面向時鐘同步多天線gnss接收機的定向測姿方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及高精度定向測姿技術，尤其涉及一種面向時鐘同步多天線GNSS接收 機的定向測姿方法。
【背景技術】
[0002] 時鐘同步多天線 GNSS(Global Navigation Satellite System，全球導航衛星系 統）接收機于2008年大規模進入中國市場，代表性產品包括美國Trimble公司BD982雙頻 雙天線接收機，歐洲Javad公司的TRIUMPH-4X -機4天線接收機，上海司南導航K528型號 的GPS/北斗共用時鐘雙天線主機板以及東方聯星T0AS100D雙天線測向接收機。多天線接 收機降低了接收機的成本，時鐘同步的實現為更高精度的導航應用提供了技術前提，未來 有望取代或互補現行的中低檔慣性導航系統以及中低檔傾斜儀，具有廣闊的應用前景。
[0003] 然而，目前市面上已有的產品并沒有充分發揮時鐘同步多天線GNSS接收機的所 有優勢，在定向測姿算法上仍然沿襲了時鐘不同步的兩個接收機的短基線RTK、雙差算法， 并沒有真正利用時鐘同步的優勢來提高精度和效率，而理論上時鐘同步設備利用單差即可 同時消除衛星和接收機鐘差，因此可以改善參數相關性，利于快速固定模糊度。
【發明內容】
[0004] 本發明面向時鐘同步多天線GNSS接收機提出一種高精度實時定向測姿方法，具 有精度高、實時性和實用性強等優點。
[0005] 本發明提出的面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，包括以下步驟： [0006] 步驟A :建立針對時鐘同步多天線GNSS接收機的高精度定向測姿模型，包括建立 單差觀測方程；
[0007] 步驟B :實時觀測載波相位及偽距，并以實時數據流的形式為所述高精度定向測 姿模型提供數據源；
[0008] 步驟C :確定待估參數和約束信息；
[0009] 步驟D :監測與修復周跳，避免觀測值中存在周跳導致解算精度下降；
[0010] 步驟E :通過估計基線矢量參數與浮點載波相位模糊度參數，固定部分或全部模 糊度參數至整數值，實現分步模糊度固定和快速模糊度整數解的搜索，將已知的基線長度 信息作為附加信息，在所述基線矢量參數解算的過程中作為偽觀測值約束所述基線矢量的 解算精度；
[0011] 步驟F :通過坐標系轉換，將所述基線矢量轉換至航向角和俯仰角輸出。
[0012] 本發明提出的面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法中，所述單差觀 測方程的建立包括以下步驟：
[0013] 步驟Al :時鐘同步GNSS接收機單天線輸出的所述載波相位，其表達式如下：
[0014] φ? = + c ' STri + 〇·δτ?+τΙ +Ι?) + cPlb1 + ψυρ〇ι + φΜΡι +Nji +ε,
[0015] 式中，p/代表衛星j-天線i間的幾何距離，分別代表接收機i鐘差和衛星 j鐘差，#、//分別代表衛星j-天線i的大氣延遲、電離層延遲，Pmp/分別代 表接收機i的電纜延遲、接收機UPD (uncalibrated phase delay)延遲和衛星j-天線i的 多路徑延遲，λ代表載波波長，c代表光速，JV/代表衛星j-天線i的模糊度，ε代表測量噪 聲；
[0016] 步驟Α2 :針對雙天線觀測數據進行站間單差，假定不考慮多路徑效應，由于是短 基線并采用時鐘同步GNSS接收機，消除了大氣延遲、電離層延遲和衛星鐘差等公共誤差的 同時消除了接收機鐘差，所述單差觀測方程如下：
[0017]
【主權項】
1. 面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，其特征在于，包括W下步驟： 步驟A ;建立針對時鐘同步多天線GNSS接收機的高精度定向測姿模型，包括建立單差 觀測方程； 步驟B;實時觀測載波相位及偽距，并W實時數據流的形式為所述高精度定向測姿模 型提供數據源； 步驟C ;確定待估參數和約束信息； 步驟D ;監測與修復周跳，避免觀測值中存在周跳導致解算精度下降； 步驟E ;通過估計基線矢量參數與浮點載波相位模糊度參數，固定部分或全部模糊度 參數至整數值，實現分步模糊度固定和快速模糊度整數解的捜索，并將已知的基線長度信 息作為附加信息，在所述基線矢量參數解算的過程中作為偽觀測值約束所述基線矢量的解 算精度； 步驟F ;通過坐標系轉換，將所述基線矢量轉換至航向角和俯仰角輸出。
2. 如權利要求1所述的面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，其特征在 于，所述單差觀測方程的建立包括W下步驟： 步驟A1 ;時鐘同步GNSS接收機單天線輸出的所述載波相位，其表達式如下：
式中，片代表衛星j-天線i間的幾何距離，化,,，扣;分別代表接收機i鐘差和衛星j鐘 差，巧//分別代表衛星j-天線i的大氣延遲、電離層延遲，^瑪、仍IWV 片分別代表接 收機i的電纜延遲、接收機uro延遲和衛星j-天線i的多路徑延遲，A代表載波波長，C代 表光速，iV/代表衛星j-天線i的模糊度，e代表測量噪聲； 步驟A2 ;針對雙天線觀測數據進行站間單差，所述單差觀測方程如下：
式中，A P j代表衛星j-天線間幾何距離的差值；A與代表雙天線電纜延遲的差值. A巧W0代表雙天線間Uro的差值；A Nj代表衛星j的基線模糊度參數；A代表載波波長，e 代表測量噪聲； 步驟A3 ;線性化所述單差觀測方程，其表達式如下：
式中，代表衛星j-天線間距離差值的初始值，A代表待估基線參數的系數矩陣，AX 代表待估基線參數，A仍；M分別代表電纜延遲差值和UPD差值，AN叩^表待估基線 模糊度參數，A代表載波波長，e代表測量噪聲。
3. 如權利要求1所述的面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，其特征在 于，所述步驟E進一步包括W下步驟： 步驟E1 ;通過卡爾曼濾波計算所述基線矢量參數和所述模糊度參數的浮點解； 步驟E2 ;-定歷元后，選擇所述模糊度參數固定至整數值；
步驟E3 ;通過形成偽觀測值進行模糊度參數約束或固定； 步驟E4 ;-定歷元后，選擇離整數值較近的部分或全部的模糊度參數固定至相應的最 近整數值，并通過形成偽觀測方程再次進行所述模糊度約束或固定，直至滿足所述基線矢 量參數的精度。
4. 如權利要求3所述的面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，其特征在 于，所述步驟E2包括；求解所有所述模糊度參數與其最近整數值之間的差值，并對所有差 值進行平均計算，選擇離均值最近的所述模糊度參數作為待固定模糊度參數，并記錄其最 近整數值。
5. 如權利要求3所述的面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，其特征在 于，當進行所述模糊度參數約束時，約束方程表達如下： 0 = / X (茨一W)個按己 式中，I代表單位陣，寅代表待固定模糊度參數的整數值，N代表帶固定模糊度參數的 浮點解，e。代表約束范圍；當進行所述模糊度參數固定時，在不發生周跳的條件下，在相應 衛星的觀測值中扣除所述模糊度參數的整數解，并不再估計該所述模糊度參數。
6. 如權利要求1所述的面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，其特征在 于，所述偽觀測值的構成過程表達如下： i:=巧-(2山權-2卸資'.V - 2立2九)， 式中，L為解算的基線長度，L。為先驗已知的基線長度，從而構成基線長度約束的偽觀 測值。
7. 如權利要求1所述的面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，所述步驟F 包括W下步驟： 步驟F1 ;從地屯、直角坐標系到主天線位置地理坐標系的轉換，其公式如下：
式中，所述主天線位置為地理坐標系原點，B和L代表所述主天線的大地紳度和經度； 在載體靜止時，在地理坐標系中基線的所述航向角為# = 所述俯仰角
步驟巧；所述基線矢量從地理坐標系到載體坐標系的轉換，在載體運動的情況下，載 體的主軸為X軸，載體垂直向上方為Z軸，y軸與X軸和Z軸正交；從地理坐標系到載體坐 柄系的轉換關系表達如下：
式中，a為載體從地理坐標系正北向按順時針方向度量到載體y軸的方位角，0為向 上為正的俯仰角，丫為向右為正的橫搖角。
8. 如權利要求1所述的面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，其特征在 于，在靜態或準靜態情況下，用于監測微小的基線變化，適用于結構體的健康監測。
9. 如權利要求1所述的面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，其特征在 于，在動態情況下，適用于高動態環境下的載體姿態測量。
【專利摘要】本發明提出了一種面向時鐘同步多天線GNSS接收機的定向測姿方法，包括建立針對時鐘同步多天線GNSS接收機的高精度定向測姿模型；實時觀測載波相位及偽距，并以實時數據流的形式為高精度定向測姿模型提供數據源；確定待估參數和約束信息；監測與修復周跳；通過估計基線矢量參數與浮點載波相位模糊度參數，固定部分或全部模糊度參數至整數值，并將基線長度信息作為附加信息，在基線矢量參數解算的過程中作為偽觀測值約束基線矢量的解算精度；通過坐標系轉換，將基線矢量轉換至航向角和俯仰角輸出。本發明通過單差實現高精度測姿，算法簡單，可適用于靜態、準靜態和動態情況下高精度實時定向測姿應用，同時算法運行效率高，適用于高動態車載定向測姿。
【IPC分類】G01S19-55
【公開號】CN104597471
【申請號】CN201510015460
【發明人】董大南, 陳雯, 蔡苗苗, 周鋒, 夏俊晨, 程明飛, 余超, 邱崧
【申請人】華東師范大學
【公開日】2015年5月6日
【申請日】2015年1月13日