添加的tcar改进方法
技术领域：
本发明涉及基于一般性的三载波整周模糊度求解方案，针对方案中宽巷与L5频段模糊度取整估计过程易出现误差过大而遗漏正确解的问题，在此两关键步骤中各加入小型模糊度搜索空间，并每步通过先验天线配置信息，过滤错误结果，减少最终整体解算时间，最后由解算模糊度推导载体实时姿态。属于卫星导航定位定姿领域。
背景技术：
随着卫星定位导航技术的发展，利用卫星观测信号实现载体姿态实时解算技术因为其成本低廉、精度较高等优点，成为卫星导航定位定姿领域的研究重点。由于姿态求解对精度存在较高要求，卫星定姿过程中需要使用观测噪声小的载波相位作为观测量运算，从而不可避免地遇到载波整周模糊度求解问题。因此，快速准确的整周模糊度求解方法对卫星定姿技术发展具有重要意义。国内外对整周模糊求解进行了诸多研究。Counselman提出模糊度函数法AFM(Ambiguity Function Method),并由Remondi将其应用于GPS数据处理。 这种方法基于初始值精度较高的前提，通过对几分钟观测数据采取特定搜索策略，直接求点位的精确解，再反算出一组整周模糊度。Frei等人提出整周模糊度快速逼近法FARA (Fast Ambiguity Resolution Approach)。它以统计理论为基础,在某一估值的解空间内搜索一组方差和为最小的似然整周模糊度解集，并判断其优于其他解集的显著性。Tenuissen提出 LAMBDA (Least-squares Ambiguity Decorrelation Adjustment)方法，其主要特点是利用高斯整数变换去方差相关性来构造合适的搜索范围，在保持精度的基础上，减少搜索时间。 以上整周模糊度解算方法用于实时动态姿态求解，运算量较大，求解时间较长。Harris等人提出利用三频整周模糊度求解(TCAR)方法，这一方法过程简单，运算量小，但是需要三个频段的载波观测信息。而现代化的GPS系统、未来建成的GALILEO、 GL0NASS与北斗二代导航卫星系统都采用拥有多频段的信号，使这一算法的实现应用成为可能。然而TCAR法仍存在一个较大问题，那就是整体的求解成功率较低，这将限制其在可靠性要求高的姿态求解方面的应用。附录文献文献I :刘建业，曾庆化，赵伟，熊智等.导航系统理论与应用[M].西安西北工业大学出版社，2010.文献2 :谢钢.GPS原理与接收机设计[M].北京电子工业出版社，2009.文献3 :吴美平，胡小平.卫星定向技术[M].长沙，安徽大学出版社，2002.
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服传统三频整周模糊度求解方法(TCAR)求解成功率低的缺陷，提供了一种短基线下基于分级小型搜索空间添加的TCAR改进方法，该方法在传统TCAR逐级逼近整周模糊度的后两级过程中各加入一小型搜索空间和筛选步骤，保持运算时间较短的情况下，大大增加解算成功率。该发明适用于短基线下利用卫星信号对载体姿态进行实时解算过程。本发明为实现上述目的，采用如下技术方案一种短基线下基于分级小型搜索空间添加的TCAR改进方法，包括如下步骤第一步信息初始化，确定系统原始三段频率信号频率及波长，构造超宽巷、宽巷线性组合虚拟信号，获取相应频率及波长。第二步根据星历信息与测码伪距信息，推算载体粗坐标，通过遮蔽角筛选后，从可见卫星中以⑶OP值最小为标准选取几何构形理想的四颗卫星作为主星，并计算主星相对载体的观测矢量；第三步选取基础频段主星对载体的测码伪距值，对虚拟超宽巷信号波长进行整除取整，结合超宽巷载波相位观测值，反推基于超宽巷信号的伪距值；第四步将第三步中获取的伪距值，对虚拟宽巷信号波长进行整除取整，加入小型搜索空间，使宽巷整周模糊度值上下各存有差值为I浮动裕度，并结合先验天线长度信息， 剔除误差超过三倍观测噪声标准差的宽巷整周模糊度组合，反推基于宽巷信号的伪距值；第五步将第四步中获取的伪距值组合，对L5频段信号波长整除取整，获取相应整周模糊度备选值组合，并对所有相应组合的备选值再次添加上下差值各为I的小型搜索空间；第六步根据先验天线长度与结构配置，遍历筛选L5频段整周模糊度组合，选取残差最小的模糊度组合作为正确解算结果，并反推其余可见卫星整周模糊度，确定基础频段的天线单差模糊度；第七步根据基础频段的天线单差模糊度与其相应的单差载波相位观测值，解算天线在惯性空间下的向量坐标，并通过惯性系到载体系的矩阵转换，得到载体姿态信息。本发明与现有技术相比有益效果体现在本发明方法相对一般的整周模糊度求解方法，充分利用三个频段的观测信息，且运算量小，解算时间短，算法简单易实现。而相对传统TCAR法，则通过两次分级小搜索空间的加入，使整体解算成功率得到可观的提升。总体言之，本方法达到整周模糊度解算时间与解算成功率两者协调，是一种具备可靠性的整周模糊度实时性求解方法，可应用于使用GNSS的实时载体姿态确定。
图I为专利的整体流程图；图2为三球交汇定点示意图；图3为天线阵列安装示意图。
具体实施例方式下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明本方法的整体流程图如图I所示，为一种基于分级添加小模糊度搜索空间，改进三频载波相位线性组合求解整周模糊度的方法，适用于载体静态或动态姿态信息的确定实现。具体方案中，为表述简便，将以具备三频载波的GPS系统为例进行说明。I.初始信息获取
由星历文件获取GPS卫星轨道根数以及摄动参数，确定GPS卫星空间坐标。根据卫星信号与接收机复刻信号之间的延时差，确定卫星与接收机的距离。受各类误差噪声因素影响，该距离结果实际为伪距。根据空间三球交汇锁定一点原理，三颗卫星可确定接收机坐标，其示意图如图2所示。另鉴于接收机时钟误差过大，将其作为未知参数，带入观测方程求解，则至少需要四颗卫星确定接收机位置。若观测卫星大于4颗，则构成超定观测方程
权利要求
1.一种短基线下基于分级小型搜索空间添加的TCAR改进方法，包括如下步骤第一步信息初始化，确定系统原始三段频率信号频率及波长，构造超宽巷、宽巷线性组合虚拟信号，获取超宽巷、宽巷线性组合虚拟信号频率及波长；第二步根据星历信息与测码伪距信息，推算载体粗坐标，通过遮蔽角筛选后，从可见卫星中以⑶OP值最小为标准选取几何构形理想的四颗卫星作为主星，并计算主星相对载体的观测矢量；第三步选取主星对载体基础频段最高精度的测码伪距值，对虚拟超宽巷信号波长进行整除取整，结合超宽巷载波相位观测值，反推基于超宽巷信号的伪距值；第四步将第三步中获取的伪距值，对虚拟宽巷信号波长进行整除取整，加入小型搜索空间，使宽巷整周模糊度值上下各存有差值为I浮动裕度，并结合先验天线长度信息，剔除误差超过三倍观测噪声标准差的宽巷整周模糊度组合，反推基于宽巷信号的伪距值；第五步将第四步中获取的伪距值组合，对基础频段信号波长整除取整，获取相应整周模糊度备选值组合，并对所有相应组合的备选值再次添加上下差值各为I的小型搜索空间；第六步根据先验天线长度与结构配置，遍历筛选基础频段整周模糊度组合，选取残差最小的模糊度组合作为正确解算结果，并反推其余可见卫星整周模糊度，确定基础频段的天线单差模糊度；第七步根据基础频段的天线单差模糊度与其相应的单差载波相位观测值，解算天线在惯性空间下的向量坐标，并通过惯性系到载体系的矩阵转换，得到载体姿态信息。
2.根据权利要求I所述的一种短基线下基于分级小型搜索空间添加的TCAR改进方法， 其特征在于第三步应采用最高精度频段测码伪距值对其整除估计。
3.根据权利要求I所述的一种短基线下基于分级小型搜索空间添加的TCAR改进方法， 其特征在于第四步对宽巷整周模糊度添加小型搜索空间，搜索空间上下浮动裕度各为1，若原宽巷整周模糊度为Ni，则搜索空间为[Ni-1，Nwl, Nwl+1]。
4.根据权利要求I所述的一种短基线下基于分级小型搜索空间添加的TCAR改进方法， 其特征在于第五步对取整估计后的基础频段模糊度加入小型搜索空间，搜索空间上下浮动裕度各为1，若原基础整周模糊度为Nbase，则搜索空间为[Nbase-1，Nbase, Nbase+1]。
5.根据权利要求I所述的一种短基线下基于分级小型搜索空间添加的TCAR改进方法， 其特征在于第六步，遍历所有基础搜索空间，反解算出的天线长度与结构配置信息，并与先验相应值做差对比，选取最小残差组合作为正确结果。
全文摘要
本发明公布了一种短基线下基于分级小型搜索空间添加的三频载波求解整周模糊度(TCAR)的改进方法。本方法根据TCAR法三频载波相位线性组合过程中的标准差情况，在宽巷与基础频段模糊度确定阶段中各加入一个微小搜索空间，利用基线长度和结构配置信息进行初步筛选，并通过残差最小法则确定唯一整周模糊度，最终结合动态载体相对可见卫星的观测矢量与载波单差信息，解出载体实时姿态。该方法适合于三频全球导航卫星系统信号的定位定姿应用。
文档编号G01S19/55GK102590843SQ20121000951
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月13日 优先权日2012年1月13日
发明者刘建业, 孙永荣, 曾庆化, 杨迪 申请人:南京航空航天大学