面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法技术

本发明专利技术提出了一种面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，包括建立针对时钟同步多天线GNSS接收机的高精度定向测姿模型；实时观测载波相位及伪距，并以实时数据流的形式为高精度定向测姿模型提供数据源；确定待估参数和约束信息；监测与修复周跳；通过估计基线矢量参数与浮点载波相位模糊度参数，固定部分或全部模糊度参数至整数值，并将基线长度信息作为附加信息，在基线矢量参数解算的过程中作为伪观测值约束基线矢量的解算精度；通过坐标系转换，将基线矢量转换至航向角和俯仰角输出。本发明专利技术通过单差实现高精度测姿，算法简单，可适用于静态、准静态和动态情况下高精度实时定向测姿应用，同时算法运行效率高，适用于高动态车载定向测姿。

【技术实现步骤摘要】
面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法
本专利技术涉及高精度定向测姿技术，尤其涉及一种面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法。
技术介绍
时钟同步多天线GNSS(GlobalNavigationSatelliteSystem，全球导航卫星系统)接收机于2008年大规模进入中国市场，代表性产品包括美国Trimble公司BD982双频双天线接收机，欧洲Javad公司的TRIUMPH-4X一机4天线接收机，上海司南导航K528型号的GPS/北斗共用时钟双天线主机板以及东方联星TOAS100D双天线测向接收机。多天线接收机降低了接收机的成本，时钟同步的实现为更高精度的导航应用提供了技术前提，未来有望取代或互补现行的中低档惯性导航系统以及中低档倾斜仪，具有广阔的应用前景。然而，目前市面上已有的产品并没有充分发挥时钟同步多天线GNSS接收机的所有优势，在定向测姿算法上仍然沿袭了时钟不同步的两个接收机的短基线RTK、双差算法，并没有真正利用时钟同步的优势来提高精度和效率，而理论上时钟同步设备利用单差即可同时消除卫星和接收机钟差，因此可以改善参数相关性，利于快速固定模糊度。
技术实现思路
本专利技术面向时钟同步多天线GNSS接收机提出一种高精度实时定向测姿方法，具有精度高、实时性和实用性强等优点。本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，包括以下步骤：步骤A：建立针对时钟同步多天线GNSS接收机的高精度定向测姿模型，包括建立单差观测方程；步骤B：实时观测载波相位及伪距，并以实时数据流的形式为所述高精度定向测姿模型提供数据源；步骤C：确定待估参数和约束信息；步骤D：监测与修复周跳，避免观测值中存在周跳导致解算精度下降；步骤E：通过估计基线矢量参数与浮点载波相位模糊度参数，固定部分或全部模糊度参数至整数值，实现分步模糊度固定和快速模糊度整数解的搜索，将已知的基线长度信息作为附加信息，在所述基线矢量参数解算的过程中作为伪观测值约束所述基线矢量的解算精度；步骤F：通过坐标系转换，将所述基线矢量转换至航向角和俯仰角输出。本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法中，所述单差观测方程的建立包括以下步骤：步骤A1：时钟同步GNSS接收机单天线输出的所述载波相位，其表达式如下：式中，代表卫星j-天线i间的几何距离，分别代表接收机i钟差和卫星j钟差，分别代表卫星j-天线i的大气延迟、电离层延迟，分别代表接收机i的电缆延迟、接收机UPD(uncalibratedphasedelay)延迟和卫星j-天线i的多路径延迟，λ代表载波波长，c代表光速，代表卫星j-天线i的模糊度，ε代表测量噪声；步骤A2：针对双天线观测数据进行站间单差，假定不考虑多路径效应，由于是短基线并采用时钟同步GNSS接收机，消除了大气延迟、电离层延迟和卫星钟差等公共误差的同时消除了接收机钟差，所述单差观测方程如下：式中，Δρj代表卫星j-天线间几何距离的差值；代表双天线电缆延迟的差值；代表双天线间UPD的差值；ΔNj代表卫星j的基线模糊度参数；λ代表载波波长，ε代表测量噪声。步骤A3：线性化所述单差观测方程，其表达式如下：式中，代表卫星j-天线间距离差值的初始值，A代表待估基线参数的系数矩阵，ΔX代表待估基线参数，分别代表电缆延迟差值和UPD差值，ΔNj代表待估基线模糊度参数，λ代表载波波长，ε代表测量噪声；由于两项线性化后系数相同，且通常被认为是常数，因而可合并为一项，记作，因而上式可化简为：本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法中，所述步骤E进一步包括以下步骤：步骤E1：通过卡尔曼滤波计算所述基线矢量参数和所述模糊度参数的浮点解；步骤E2：一定历元后，选择所述模糊度参数固定至整数值；固定准则表达如下：求解所有模糊度参数与最近整数值之间的差值(≥0)，对所有差值进行平均计算，选择离均值最近的模糊度参数作为待固定模糊度参数，并记录其最近整数值；步骤E3：通过形成伪观测值进行模糊度参数约束或固定；步骤E4：一定历元后，选择离整数值较近的部分或全部的模糊度参数固定至相应的最近整数值，并通过形成伪观测方程再次进行所述模糊度约束或固定，直至满足所述基线矢量参数的精度。本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法中，当进行所述模糊度参数约束时，约束方程表达如下：式中，I代表单位阵，代表待固定模糊度参数的整数值，N代表带固定模糊度参数的浮点解，εc代表约束范围；当进行所述模糊度参数固定时，在不发生周跳的条件下，在相应卫星的观测值中扣除所述模糊度参数的整数解，并不再估计该所述模糊度参数。本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法中，所述为观测值的构成过程表达如下：式中，L为解算的基线长度，L0为先验已知的基线长度，从而构成基线长度约束的伪观测值。本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法中，所述步骤F包括以下步骤：步骤F1：从地心直角坐标系到主天线位置地理坐标系的转换，其公式如下：式中，所述主天线位置为地理坐标系原点，B和L代表所述主天线的大地纬度和经度；在载体静止时，在地理坐标系中基线的所述航向角为所述俯仰角为步骤F2：所述基线矢量从地理坐标系到载体坐标系的转换，在载体运动的情况下，载体的主轴为x轴，载体垂直向上方为z轴，y轴与x轴和z轴正交；从地理坐标系到载体坐标系的转换关系表达如下：式中，α为载体从地理坐标系正北向按顺时针方向度量到载体y轴的方位角，β为向上为正的俯仰角，γ为向右为正的横摇角。本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法中，在静态或准静态情况下，用于监测微小的基线变化，适用于结构体的健康监测。本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法中，在动态情况下，适用于高动态环境下的载体姿态测量。本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法中，包括基于GNSS多天线时钟同步的特点而开发的基线实时解算的模型和方案，以GNSS实时观测的单差模型作为基础模型，基于此模型开展实时高精度基线解算方案中的部分或全部模糊度约束或固定、基线约束等算法创新。其中，时钟同步多天线GNSS接收机的高精度定向测姿模型区别于传统基线解算中常采用的双差数学模型，是基于时钟同步多天线接收机的单差模型，在消除了大部分公共误差前提下，降低了待估参数间的相关性，有利于模糊度固定算法的开展。本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法中，模糊度固定的方法与目前国际上普遍采用求解整数模糊度的LAMBDA算法相比，区别与优势在于：LAMBDA算法的基本思想是先对模糊度参数作整系数线性组合降相关，然后对线性组合模糊度采用模糊度空间搜索法求得整数模糊度。本专利技术反其道而行之，创新地引入一个附加参数把估计的模糊度参数加相关，利用该附加参数和模糊度参数的强相关关系，成功地把模糊度参数中的公共实数初始相位和整数模糊度分离，从而大大提高了求取整数模糊度的效率和准确率。本专利技术提出的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法是基于单差模型开展的算法创新，主要包括基线约束、部分或全部模糊度约束或固定等，用本专利技术方法对GNSS观测做实时姿态，可以有效保证姿态解本文档来自技高网...

【技术保护点】
面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：建立针对时钟同步多天线GNSS接收机的高精度定向测姿模型，包括建立单差观测方程；步骤B：实时观测载波相位及伪距，并以实时数据流的形式为所述高精度定向测姿模型提供数据源；步骤C：确定待估参数和约束信息；步骤D：监测与修复周跳，避免观测值中存在周跳导致解算精度下降；步骤E：通过估计基线矢量参数与浮点载波相位模糊度参数，固定部分或全部模糊度参数至整数值，实现分步模糊度固定和快速模糊度整数解的搜索，并将已知的基线长度信息作为附加信息，在所述基线矢量参数解算的过程中作为伪观测值约束所述基线矢量的解算精度；步骤F：通过坐标系转换，将所述基线矢量转换至航向角和俯仰角输出。

【技术特征摘要】
1.面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤A：建立针对时钟同步多天线GNSS接收机的高精度定向测姿模型，包括建立单差观测方程；步骤B：实时观测载波相位及伪距，并以实时数据流的形式为所述高精度定向测姿模型提供数据源；步骤C：确定待估参数和约束信息；步骤D：监测与修复周跳，避免观测值中存在周跳导致解算精度下降；步骤E：通过估计基线矢量参数与浮点载波相位模糊度参数，固定部分或全部模糊度参数至整数值，实现分步模糊度固定和快速模糊度整数解的搜索，并将已知的基线长度信息作为附加信息，在所述基线矢量参数解算的过程中作为伪观测值约束所述基线矢量的解算精度；步骤F：通过坐标系转换，将所述基线矢量转换至航向角和俯仰角输出；其中，所述单差观测方程的建立包括以下步骤：步骤A1：时钟同步GNSS接收机单天线输出的所述载波相位，其表达式如下：式中，代表卫星j-天线i间的几何距离，分别代表接收机i钟差和卫星j钟差，分别代表卫星j-天线i的大气延迟、电离层延迟，分别代表接收机i的电缆延迟、接收机UPD延迟和卫星j-天线i的多路径延迟，λ代表载波波长，c代表光速，代表卫星j-天线i的模糊度，ε代表测量噪声；步骤A2：针对双天线观测数据进行站间单差，所述单差观测方程如下：式中，Δρj代表卫星j-天线间几何距离的差值；代表双天线电缆延迟的差值；代表双天线间UPD的差值；ΔNj代表卫星j的基线模糊度参数；λ代表载波波长，ε代表测量噪声；步骤A3：线性化所述单差观测方程，其表达式如下：式中，代表卫星j-天线间距离差值的初始值，A代表待估基线参数的系数矩阵，ΔX代表待估基线参数，分别代表电缆延迟差值和UPD差值，ΔNj代表待估基线模糊度参数，λ代表载波波长，ε代表测量噪声。2.如权利要求1所述的面向时钟同步多天线GNSS接收机的定向测姿方法，其特征在于，所述步骤E进一步包括以下步骤：步骤E1：通过卡尔曼滤波计算所述基线矢量参数和所述模糊度参数的浮点解；步骤E2：一定历元后，选择所述模糊度参数固定至整数值；步骤E3：通过形成伪观测值进行模糊度参数约束或固定；步骤E4：一定历元后，选择离整数值较近的部分或全部的模糊度参数固定至相应的最近整数值，并通过形成伪观测方程再次进行所述模...

【专利技术属性】
技术研发人员：董大南，陈雯，蔡苗苗，周锋，夏俊晨，程明飞，余超，邱崧，
申请(专利权)人：华东师范大学，
类型：发明
国别省市：上海;31