利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法技术

本发明专利技术公开了一种利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法，包括：采集时钟同步GNSS双天线接收机中每个单天线的载波相位观测值；对所述载波相位观测值进行站间单差计算，得到单差方程；对所述单差方程进行线性化处理建立模型，所述模型中引入模型参数以表征接收机天线的延迟差值；估算所述模型中的模型参数；利用所述模型参数计算相位缠绕差值在历元间的累计值，获得航向角变化的累计值。

【技术实现步骤摘要】
利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法
本专利技术属于通信
，尤其涉及一种利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法。
技术介绍
时钟同步GNSS接收机相位缠绕技术确定航向角是指利用在运动载体上加装的GNSS信号接收天线在运动过程中采集载波相位观测值，根据特定的算法和数据处理技术得到该运动载体航向角。一般采用两个时钟同步天线，当一个天线静止，而另一个天线旋转(天线的极化方向与天线的旋转轴一致)时，利用单差载波相位观测值估算出两个天线的相位缠绕差值，从而计算出旋转天线的航向角。由于GNSS卫星发射天线和接收机天线都对应右旋圆极化电波信号，当卫星或者接收机的天线方位改变时，接收机载波相位观测值中将出现由天线旋转产生的附加相位值，这种影响称为相位缠绕效应。由于相位缠绕并不对应地面接收机的位置变化，不改正就会给定位精度带来误差，因此相位缠绕效应是高精度GNSS定位及测姿时需要考虑的关键问题之一。按照发生旋转的主体不同它分为空基相位缠绕效应(Space-basedcarrierPhaseWind-Up,简称SPWU)和地基相位缠绕效应(Ground-basedcarrierPhaseWind-Up,简称GPWU)两大类型。空基相位缠绕效应与卫星到地心联线和卫星到接收机联线的夹角有关，在非差和长基线差分的情况下需要建立模型对其进行估算和改正，而在短基线情况下通过双差可以消除。国内外这方面的研究已经比较成熟。与地基相位缠绕效应相关的研究非常少。其特征在于，在接收机天线的极化方向与天线的旋转轴一致的情况下，地基相位缠绕效应与卫星无关、与卫星高度角也无关，但与接收机钟差完全相关，因而可以通过载波相位观测值双差消除地基相位缠绕效应。而在常规的单差和非差的情况下又和估计的接收机钟差参数完全耦合，无法分离出其中的相位缠绕值。因此，基于地基相位缠绕效应确定航向角的技术鲜有提出。本专利技术的目的是为了提出一种利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法，通过测量接收机载波相位观测值的相位缠绕差值来确定航向角。
技术实现思路
本专利技术提出了一种利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法，包括如下步骤：步骤1：采集时钟同步GNSS双天线接收机中每个单天线的载波相位观测值；步骤2：对所述载波相位观测值进行站间单差计算，得到单差方程；步骤3：通过对所述单差方程进行线性化处理来建立模型，所述模型中引入模型参数，所述模型参数用于表征接收机天线的延迟差值；步骤4：估算所述模型中的模型参数，以得到所述模型参数的各历元值；步骤5：利用所述模型参数的各历元值计算相位缠绕差值在各历元间的累计值，获得航向角变化的累计值。本专利技术所述利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法中，所述载波相位观测值以如下公式(1)表示：式(1)中，j表示卫星编号，i表示接收机天线编号，表示卫星j到接收机天线i间的几何距离，分别表示接收机天线i的钟差和卫星j的钟差，表示卫星j到接收机天线i的大气层延迟，表示卫星j到接收机天线i的电离层延迟，分别表示接收机天线i的电缆延迟、接收机天线i的非校准相位延迟、卫星j端和接收机天线i端的相位缠绕之和以及卫星j到接收机天线i的多路径延迟，λ表示载波波长，c表示光速，表示卫星j到接收机天线i的载波相位的整数模糊度，ε表示接收机测量噪声。本专利技术所述利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法中，所述单差方程以如下公式(2)表示：式(2)中，Δρj表示卫星j到接收机的双天线间几何距离的差值，表示接收机的双天线电缆延迟的差值，表示双天线间非校准相位延迟的差值，表示双天线间地基相位缠绕的差值，ΔNj表示卫星j的基线模糊度参数，λ表示载波波长，ε表示接收机测量噪声。本专利技术所述利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法中，所述步骤3中建立模型包括如下步骤：步骤3a：对所述单差方程进行线性化处理，获得的线性化单差方程以如下式(3)表示：式(3)中，表示卫星j到接收机天线间距离差值的初始值，A表示待估基线参数的系数矩阵，ΔX表示待估基线参数，表示电缆延迟差值，表示非校准相位延迟差值，表示地基相位缠绕差值，ΔNj表示待估基线模糊度参数，λ表示载波波长，ε表示测量噪声；步骤3b：引入模型参数，在进行卡尔曼滤波计算时给予扰动值，所述模型参数所估计的时变部分用于表示地基相位缠绕效应；所述模型参数以如下式(4)表示：式(4)中，表示模型参数，表示电缆延迟差值，表示非校准相位延迟差值，表示地基相位缠绕差值；步骤3c：将所述模型参数代入所述线性化单差方程，得到的模型如以下式(5)所示：式(5)中，表示卫星j到接收机天线间距离差值的初始值，A表示待估基线参数的系数矩阵，表示模型参数，ΔNj表示待估基线模糊度参数，λ表示载波波长，ε表示测量噪声。本专利技术所述利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法中，所述步骤4中，估算所述模型参数包括如下步骤：步骤4a：根据所述模型估计模糊度差参数，利用所述模糊度差参数构建矩阵；步骤4b：利用所述一个模型参数置换一个所述模糊度差参数，使所述矩阵不秩亏；步骤4c：利用所述矩阵进行求解，使求解的模糊度固定，并获得所述模型参数的各历元值。本专利技术所述利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法中，所述步骤5中，将任意两个所述模型的历元值相减，获得相位缠绕差值在两个历元之间的累计值，即两个历元之间航向角变化的累计值；所述航向角变化的累计值以如下式(9)表示：式(9)中，t0表示一个历元，tn表示另一个历元，表示航向角变化，表示模型参数的tn历元值，表示模型参数的t0历元值。本专利技术计算方法首次有效地观测到地基相位缠绕效应(GPWU)，并且给出了它的应用前景和精度评估。与传统地基相位缠绕效应研究方法的区别在于，本方法创新性地采用了时钟同步GNSS双天线接收机，由于不存在接收机钟差，因而可以利用单差载波相位观测值估算出两个天线的相位缠绕差值，当一个天线静止，而另一个天线旋转(天线的极化方向与天线的旋转轴一致)的情况下，可以利用相位缠绕差值计算旋转天线的航向角。附图说明图1是本专利技术利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法的流程图。图2(a)是参数置换前矩阵的模糊度偏差值，图2(b)是参数置换后矩阵的模糊度偏差值。具体实施方式结合以下具体实施例和附图，对本专利技术作进一步的详细说明。实施本专利技术的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本专利技术没有特别限制内容。如图1所示，本专利技术利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法的流程图，其包括如下步骤：步骤1：采集时钟同步GNSS双天线接收机中每个单天线的载波相位观测值；步骤2：对所述载波相位观测值进行站间单差计算，得到单差方程；步骤3：通过对所述单差方程进行线性化处理来建立模型，所述模型中引入模型参数，所述模型参数用于表征接收机天线的延迟差值；步骤4：估算所述模型中的模型参数，以得到所述模型参数的各历元值；步骤5：利用所述模型参数的各历元值计算相位缠绕差值在各历元间的累计值，获得航向角变化的累计值。下面结合附图对本专利技术做详细描述。整个计算步骤如下：在步骤1中，时钟同步GNSS接收机单天线输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采集时钟同步GNSS双天线接收机中每个单天线的载波相位观测值；步骤2：对所述载波相位观测值进行站间单差计算，得到单差方程；步骤3：通过对所述单差方程进行线性化处理来建立模型，所述模型中引入模型参数，所述模型参数用于表征接收机天线的延迟差值；步骤4：估算所述模型中的模型参数，以得到所述模型参数的各历元值；步骤5：利用所述模型参数的各历元值计算相位缠绕差值在各历元间的累计值，获得航向角变化的累计值。

【技术特征摘要】
1.一种利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：采集时钟同步GNSS双天线接收机中每个单天线的载波相位观测值；步骤2：对所述载波相位观测值进行站间单差计算，得到单差方程；所述单差方程以如下公式(2)表示：式(2)中，Δρj表示卫星j到接收机的双天线间几何距离的差值，表示接收机的双天线电缆延迟的差值，表示双天线间非校准相位延迟的差值，表示双天线间地基相位缠绕的差值，ΔNj表示卫星j的基线模糊度参数，λ表示载波波长，ε表示接收机测量噪声；步骤3：通过对所述单差方程进行线性化处理来建立模型，所述模型中引入模型参数，所述模型参数用于表征接收机天线的延迟差值；步骤4：估算所述模型中的模型参数，以得到所述模型参数的各历元值；步骤5：利用所述模型参数的各历元值计算相位缠绕差值在各历元间的累计值，获得航向角变化的累计值。2.如权利要求1所述的利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法，其特征在于，所述载波相位观测值以如下公式(1)表示：式(1)中，j表示卫星编号，i表示接收机天线编号，表示卫星j到接收机天线i间的几何距离，分别表示接收机天线i的钟差和卫星j的钟差，表示卫星j到接收机天线i的大气层延迟，表示卫星j到接收机天线i的电离层延迟，分别表示接收机天线i的电缆延迟、接收机天线i的非校准相位延迟、卫星j端和接收机天线i端的相位缠绕之和以及卫星j到接收机天线i的多路径延迟，λ表示载波波长，c表示光速，表示卫星j到接收机天线i的载波相位的整数模糊度，ε表示接收机测量噪声。3.如权利要求1所述的利用时钟同步GNSS接收机相位缠绕计算航向角的方法，其特征在于，所述步骤3中建立模型包括如下步骤：步骤3a：对所述单差方程进行...

【专利技术属性】
技术研发人员：董大南，陈雯，余超，蔡苗苗，周锋，成亚男，程明飞，吕晶阳，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