一种基于天线阵列的卫星导航单频测姿方法技术

本发明专利技术涉及一种利用卫星导航系统进行姿态测定的方法，具体涉及一种基于天线阵列的卫星导航单频测姿方法。所述方法包括以下步骤：A）将不少于3个卫星导航接收机摆放在同一条直线上组成接收机阵列，最近的一组距离小于二分之一载波波长；B）进行姿态测量，测定姿态时先测定最短基线的姿态，再逐级递推到最长基线，获得一个精确的姿态结果。本发明专利技术相比于现有技术有如下优点：（1）相比于多频测姿系统，该系统只用单频接收机，成本低。（2）该系统算法简单，只采用最小二乘法，计算代价低，实时性强。（3）因为采用了多接收机的阵列，当其中一个出现问题时可以选用其它的接收机组合，系统健壮性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用卫星导航系统进行姿态测定的方法，具体涉及一种基于天线 阵列的卫星导航单频测姿方法。
技术介绍
物体姿态的测定在导航和控制领域是一个很重要的问题。利用惯性测量单元可以 测定物体的姿态，但是测量记过是将角速度积分得到，所得的结果会随时间的增长而发散， 需要经常进行校准，同时如何精确地测量初始的姿态也是一个问题。 卫星导航系统不存在随时间发散的问题，相对于陀螺仪价格也更为低廉，所以利 用卫星导航系统进行姿态的测定是目前一个重要的研究方向。载波相位是卫星导航系统中 的一个基本测量量，因为测量精度非常高，所以比较高精度的定位中主要都使用载波相位 测量值。但是载波相位的测量存在整周模糊度的问题，如何解出整周模糊度就成为了利用 载波相位进行高精度定位的主要问题。目前用单频接收机解整周模糊度成功率较低。利用 多载波的组合解整周模糊度效果比较好，这样需要使用多频接收机，极大地增加了成本，同 时计算量非常大，提高了对系统计算能力的要求，也影响了实时性。
技术实现思路
为了有效解决上述问题，本专利技术提供一种可提高单频接收机整周模糊度解算成功 率，同时降低算法复杂度，提高实时性的基于天线阵列的卫星导航单频测姿方法。 1、，其特征在于，所述方法包括以下 步骤： A)将不少于3个卫星导航接收机摆放在同一条直线上组成接收机阵列，最近的一 组距离小于二分之一载波波长； B)进行姿态测定，测定姿态时先测定最短基线的姿态，再逐级递推到最长基线，获 得一个精确的姿态结果。 2、根据权利要求1所述的，其特征在 于，所述步骤B)包括如下步骤： 1)首先进行测定最短基线的姿态，利用基线长度限制整周模糊度的取值； 2)根据最短基线姿态测定中获得的估计解，求得长基线姿态，利用估计解的精度 和基线长度限制整周模糊度的取值； 3)长基线的解在下一个历元作为估计解给短基线，依次循环完成逐级地推到最长 基线。 进一步地，所述测定姿态包括单差测姿及利用双差测姿。 进一步地，所述不少于3个卫星导航接收机其中一个接收机为基站，其他的为移 动站，所述卫星导航接收机可接收到多颗卫星； 所述单差的测姿包括：计算载波相位单差: 式中(V，cL1是基站b和移动站r"到卫星i的距离，N，和N是基站b和移动站 r"与卫星i的整周模糊度，δtb和δtb是基站b和移动站r"接收机时钟偏差造成的误差； 所述时钟偏差造成的误差是相等的， 定义单差的整周模糊度= - ?，因为接收机之间的距离远小于接收机到 / 卫星的距离； 式中b"为基线向量，e1为视线向量，〈> 代表两个向量的夹角；所述 4> ~#ase卜[;.!5,?'?η』，得出 如果没有整周模糊度，右边的区间范围小于1，即 得L'λ/2,确定Ν;的取值， 测姿时根据上面的式子，在区间内找到唯一的一个整数即为（，若一共收到k颗 卫星，就可以得到线性方程组： 当k多3,用最小二乘法解出基线矢量b"，解算出姿态。 进一步地，所述双差测姿包括：计算载波相位双差：定义双差的整周模糊度= >4 - ^，并把H= = >带 入方程 因为b"，e1，e]都是空间向量，并θ，φ?: ,φ?分别是b"，e1，e]与同一条参考直线的 夹角； (pkpj是两个视线向量的夹角，定义,因为Θ可以任意取值，所以的取值范围为，得到值域是；夹角越大取 值范围就越大，得到 越小所得的取值范围就越小，允许的基线长度就越大；利用向量内积的性质求得(pkarccosiei'ei)得到： 在区间内选出唯一的整数作为的取值，最后化为线性方程组 当k不小于4时，会有不少于3个的双差，用最小二乘法解出基线矢量b"，解算出 姿态。 进一步地，应用解bjf算更长基线的解，根据估计值和长基线的长度，得到基线向 量bn的估计值，所述估计值用b_t表示： 并获得双差或者单差的估计值，所述双差的估计值为： 式中DDepiesi?为双差的估计值，设θ^，ε是通过b"基线测得的姿态角和姿态角 误差，二维情况下真实的姿态角Θe，得到： 为了唯一的确定整周模糊度，在Θ的取值范围内，等式右边的取值范围也应该小 于1，根据公式 得到了下一个基线的取值范围。 本专利技术相比于现有技术有如下优点： (1)相比于多频测姿系统，该系统只用单频接收机，成本低。 (2)该系统算法简单，只采用最小二乘法，计算代价低，实时性强。 (3)因为采用了多接收机的阵列，当其中一个出现问题时可以选用其它的接收机 组合，系统健壮性强。【附图说明】图1为本专利技术所提供的定位算法的流程图；图2为本专利技术提供的系统不意图； 图3为载波相位双差的示意图。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本专利技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本专利技术，并 不用于限定本专利技术。相反，本专利技术涵盖任何由权利要求定义的在本专利技术的精髓和范围上做的替代、修 改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本专利技术有更好的了解，在下文对本专利技术的细 节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的 描述也可以完全理解本专利技术。 下面结合附图对本专利技术作具体的说明：系统的结构如图2。有多台接收机，图中以3台为例。有一个接收机作为基站，记 为b(base)和剩下的是移动站，根据和基站的距离由近至远依次记为Γι (rover)，图中有两 个移动站，就记为6，^。基站b到移动站巧的空间向量记作1^。接收机可以收到多颗卫 星，这里画出两颗作为示意，记作卫星i和j。从基站到卫星之间存在一个向量，因为不关 心这个向量的模值大小，所以使用这个方向上的单位向量，这个向量称为视线向量，记作e1 和e]。同理移动站到卫星之间也有视线向量，但是在测姿应用中基准站和移动站之间的距 离远小于它们到卫星间的距离，所以认为基准站和移动站的视线向量是相等的。测姿应用 中基准站到移动站之间的距离保持不变，记为Q，L1=|bi|。 将空间向量b转化到东北天（enu)坐标系中可以求出姿态角，记b向量的三个坐 标分量分别是be，bn，bjf仰角pitch=arcsin(bu/|b|)，航向角yaw=arctan2(be，bu)， arctan2是四象限反正切函数。 卫星导航系统中，卫星将二进制信号调制到一定频率电磁波上发射，这个电磁波 称为载波。载波相位（cp，carrierphase)是卫星导航中的一个重要测量值，代表载波在循 环中的位置，单位是周。根据这个定义，测得的是循环中的位置，而不知道循环的数目，因此 载波相位有一个整周模糊度，记为N。不考虑误差有这样一个基本关系λ*(cpi+N1)=d1 式中λ是载波波长，cp1是接收机测得卫星i的载波相位，N1是卫星i的整周模 糊度，d1是接收机到卫星i的距离。 实际上载波相位的测量有很多系统误差，考虑误差后这个关系为λ*(cpi+N1)=cT+δt+δi^+trc^+iono1 式中δt1是卫星i的时钟偏差造成的误差，δt是接收机本身时钟的误差造成的 误差，trop1和ion1是卫星i的电离层延时和对流层延时。 载波相位测量时存在一定的热噪声，所以测姿时要使基线尽可能长，这样在热噪 声一定的情况下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于天线阵列的卫星导航单频测姿方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：A)将不少于3个卫星导航接收机摆放在同一条直线上组成接收机阵列，最近的一组距离小于二分之一载波波长；B)进行姿态测定，测定姿态时先测定最短基线的姿态，再逐级递推到最长基线，获得一个精确的姿态结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张汉星，黄丙胜，龚晶，郭庆，卜春光，杨红喜，司亮，
申请(专利权)人：中国航天时代电子公司，
类型：发明
国别省市：北京;11