短基线下惯导辅助的北斗单频整周模糊度求解方法技术

本发明专利技术公开了一种短基线下惯导辅助的北斗单频整周模糊度求解方法，分为3个步骤：首先，针对北斗星座类型的轨道高度将北斗观测量进行分组差分，该方法能有效消除短基线下北斗观测量中的大气延时误差；接着，利用惯导输出姿态阵估算基线矢量并代入北斗双差载波观测方程，利用递推最小二乘法计算整周模糊度浮点解和浮点解的协方差矩阵，再采用改进最小二乘模糊度去相关方法固定整周模糊度整数解；最后，利用惯导估算的基线矢量和北斗三差载波相位观测值一起构造检验量判断周跳的发生，若发生则估算周跳值并进行修复。该方法能有效提高整周模糊度的求解速率和精度，适用于在单频北斗卫星系统条件下对高动态载体进行定位定姿。

【技术实现步骤摘要】
短基线下惯导辅助的北斗单频整周模糊度求解方法
本专利技术属于单频北斗卫星系统求解整周模糊度优化方法的
，涉及一种结合北斗二代导航的新特点，利用惯导输出姿态阵辅助北斗单频整周模糊度求解、周跳的探测和修复的优化方法。
技术介绍
载波整周模糊度的求解以及周跳的探测和修复是卫星导航高精度定位定姿的核心问题。目前，卫星精密定位定姿技术主要针对GPS卫星系统，随着我国北斗卫星的建设，北斗二代已经进入快速组网阶段，我国北斗二代已经发射16颗北斗卫星导航卫星入轨，形成区域服务能力，从国防建设的角度出发，不依赖国外的卫星导航系统，对具有自主性的北斗导航系统研究精密测量技术具有极大的战略意义。整周模糊度的求解、周跳的探测和修复是卫星导航高精度定位定姿的核心问题。多年来，针对单频整周模糊度的求解，国内外学者提出了许多经典的解算方法，包括模糊度函数法，最小二乘搜索法，最小二乘模糊度去相关法(LAMBDA法)等。其中LAMBDA算法应用最广，但它需要积累较多的历元才能确定整周模糊度，会影响定姿的实时性，周跳探测和修复方法较复杂，并且灵敏度不高，卫星导航载波相位定位定姿系统严重依赖于接收机跟踪性能，鲁棒性差，比如在车载应用环境下，车辆通过立交桥或者周围树木、建筑物对接收机天线的部分遮挡在完全不影响导航定位的情况下，也可导致整周模糊度失效，进而进行重新搜索，最终，无法确保姿态信息的高精度、连续输出。而在载体运动的情况下，多天线载波相位差分姿态系统搜索到整周模糊度的概率相当小。此外，北斗二代星座与GPS、Galileo卫星在有着不同的特点：1、北斗二代星座有三种，而其他卫星星座的种类只有一种；2、北斗二代卫星比GPS、Galileo星座的平均轨道值要大，不利于整周模糊度的解算。针对北斗二代星座的这些特点开展整周模糊度算法的研究是十分必要的。卫星导航整周模糊度技术的上述不足，直接影响了北斗卫星导航精密测量技术的实际应用。
技术实现思路
专利技术目的：针对北斗二代特点，克服传统单频整周模糊度(LAMBDA)法实时性不高的缺陷和周跳探测和修复灵敏度不高的缺陷，本专利技术提供一种短基线下惯导辅助的北斗单频整周模糊度求解方法。技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种短基线下惯导辅助的北斗单频整周模糊度求解方法，包括如下步骤：步骤一、信息初始化，采集北斗原始观测量并计算北斗双差观测量，为有效消除北斗双差观测量的大气延时误差，将北斗系统输出的北斗原始观测量按照北斗星座类型的轨道高度分组差分，从而得到北斗双差载波相位观测值以及北斗卫星到接收机的双差单位矢量，构造北斗双差载波观测方程；步骤二、利用惯导输出姿态矩阵、平台误差角信息以及天线配置信息估算基线矢量地心地固坐标(ECEF坐标)以及相应的基线矢量方差阵矩阵；步骤三、将步骤二得到的惯导估算基线矢量代入步骤一中的北斗双差载波观测方程，利用递推最小二乘法求解整周模糊度浮点解及其协方差矩阵；步骤四、根据步骤三得到的整周模糊度浮点解及其协方差矩阵利用改进最小二乘模糊度去相关方法固定整周模糊度整数解；步骤五、利用惯导估算基线矢量结合北斗三差载波观测值一起构造检验量判断周跳是否发生，若发生周跳则利用检验量取整的方式估算周跳值并对整周模糊度进行修复。所述步骤一中，为有效消除北斗双差观测量的大气延时误差，将北斗系统输出的北斗原始观测量按照北斗星座类型的高度进行分组差分：MEO卫星一组，卫星数量为n，取仰角最大的MEO卫星为基准；IGSO卫星和GEO卫星一组，卫星数量为m，取仰角最大的IGSO/GEO卫星作为基准；构造北斗双差载波观测方程如下：其中，为第j颗MEO卫星到基准MEO卫星(在MEO卫星组中标记为第1颗MEO卫星)的双差载波观测相位，为第j颗IGSO卫星/GEO卫星到基准IGSO卫星/GEO卫星(在IGSO卫星和GEO卫星组中标记为第1颗IGSO卫星/GEO卫星)的双差载波观测相位，为MEO卫星到载体之间的单位矢量，为GEO卫星/IGSO卫星到载体之间的单位矢量，为第j颗MEO卫星到基准MEO卫星的双差整周模糊度，为第j颗IGSO卫星/GEO卫星到基准IGSO卫星/GEO卫星的双差整周模糊度，为第j颗MEO卫星到基准MEO卫星的双差观测噪声，为第j颗IGSO卫星/GEO卫星到基准IGSO卫星/GEO卫星的双差观测噪声，λ为北斗B1频率信号的载波波长，为基线矢量。所述步骤二中，利用惯导输出姿态矩阵、平台误差角信息以及天线配置信息估算基线矢量地心地固坐标及相应的基线矢量方差矩阵为：其中，XI为惯导估算基线矢量，XG为北斗天线构成的基线在机体坐标系内的向量；为理想姿态矩阵，为惯导实际输出的机体坐标系到地理坐标系的姿态矩阵，为地理坐标系到地心地固坐标系的转换矩阵，φ为平台误差角向量，cov[φφT]为平台误差角方差阵，I为单位矩阵，cov[XI]为惯导估算基线矢量的协方差矩阵。所述步骤四中，根据步骤三得到的整周模糊度浮点解及其协方差矩阵利用改进最小二乘模糊度去相关法固定整周模糊度整数解，包括：(41)将整周模糊度浮点解协方差矩阵中的正对角线元素先进行顺序排序，再对排序后的协方差矩阵进行LDLT分解，得到整周模糊度去相关变换矩阵；(42)利用整周模糊度去相关变换矩阵使整周模糊度去相关，然后结合整周模糊度的搜索条件固定整周模糊度整数解。所述步骤四中，整周模糊度去相关变换矩阵获取方法如下：(411)确定排序矩阵P，首先将矩阵P设定为与矩阵维数相同的零矩阵，然后将整周模糊度协方差矩阵中的正对角线元素Qii按升序排列，若Qii在排序后位于矩阵对角线元素的第m位，则令矩阵P中的元素Pmi＝1，否则为零，计算得到矩阵P中所有元素的值后，计算排序后的矩阵其中i＝1、2、…，m＝1、2、…；(412)然后对排序后的矩阵QP进行LDLT整数分解，得到下三角矩阵L后代入到Q＝[L]-1QP[LT]-1中进行计算；(413)基于(411)和(412)两个步骤，不断地进行迭代，直到矩阵[L]-1为或近似为单位阵结束；最终可以得到整周模糊度去相关变换矩阵为：Z＝[L1]-1P1[L2]-1P2…[Lk]-1Pk。所述步骤五中，利用惯导估算基线矢量集合北斗三差载波观测量一起构造检验量判断周跳是否发生，若发生周跳则利用检验量取整的方式估算周跳值并对整周模糊度进行修复，其中构造的检验量为：T＝(B(tk)·△b(tk+1,tk)-△y(tk+1,tk))/λ其中，△y(tk+1,tk)＝y(tk+1)-y(tk)，y(tk)为tk时刻的北斗三差载波观测量；△b(tk+1,tk)＝b(tk+1)-b(tk)，b(tk)和b(tk+1)用惯导估算基线矢量代替，本文档来自技高网...

【技术保护点】
短基线下惯导辅助的北斗单频整周模糊度求解方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、信息初始化，采集北斗原始观测量并计算北斗双差观测量，为有效消除北斗双差观测量的大气延时误差，将北斗系统输出的北斗原始观测量按照北斗星座类型的轨道高度分组差分，从而得到北斗双差载波相位观测值以及北斗卫星到接收机的双差单位矢量，构造北斗双差载波观测方程；步骤二、利用惯导输出姿态矩阵、平台误差角信息以及天线配置信息估算基线矢量地心地固坐标及相应的基线矢量方差矩阵；步骤三、将步骤二得到的惯导估算基线矢量代入步骤一中的北斗双差载波观测方程，利用递推最小二乘法求解整周模糊度浮点解及其协方差矩阵；步骤四、根据步骤三得到的整周模糊度浮点解及其协方差矩阵利用改进最小二乘模糊度去相关方法固定整周模糊度整数解，包括：步骤五、利用惯导估算基线矢量集合北斗三差载波观测量一起构造检验量判断周跳是否发生，若发生周跳则利用检验量取整的方式估算周跳值并对整周模糊度进行修复。

【技术特征摘要】
1.短基线下惯导辅助的北斗单频整周模糊度求解方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、信息初始化，采集北斗原始观测量并计算北斗双差观测量，为有效消除北斗双差观测量的大气延时误差，将北斗系统输出的北斗原始观测量按照北斗星座类型的轨道高度分组差分，从而得到北斗双差载波相位观测值以及北斗卫星到接收机的双差单位矢量，构造北斗双差载波观测方程；步骤二、利用惯导输出姿态矩阵、平台误差角信息以及天线配置信息估算基线矢量地心地固坐标及相应的基线矢量方差矩阵；步骤三、将步骤二得到的惯导估算基线矢量代入步骤一中的北斗双差载波观测方程，利用递推最小二乘法求解整周模糊度浮点解及其协方差矩阵；步骤四、根据步骤三得到的整周模糊度浮点解及其协方差矩阵利用改进最小二乘模糊度去相关方法固定整周模糊度整数解，包括：步骤五、利用惯导估算基线矢量集合北斗三差载波观测量一起构造检验量判断周跳是否发生，若发生周跳则利用检验量取整的方式估算周跳值并对整周模糊度进行修复。2.根据权利要求1所述的短基线下惯导辅助的北斗单频整周模糊度求解方法，其特征在于：所述步骤一中，为有效消除北斗双差观测量的大气延时误差，将北斗系统输出的北斗原始观测量按照北斗星座类型的轨道高度进行分组差分：MEO卫星一组，卫星数量为n，取仰角最大的MEO卫星为基准；IGSO卫星和GEO卫星一组，卫星数量为m，取仰角最大的IGSO/GEO卫星作为基准；构造北斗双差载波观测方程如下：其中，为第j颗MEO卫星到基准MEO卫星的双差载波观测相位，为第j颗IGSO卫星/GEO卫星到基准IGSO卫星/GEO卫星的双差载波观测相位，为MEO卫星到载体之间的单位矢量，为GEO卫星/IGSO卫星到载体之间的单位矢量，为第j颗MEO卫星到基准MEO卫星的双差整周模糊度，为第j颗IGSO卫星/GEO卫星到基准IGSO卫星/GEO卫星的双差整周模糊度，为第j颗MEO卫星到基准MEO卫星的双差观测噪声，为第j颗IGSO卫星/GEO卫星到基准IGSO卫星/GEO卫星的双差观测噪声，λ为北斗B1频率信号的载波波长，为基线矢量。3.根据权利要求2所述的短基线下惯导辅助的北斗单频整周模糊度求解方法，其特征在于：所述步骤二中，利用惯导输出姿态矩阵、平台误差角信息以及天线配置信息估算基线矢量地心地固坐标及相应的基线矢量方差矩阵为：

【专利技术属性】
技术研发人员：曹越，李荣冰，林雪原，刘建业，赖际舟，曾庆化，韩志凤，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32