一种定向方法及装置与流程

本发明涉及定向领域，尤其涉及一种定向方法及装置。

背景技术

目前定向的方法为全球导航卫星系统(globalnavigationsatellitesystem，gnss)双天线定向法。定向包括确定俯仰角和航向角。

gnss双天线定向法确定俯仰角和航向角的精度较高、稳定、成本低的特点被广泛应用，但其精度受限于卫星信号的载波相位的整周模糊度的固定情况，如果载波相位的整周模糊度无法确定，定向精度仍然较低。

技术实现要素：

本申请实施例提供了一种定向方法及装置，解决了现有技术中定向精度低的问题。

本申请实施例提供的具体定向方法如下：

一种定向方法，该方法包括：

定位终端确定所述定位终端的第一惯性导航系统ins定位坐标和所述定位终端的第一大地坐标；

所述定位终端接收2m条卫星定位信号；

所述定位终端根据所述2m条卫星定位信号、所述第一ins定位坐标、所述第一大地坐标确定模糊度浮点解，m为大于4的整数；

所述定位终端根据所述模糊度浮点解，确定是否存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解；若存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，则所述定位终端根据所述整周模糊度固定解和所述第一大地坐标，确定所述定位终端的俯仰角pitch和航向角yaw。

可选的，确定所述定位终端的ins俯仰角pitchins和ins航向角yawins；

若不存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，则所述定位终端根据所述模糊度浮点解、所述第一大地坐标(α,β)、所述ins俯仰角pitchins、所述ins航向角yawins，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch和所述航向角yaw。

可选的，所述定位终端根据接收到的所述2m条卫星定位信号、所述第一ins定位坐标和所述第一大地坐标，确定模糊度浮点解，包括：

所述定位终端根据所述2m条卫星定位信号，确定m-1个伪距双差以及m-1个载波相位双差；

所述定位终端根据所述m-1个伪距双差、所述m-1个载波相位双差、所述第一ins定位坐标和所述第一大地坐标，确定所述模糊度浮点解。

可选的，若存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，则所述定位终端根据所述整周模糊度固定解和所述第一大地坐标，确定所述定位终端的俯仰角pitch和航向角yaw，包括：

根据所述整周模糊度固定解确定第一基线向量x；

根据所述第一基线向量x、所述第一大地坐标和基线向量转化公式，确定第二基线向量y；

根据所述第二基线向量y和定向公式，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch和所述航向角yaw。

可选的，若不存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，则所述定位终端根据所述模糊度浮点解、所述第一大地坐标(α,β)、所述ins俯仰角pitchins、所述ins航向角yawins，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch和所述航向角yaw，包括：

根据所述模糊度浮点解，确定第一基线向量x的浮点解x′；

根据所述第一基线向量x的浮点解x′、所述第一大地坐标和基线向量转化公式，将所述x′代入所述x，确定第二基线向量y的浮点解y′；

根据所述第二基线向量y的浮点解y′和定向公式，确定所述定位终端的俯仰角的浮点解pitch′和航向角的浮点解yaw′；

根据所述俯仰角的浮点解pitch′、所述ins俯仰角pitchins，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch；根据所述航向角的浮点解yaw′、所述ins航向角yawins，确定所述定位终端的所述航向角yaw。

本发明实施例中，定位终端在gnss双天线定向法的基础上，还考虑了ins陀螺计算得到的俯仰角和航向角，得到最终的定位终端的俯仰角和航向角。本发明中的方法弥补了gnss双天线定向法在整周模糊度固定解不存在时定向精度低的问题，从而提高了定位终端的俯仰角和航向角精度。

基于同样的发明构思，本发明实施例进一步地提供一种定向装置：

一种定向装置，包括：

定位模块：用于确定定位终端的惯性导航系统ins定位坐标和所述定位终端的第一大地坐标；

处理模块：用于接收2m条卫星定位信号；确定所述定位终端的第一大地坐标；根据接收到的2m条卫星定位信号、所述第一ins定位坐标、所述第一大地坐标确定模糊度浮点解，m为大于4的整数；以及用于根据所述模糊度浮点解，确定是否存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解；若存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，则根据所述整周模糊度固定解和所述第一大地坐标，确定所述定位终端的俯仰角pitch和航向角yaw。

可选的，所述定位模块还用于：

确定所述定位终端的ins俯仰角pitchins和ins航向角yawins；

可选的，所述处理模块还用于：

若不存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，则所述定位终端根据所述模糊度浮点解、所述第一大地坐标、所述ins俯仰角pitchins、所述ins航向角yawins，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch和所述航向角yaw。

可选的，所述处理模块具体用于：

根据所述m条卫星定位信号，确定m-1个伪距双差以及m-1个载波相位双差；

根据所述m-1个伪距双差、所述m-1个载波相位双差、所述第一ins定位坐标和所述第一大地坐标，确定所述模糊度浮点解。

可选的，所述处理模块具体用于：

若存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，根据所述整周模糊度固定解确定第一基线向量x；

根据所述第一基线向量x、所述第一大地坐标和基线向量转化公式，确定第二基线向量y；

根据所述第二基线向量y和定向公式，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch和所述航向角yaw。

可选的，所述处理模块具体用于：

若不存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，根据所述模糊度浮点解，确定第一基线向量x的浮点解x′；

根据所述第一基线向量x的浮点解x′、所述第一大地坐标和基线向量转化公式，将所述x′代入所述x，确定第二基线向量y的浮点解y′；

根据所述第二基线向量y的浮点解y′和定向公式，确定所述定位终端的俯仰角的浮点解pitch′和航向角的浮点解yaw′；

根据所述俯仰角的浮点解pitch′、所述ins俯仰角pitchins，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch；根据所述航向角的浮点解yaw′、所述ins航向角yawins，确定所述定位终端的所述航向角yaw。

附图说明

图1为本申请实施例中定向方法的流程图；

图2为本申请实施例中定向方法的详细流程图；

图3为本申请实施例中定向装置的结构示意图。

具体实施方式

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互结合。

下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。

下面对本发明实施例提供的定向方法做详细描述。参考图1，为本发明实施例提供的定向方法的流程图。

步骤101：定位终端确定所述定位终端的第一ins定位坐标和所述定位终端的第一大地坐标。

其中，ins为惯性导航系统(inertialnavigationsystem)。

步骤102：所述定位终端接收2m条卫星定位信号。

步骤103：所述定位终端根据所述2m条卫星定位信号、所述第一ins定位坐标、所述第一ins定位坐标确定模糊度浮点解。

其中，m为大于4的整数。

具体如何确定将结合图2进行描述，在此不再赘述。

步骤104：所述定位终端根据所述模糊度浮点解，确定是否存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解。

下面结合步骤101至步骤104，如图2所示，为本发明实施例提供的一种定位方法详细流程图。

参见图2，包括：

步骤201：确定所述定位终端的第一ins定位坐标、第一大地坐标、ins俯仰角和ins航向角。

步骤202：所述定位终端接收2m条卫星定位信号。

步骤203：所述定位终端根据所述2m条卫星定位信号、所述第一ins定位坐标、所述第一大地坐标确定模糊度浮点解。

步骤204：所述定位终端根据所述模糊度浮点解，确定是否存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解。

如果整周模糊度固定解存在，执行步骤205，否则执行步骤206。

步骤205：所述定位终端根据所述整周模糊度固定解和所述第一大地坐标，确定所述定位终端的俯仰角pitch和航向角yaw。

步骤206：所述定位终端根据所述模糊度浮点解、所述第一大地坐标、所述ins俯仰角pitchins、所述ins航向角yawins，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch和所述航向角yaw。

步骤201中，定位终端有两根定位天线，一根定位主天线，一根定位辅天线。定位终端确定的所述第一ins定位坐标是由ins确定的定位辅天线的坐标。

所述定位终端根据所述定位终端的三轴加速度和三轴角速度，由ins确定所述定位终端的ins俯仰角pitchins和ins航向角yawins。

定位终端根据ins陀螺计算出ins俯仰角或ins航向角，其核心算法公式如下：

其中，表示初始ins俯仰角或ins航向角，表示t时刻ins俯仰角或ins航向角,ω(ti)表示ti时刻的角速度。

定位终端在开始时还会确定第一大地坐标(α,β)。第一大地坐标(α,β)为定位主天线相位中心在大地坐标系下的坐标。其中α为经度，β为纬度。大地坐标系是大地测量中以参考椭球面为基准面建立起来的坐标系。

步骤202中，2m条卫星定位信号由两条全球导航卫星系统(globalnavigat-ionsatellitesystem，gnss)定位天线接收，一根定位主天线，一根定位辅天线，每根天线各接收m个卫星发送的m条卫星定位信号。其中，每条卫星定位信号都包括伪距和载波相位。因此，定位主天线会接收到m条gnss主天线伪距和gnss主天线载波相位；定位辅天线会接收到m条gnss辅天线伪距和gnss辅天线载波相位。

步骤203中，所述定位终端根据所述2m条卫星定位信号，确定m-1个伪距双差以及m-1个载波相位双差。

确定m-1个gnss主天线伪距单差和m-1个gnss辅天线伪距单差。

具体地，从所述m个卫星中确定第一卫星，所述第一卫星为所述m个卫星中高度角最大的卫星；所述m条gnss主天线伪距中，除所述第一卫星对应的gnss主天线伪距之外的每个gnss主天线伪距，分别减去所述第一卫星对应的gnss主天线伪距的差值作为所述m-1个gnss主天线伪距单差。

所述m条gnss辅天线伪距中，除所述第一卫星对应的gnss辅天线伪距之外的每个gnss辅天线伪距，分别减去所述第一卫星对应的gnss辅天线伪距的差值作为所述m-1个gnss辅天线伪距单差。

确定m-1个gnss主天线载波相位单差和m-1个gnss主天线载波相位单差。

具体地，所述m条gnss主天线载波相位中，除所述第一卫星对应的gnss主天线载波相位之外的每个gnss主天线载波相位，分别减去所述第一卫星对应的gnss主天线载波相位的差值作为所述m-1个gnss主天线载波相位单差。

所述m条gnss辅天线载波相位中，除所述第一卫星对应的gnss辅天线载波相位之外的每个gnss辅天线载波相位，分别减去所述第一卫星对应的gnss辅天线载波相位的差值作为所述m-1个gnss辅天线载波相位单差。

确定m-1个伪距双差以及m-1个载波相位双差。

所述m-1个gnss主天线伪距单差中的每个gnss主天线伪距单差分别减去所述m-1个gnss辅天线伪距单差中对应的gnss辅天线伪距单差，作为所述m-1个伪距双差。

所述m-1个gnss主天线载波相位单差中的每个gnss主天线载波相位单差分别减去所述m-1个gnss辅天线载波相位单差中对应的gnss辅天线载波相位单差，作为所述m-1个载波相位双差。

所述定位终端根据所述m-1个伪距双差、所述m-1个载波相位双差、所述第一ins定位坐标和所述第一大地坐标，确定所述模糊度浮点解。确定模糊度浮点解的同时，也会解出第一基线向量的浮点解。

具体地，将所述m-1个伪距双差、所述m-1个载波相位双差、所述ins定位坐标代入公式(1)：

式中表示定位主天线和定位辅天线别对j号卫星和k号卫星伪距观测值双差值，为已知量；表示伪距噪声双差，为已知量；λ表示载波波长，为常数；表示载波相位双差，为已知量；表示整周模糊度，为未知量；表示站星几何距离双差值，为未知量；表示载波相位观测噪声双差，为已知量；xins为定位辅天线的ins坐标，为已知量；x0表示第一大地坐标(α,β)转化的在地心地固坐标系下的坐标，为已知量；x为定向辅天线与定位主天线构成的大地坐标系下基线向量(即第一基线向量)，为未知量；ω为ins实时输出的一个观测误差统计量，为已知量。其中，地心地固坐标系(earth-centered,earth-fixed，简称ecef)简称地心坐标系，是一种以地心为原点的地固坐标系(也称地球坐标系)，是一种笛卡儿坐标系。原点o(0,0,0)为地球质心，z轴与地轴平行指向北极点，x轴指向本初子午线与赤道的交点，y轴垂直于xoz平面(即东经90度与赤道的交点)构成右手坐标系。

采用泰勒公式将公式(1)展开，如在x0处展开，写成矩阵的形式则可以表示为公式(2)：

公式(2)进一步简化为矩阵可以表示为公式(3)：

l＝g·z+σ.............(3)

进行最小二乘估计可以得到整周模糊度的浮点解第一基线向量x的浮点解以及协方差阵q：

z＝(g^t·w·g)^-1·g^t·wl................(4)

其中w表示观测值权矩阵，x包含在z中，

步骤204中，确定是否存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，具体地，利用整数最小二乘模糊度降相关平差法(lambda算法)搜索，即通过矩阵计算，得出所有整周模糊度可能组合的残差平方和，在所有残差平方和中最小值对应的整周模糊度即为整周模糊度固定解。如果搜索到，则存在整周模糊度固定解；否则，不存在整周模糊度固定解。如果整周模糊度固定解存在，执行步骤205，否则执行步骤206。

步骤205中，所述定位终端根据所述整周模糊度固定解先求解出第一基线向量x的固定解，然后根据第一基线向量x的固定解和所述第一大地坐标(α,β)，确定所述定位终端的俯仰角pitch和航向角yaw。其中，第一基线向量为定向辅天线与定位主天线构成的大地坐标系下基线向量。因为搜索到了残差最小的整周模糊度固定解，此时得到的是较为精确的第一基线向量的固定解。

具体地，根据所述模糊度固定解确定第一基线向量x的固定解；将模糊度固定解代入载波相位双差观测方程，计算过程如下：

则将模糊度固定解代入可以得到如下公式：

根据上式通过最小二乘法可以确定第一基线向量x的固定解；根据所述第一基线向量x固定解、所述第一大地坐标(α,β)和基线向量转化公式，确定第二基线向量y；第二基线向量为，在以定位主天线相位中心为原点的东北天(enu)坐标系下，定位辅天线与定位主天线构成的基线向量。以定位主天线为坐标系原点o，z轴与椭球法线重合，向上为正(天向)，y与椭球短半轴重合(北向)，x轴与地球椭球的长半轴重合(东向)所构成的直角坐标系，称为当地东北天坐标系(enu)。

基线向量转化公式为：

根据所述第二基线向量y和定向公式，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch和所述航向角yaw；

定向公式为：

其中ye,yn,yu分别为第二基线向量y在东方、北方、竖直向上三个方向上的分量；可由第二基线向量y得到。

步骤206中，所述定位终端根据所述基线向量浮点解、所述定位天线大地坐标(α,β)、所述ins俯仰角pitchins、所述ins航向角yawins，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch和所述航向角yaw。

根据所述第一基线向量x的浮点解x′和所述基线向量转化公式，确定第二基线向量y的浮点解y′。因为没有搜索到固定解，只能将模糊度浮点解代入，此时得到的是第一基线向量的浮点解x′。具体过程为：

根据所述第二基线向量y的浮点解y′和所述定向公式，确定所述定位终端的俯仰角的浮点解pitch′和航向角的浮点解yaw′。具体过程为：

其中，y′e,y′n,y′u分别为第二基线向量y的浮点解y′在东方、北方、竖直向上三个方向上的分量；可由第二基线向量y得到。

根据所述俯仰角的浮点解pitch′、所述ins俯仰角pitchins，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch；根据所述航向角的浮点解yaw′、所述ins航向角yawins，确定所述定位终端的所述航向角yaw。

具体地，根据公式(5)确定；其中为pitch或yaw，为pitch′或yaw′，为pitchins或yawins，q1为俯仰角浮点解的协方差或航向角的浮点解的协方差,q2为ins俯仰角的协方差或ins航向角的协方差。

本发明实施例中，定位终端在gnss双天线定向法的基础上，还考虑了ins陀螺计算得到的俯仰角和航向角，得到最终的定位终端的俯仰角和航向角。本发明中的方法弥补了gnss双天线定向法在整周模糊度固定解不存在时定向精度低的问题，从而提高了定位终端的俯仰角和航向角精度。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种定向装置的结构示意图。

一种定向装置，包括：

定位模块301：用于确定定位终端的惯性导航系统ins定位坐标；

处理模块302：用于接收2m条卫星定位信号；确定所述定位终端的第一大地坐标；根据接收到的2m条卫星定位信号、所述第一ins定位坐标、所述第一大地坐标确定模糊度浮点解，m为大于4的整数；以及用于根据所述模糊度浮点解，确定是否存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解；若存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，则根据所述整周模糊度固定解和所述第一大地坐标，确定所述定位终端的俯仰角pitch和航向角yaw。

可选的，所述定位模块301还用于：

确定所述定位终端的ins俯仰角pitchins和ins航向角yawins；

可选的，所述处理模块302还用于：

若不存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，则所述定位终端根据所述模糊度浮点解、所述第一大地坐标、所述ins俯仰角pitchins、所述ins航向角yawins，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch和所述航向角yaw。

可选的，所述处理模块302具体用于：

根据所述m条卫星定位信号，确定m-1个伪距双差以及m-1个载波相位双差；

根据所述m-1个伪距双差、所述m-1个载波相位双差、所述第一ins定位坐标和所述第一大地坐标，确定所述模糊度浮点解。

可选的，所述处理模块302具体用于：

若存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，根据所述整周模糊度固定解确定第一基线向量x；

根据所述第一基线向量x、所述第一大地坐标和基线向量转化公式，确定第二基线向量y；

根据所述第二基线向量y和定向公式，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch和所述航向角yaw。

可选的，所述处理模块302具体用于：

若不存在与所述模糊度浮点解对应的整周模糊度固定解，根据所述模糊度浮点解，确定第一基线向量x的浮点解x′；

根据所述第一基线向量x的浮点解x′、所述第一大地坐标和基线向量转化公式，将所述x′代入所述x，确定第二基线向量y的浮点解y′；

根据所述第二基线向量y的浮点解y′和定向公式，确定所述定位终端的俯仰角的浮点解pitch′和航向角的浮点解yaw′；

根据所述俯仰角的浮点解pitch′、所述ins俯仰角pitchins，确定所述定位终端的所述俯仰角pitch；根据所述航向角的浮点解yaw′、所述ins航向角yawins，确定所述定位终端的所述航向角yaw。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。