一種基于天線陣列的衛(wèi)星導(dǎo)航單頻測姿方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)測定的方法，具體涉及一種基于天線 陣列的衛(wèi)星導(dǎo)航單頻測姿方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 物體姿態(tài)的測定在導(dǎo)航和控制領(lǐng)域是一個很重要的問題。利用慣性測量單元可以 測定物體的姿態(tài)，但是測量記過是將角速度積分得到，所得的結(jié)果會隨時間的增長而發(fā)散， 需要經(jīng)常進(jìn)行校準(zhǔn)，同時如何精確地測量初始的姿態(tài)也是一個問題。
[0003] 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)不存在隨時間發(fā)散的問題，相對于陀螺儀價格也更為低廉，所以利 用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)的測定是目前一個重要的研究方向。載波相位是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中 的一個基本測量量，因為測量精度非常高，所以比較高精度的定位中主要都使用載波相位 測量值。但是載波相位的測量存在整周模糊度的問題，如何解出整周模糊度就成為了利用 載波相位進(jìn)行高精度定位的主要問題。目前用單頻接收機(jī)解整周模糊度成功率較低。利用 多載波的組合解整周模糊度效果比較好，這樣需要使用多頻接收機(jī)，極大地增加了成本，同 時計算量非常大，提高了對系統(tǒng)計算能力的要求，也影響了實時性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了有效解決上述問題，本發(fā)明提供一種可提高單頻接收機(jī)整周模糊度解算成功 率，同時降低算法復(fù)雜度，提高實時性的基于天線陣列的衛(wèi)星導(dǎo)航單頻測姿方法。
[0005] 1、一種基于天線陣列的衛(wèi)星導(dǎo)航單頻測姿方法，其特征在于，所述方法包括以下 步驟：
[0006] A)將不少于3個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)擺放在同一條直線上組成接收機(jī)陣列，最近的一 組距離小于二分之一載波波長；
[0007] B)進(jìn)行姿態(tài)測定，測定姿態(tài)時先測定最短基線的姿態(tài)，再逐級遞推到最長基線，獲 得一個精確的姿態(tài)結(jié)果。
[0008] 2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于天線陣列的衛(wèi)星導(dǎo)航單頻測姿方法，其特征在 于，所述步驟B)包括如下步驟：
[0009] 1)首先進(jìn)行測定最短基線的姿態(tài)，利用基線長度限制整周模糊度的取值；
[0010] 2)根據(jù)最短基線姿態(tài)測定中獲得的估計解，求得長基線姿態(tài)，利用估計解的精度 和基線長度限制整周模糊度的取值；
[0011] 3)長基線的解在下一個歷元作為估計解給短基線，依次循環(huán)完成逐級地推到最長 基線。
[0012] 進(jìn)一步地，所述測定姿態(tài)包括單差測姿及利用雙差測姿。
[0013] 進(jìn)一步地，所述不少于3個衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)其中一個接收機(jī)為基站，其他的為移 動站，所述衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)可接收到多顆衛(wèi)星；
[0014] 所述單差的測姿包括：計算載波相位單差:
[0016] 式中(V，cL1是基站b和移動站r"到衛(wèi)星i的距離，N，和N是基站b和移動站 r"與衛(wèi)星i的整周模糊度，δtb和δtb是基站b和移動站r"接收機(jī)時鐘偏差造成的誤差；
[0017] 所述時鐘偏差造成的誤差是相等的，
[0019] 定義單差的整周模糊度= - ?，因為接收機(jī)之間的距離遠(yuǎn)小于接收機(jī)到 / 衛(wèi)星的距離；
[0021] 式中b"為基線向量，e1為視線向量，〈> 代表兩個向量的夾角；所述 4> ~#ase卜[;.!5,?'?η』，得出
[0023] 如果沒有整周模糊度，右邊的區(qū)間范圍小于1，即
[0025] 得L'λ/2,確定Ν;的取值，
[0026] 測姿時根據(jù)上面的式子，在區(qū)間內(nèi)找到唯一的一個整數(shù)即為（，若一共收到k顆 衛(wèi)星，就可以得到線性方程組：
[0028] 當(dāng)k多3,用最小二乘法解出基線矢量b"，解算出姿態(tài)。
[0029] 進(jìn)一步地，所述雙差測姿包括：計算載波相位雙差：
[0031]定義雙差的整周模糊度= >4 - ^，并把H= = >帶 入方程
[0033] 因為b"，e1，e]都是空間向量，并θ，φ?: ,φ?分別是b"，e1，e]與同一條參考直線的 夾角；
[0034]
[0035] (pkpj是兩個視線向量的夾角，定義,因為Θ可以任意取值，所以
的取值范圍為[-1，+1]，得到值域是
；夾角越大取 值范圍就越大，得到
[0036]
[0037] 越小所得的取值范圍就越小，允許的基線長度就越大；
[0038]利用向量內(nèi)積的性質(zhì)求得(pkarccosiei'ei)得到：
[0039]
[0040] 在區(qū)間內(nèi)選出唯一的整數(shù)作為的取值，最后化為線性方程組
[0042] 當(dāng)k不小于4時，會有不少于3個的雙差，用最小二乘法解出基線矢量b"，解算出 姿態(tài)。
[0043] 進(jìn)一步地，應(yīng)用解bjf算更長基線的解，根據(jù)估計值和長基線的長度，得到基線向 量bn的估計值，所述估計值用b_t表示：
[0045] 并獲得雙差或者單差的估計值，所述雙差的估計值為：
[0047] 式中DDepiesi?為雙差的估計值，設(shè)θ^，ε是通過b"基線測得的姿態(tài)角和姿態(tài)角 誤差，二維情況下真實的姿態(tài)角Θe[θ^-ε，θ^+ε]，得到：
[0048]
[0049] 為了唯一的確定整周模糊度，在Θ的取值范圍內(nèi)，等式右邊的取值范圍也應(yīng)該小 于1，根據(jù)公式
[0055] 得到了下一個基線的取值范圍。
[0056] 本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)有如下優(yōu)點：
[0057] (1)相比于多頻測姿系統(tǒng)，該系統(tǒng)只用單頻接收機(jī)，成本低。
[0058] (2)該系統(tǒng)算法簡單，只采用最小二乘法，計算代價低，實時性強(qiáng)。
[0059] (3)因為采用了多接收機(jī)的陣列，當(dāng)其中一個出現(xiàn)問題時可以選用其它的接收機(jī) 組合，系統(tǒng)健壯性強(qiáng)。
【附圖說明】
[0060]圖1為本發(fā)明所提供的定位算法的流程圖；
[0061]圖2為本發(fā)明提供的系統(tǒng)不意圖；
[0062] 圖3為載波相位雙差的示意圖。
【具體實施方式】
[0063] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。
[0064]相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修 改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對本發(fā)明有更好的了解，在下文對本發(fā)明的細(xì) 節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)部分的 描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0065] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作具體的說明：
[0066]系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2。有多臺接收機(jī)，圖中以3臺為例。有一個接收機(jī)作為基站，記 為b(base)和剩下的是移動站，根據(jù)和基站的距離由近至遠(yuǎn)依次記為Γι (rover)，圖中有兩 個移動站，就記為6，^。基站b到移動站巧的空間向量記作1^。接收機(jī)可以收到多顆衛(wèi) 星，這里畫出兩顆作為示意，記作衛(wèi)星i和j。從基站到衛(wèi)星之間存在一個向量，因為不關(guān) 心這個向量的模值大小，所以使用這個方向上的單位向量，這個向量稱為視線向量，記作e1 和e]。同理移動站到衛(wèi)星之間也有視線向量，但是在測姿應(yīng)用中基準(zhǔn)站和移動站之間的距 離遠(yuǎn)小于它們到衛(wèi)星間的距離，所以認(rèn)為基準(zhǔn)站和移動站的視線向量是相等的。測姿應(yīng)用 中基準(zhǔn)站到移動站之間的距離保持不變，記為Q，L1=|bi|。
[0067] 將空間向量b轉(zhuǎn)化到東北天（enu)坐標(biāo)系中可以求出姿態(tài)角，記b向量的三個坐 標(biāo)分量分別是be，bn，bjf仰角pitch=arcsin(bu/|b|)，航向角yaw=arctan2(be，bu)， arctan2是四象限反正切函數(shù)。
[0068] 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)中，衛(wèi)星將二進(jìn)制信號調(diào)制到一定頻率電磁波上發(fā)射，這個電磁波 稱為載波。載波相位（cp，carrierphase)是衛(wèi)星導(dǎo)航中的一個重要測量值，代表載波在循 環(huán)中的位置，單位是周。根據(jù)這個定義，測得的是循環(huán)中的位置，而不知道循環(huán)的數(shù)目，因此 載波相位有一個整周模糊度，記為N。不考慮誤差有這樣一個基本關(guān)系
[0069]λ*(cpi+N1)=d1
[0070] 式中λ是載波波長，cp1是接收機(jī)測得衛(wèi)星i的載波相位，N1是衛(wèi)星i的整周模 糊度，d1是接收機(jī)到衛(wèi)星i的距離。
[0071] 實際上載波相位的測量有很多系統(tǒng)誤差，考慮誤差后這個關(guān)系為
[0072]λ*(cpi+N1)=cT+δt+δi^+trc^+iono1
[0073] 式中δt1是衛(wèi)星i的時鐘偏差造成的誤差，δt是接收機(jī)本身時鐘的誤差造成的 誤差，trop1和ion1是衛(wèi)星i的電離層延時和對流層延時。
[0074] 載波相位測量時存在一定的熱噪聲，所以測姿時要使基線盡可能長，這樣在熱噪 聲一定的情況下姿態(tài)角的誤差會最小。熱噪聲的大小因接收機(jī)設(shè)計和周邊環(huán)境而異，這里 都以〇. 1周的噪聲峰峰值為例。
[0075] 1.亞半波長基線的姿態(tài)確定
[0076] (1)利用單差的測姿
[0077]單差（SDsingledifference)是一種消去噪聲的方法。載波相位單差3[)<'1_.^的 定義為
[0079] 式中(V，cL1是基站b和移動站r"到衛(wèi)星i的距離，N，和N是基站b和移動站 r"與衛(wèi)星i的整周模糊度，Stb和Stb是基站b和移動站Γηι接收機(jī)時鐘偏差造成的誤差。
[0080] 如果兩個接收機(jī)采用共時鐘設(shè)計，則時鐘偏差造成的誤差是相等的，即叫 ;=
[0082] 定義單差的整周模糊度NL = <因為接收機(jī)之間的距離遠(yuǎn)小于接收機(jī)到 衛(wèi)星的距離
[0084]式中b"為基線向量，e1為視線向量，〈> 代表兩個向量的夾角。因為基線的方向有 可能取任何值，所以皞~ 6 可以推導(dǎo)出
[0086]如果希望沒有整周模糊度，讓右邊的區(qū)間范圍小于1。即
[0088]Ιν<λ/2,得，必定只有一個整數(shù)，可以唯一的確定N:的取值?？紤]到測量噪 聲的存在，基線長度應(yīng)該更小一些，一般載波相位測量噪聲的峰峰值為〇. 1周，就應(yīng)該有
[0089] 測姿時根據(jù)上面的式子，在區(qū)間內(nèi)找到唯一