利用時鐘同步gnss接收機相位纏繞計算航向角的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計 算航向角的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 時鐘同步GNSS接收機相位纏繞技術(shù)確定航向角是指利用在運動載體上加裝的 GNSS信號接收天線在運動過程中采集載波相位觀測值，根據(jù)特定的算法和數(shù)據(jù)處理技術(shù)得 到該運動載體航向角。一般采用兩個時鐘同步天線，當(dāng)一個天線靜止，而另一個天線旋轉(zhuǎn) (天線的極化方向與天線的旋轉(zhuǎn)軸一致）時，利用單差載波相位觀測值估算出兩個天線的 相位纏繞差值，從而計算出旋轉(zhuǎn)天線的航向角。
[0003] 由于GNSS衛(wèi)星發(fā)射天線和接收機天線都對應(yīng)右旋圓極化電波信號，當(dāng)衛(wèi)星或者 接收機的天線方位改變時，接收機載波相位觀測值中將出現(xiàn)由天線旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的附加相位 值，這種影響稱為相位纏繞效應(yīng)。由于相位纏繞并不對應(yīng)地面接收機的位置變化，不改正 就會給定位精度帶來誤差，因此相位纏繞效應(yīng)是高精度GNSS定位及測姿時需要考慮的關(guān) 鍵問題之一。按照發(fā)生旋轉(zhuǎn)的主體不同它分為空基相位纏繞效應(yīng)（Space-basedcarrier PhaseWind-Up,簡稱SPWU)和地基相位纏繞效應(yīng)（Ground-basedcarrierPhaseWind-Up, 簡稱GPWU)兩大類型。
[0004] 空基相位纏繞效應(yīng)與衛(wèi)星到地心聯(lián)線和衛(wèi)星到接收機聯(lián)線的夾角有關(guān)，在非差和 長基線差分的情況下需要建立模型對其進行估算和改正，而在短基線情況下通過雙差可以 消除。國內(nèi)外這方面的研宄已經(jīng)比較成熟。
[0005]與地基相位纏繞效應(yīng)相關(guān)的研宄非常少。其特征在于，在接收機天線的極化方向 與天線的旋轉(zhuǎn)軸一致的情況下，地基相位纏繞效應(yīng)與衛(wèi)星無關(guān)、與衛(wèi)星高度角也無關(guān)，但與 接收機鐘差完全相關(guān)，因而可以通過載波相位觀測值雙差消除地基相位纏繞效應(yīng)。而在常 規(guī)的單差和非差的情況下又和估計的接收機鐘差參數(shù)完全耦合，無法分離出其中的相位纏 繞值。因此，基于地基相位纏繞效應(yīng)確定航向角的技術(shù)鮮有提出。
[0006] 本發(fā)明的目的是為了提出一種利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計算航向角的 方法，通過測量接收機載波相位觀測值的相位纏繞差值來確定航向角。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明提出了一種利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計算航向角的方法，包括 如下步驟：
[0008] 步驟1:采集時鐘同步GNSS雙天線接收機中每個單天線的載波相位觀測值；
[0009] 步驟2:對所述載波相位觀測值進行站間單差計算，得到單差方程；
[0010] 步驟3 :通過對所述單差方程進行線性化處理來建立模型，所述模型中引入模型 參數(shù)，所述模型參數(shù)用于表征接收機天線的延遲差值；
[0011] 步驟4 :估算所述模型中的模型參數(shù)，以得到所述模型參數(shù)的各歷元值；
[0012] 步驟5:利用所述模型參數(shù)的各歷元值計算相位纏繞差值在各歷元間的累計值， 獲得航向角變化的累計值。
[0013] 本發(fā)明所述利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計算航向角的方法中，所述載波 相位觀測值以如下公式（1)表示：
[0014]
【主權(quán)項】
1. 一種利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計算航向角的方法，其特征在于，包括如下 步驟： 步驟1 :采集時鐘同步GNSS雙天線接收機中每個單天線的載波相位觀測值； 步驟2 :對所述載波相位觀測值進行站間單差計算，得到單差方程； 步驟3 :通過對所述單差方程進行線性化處理來建立模型，所述模型中引入模型參數(shù)， 所述模型參數(shù)用于表征接收機天線的延遲差值； 步驟4 :估算所述模型中的模型參數(shù)，以得到所述模型參數(shù)的各歷元值； 步驟5 :利用所述模型參數(shù)的各歷元值計算相位纏繞差值在各歷元間的累計值，獲得 航向角變化的累計值。
2. 如權(quán)利要求1所述的利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計算航向角的方法，其特征 在于，所述載波相位觀測值以如下公式（1)表示：
式⑴中，j表示衛(wèi)星編號，i表示接收機天線編號，p/表示衛(wèi)星j到接收機天 線i間的幾何距離，價分別表示接收機天線i的鐘差和衛(wèi)星j的鐘差，表示 衛(wèi)星j到接收機天線i的大氣層延遲，//表示衛(wèi)星j到接收機天線i的電離層延遲， 史叫、抑％、％冊丨、史<·分別表示接收機天線i的電纜延遲、接收機天線i的非校準(zhǔn)相 位延遲、衛(wèi)星j端和接收機天線i端的相位纏繞之和以及衛(wèi)星j到接收機天線i的多路徑 延遲，λ表示載波波長，c表示光速，iV/表示衛(wèi)星j到接收機天線i的載波相位的整數(shù)模糊 度，ε表示接收機測量噪聲。
3. 如權(quán)利要求1所述的利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計算航向角的方法，其特征 在于，所述單差方程以如下公式（2)表示：
式⑵中，Δ ρ嚷示衛(wèi)星j到接收機的雙天線間幾何距離的差值，Δ<^.β表示接收機的 雙天線電纜延遲的差值，Δφ?/ρο:表示雙天線間非校準(zhǔn)相位延遲的差值，Apwwy表示雙天 線間地基相位纏繞的差值，ΔΜ表示衛(wèi)星j的基線模糊度參數(shù)，λ表示載波波長， ε表示 接收機測量噪聲。
4. 如權(quán)利要求1所述的利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計算航向角的方法，其特征 在于，所述步驟3中建立模型包括如下步驟： 步驟3a:對所述單差方程進行線性化處理，獲得的線性化單差方程以如下式（3)表 示：
式（3)中，Δρ;^表示衛(wèi)星j到接收機天線間距離差值的初始值，A表示待估基線參數(shù)的 系數(shù)矩陣，Δ X表示待估基線參數(shù)，Δ^ζ_β:表示電纜延遲差值，示非校準(zhǔn)相位延遲差 值，Apciwi7表示地基相位纏繞差值，Λ M表示待估基線模糊度參數(shù)，λ表示載波波長，ε 表示測量噪聲； 步驟3b :引入模型參數(shù)，在進行卡爾曼濾波計算時給予擾動值，所述模型參數(shù)所估計 的時變部分用于表示地基相位纏繞效應(yīng)；所述模型參數(shù)以如下式（4)表示：
式⑷中，卸W表示模型參數(shù)，Δφ^β表示電纜延遲差值，Δφ；；Ρ0表示非校準(zhǔn)相位延遲 差值，表示地基相位纏繞差值； 步驟3c :將所述模型參數(shù)代入所述線性化單差方程，得到的模型如以下式（5)所示：
式（5)中，Δρ$表示衛(wèi)星j到接收機天線間距離差值的初始值，A表示待估基線參數(shù)的 系數(shù)矩陣，表示模型參數(shù)，ΔΝ·3表示待估基線模糊度參數(shù)，λ表示載波波長，ε表示測 量噪聲。
5. 如權(quán)利要求1所述的利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計算航向角的方法，其特征 在于，所述步驟4中，估算所述模型參數(shù)包括如下步驟： 步驟4a :根據(jù)所述模型估計模糊度差參數(shù)，利用所述模糊度差參數(shù)構(gòu)建矩陣； 步驟4b :利用所述一個模型參數(shù)置換一個所述模糊度差參數(shù)，使所述矩陣不秩虧； 步驟4c :利用所述矩陣進行求解，使求解的模糊度固定，并獲得所述模型參數(shù)的各歷 元值。
6. 如權(quán)利要求1所述的利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計算航向角的方法，其特 征在于，所述步驟5中，將任意兩個所述模型的歷元值相減，獲得相位纏繞差值在兩個歷元 之間的累計值，即兩個歷元之間航向角變化的累計值；所述航向角變化的累計值以如下式 (9)表示：
式（9)中，tQ表示一個歷元，tn表示另一個歷元，⑴表示航向角變化， 表示模型參數(shù)的1^歷元值，Apw(G)表示模型參數(shù)的h歷元值。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用時鐘同步GNSS接收機相位纏繞計算航向角的方法，包括：采集時鐘同步GNSS雙天線接收機中每個單天線的載波相位觀測值；對所述載波相位觀測值進行站間單差計算，得到單差方程；對所述單差方程進行線性化處理建立模型，所述模型中引入模型參數(shù)以表征接收機天線的延遲差值；估算所述模型中的模型參數(shù)；利用所述模型參數(shù)計算相位纏繞差值在歷元間的累計值，獲得航向角變化的累計值。
【IPC分類】G01S19-54
【公開號】CN104749601
【申請?zhí)枴緾N201510096274
【發(fā)明人】董大南, 陳雯, 余超, 蔡苗苗, 周鋒, 成亞男, 程明飛, 呂晶陽, 邱崧
【申請人】華東師范大學(xué)
【公開日】2015年7月1日
【申請日】2015年3月4日