多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定装置及方法，属于卫星导航定位的技术领域。确定装置，包括：两个多GNSS天线构型单元、数据预处理单元、两个姿态输出模块、相对位置解算模块，多GNSS天线构型单元包括分布在导航平台三维空间中为姿态确定提供各平台基线先验信息限制条件的主天线和从天线。确定方法：对载波相位数据进行多频周跳变探测和修复以及差分处理得到基线伪码载波双差观测信号；采用包含基线先验信息限制的收敛搜索空间方法寻求最优整周模糊度并解算单平台姿态；采用姿态模糊度增强法确定最优模糊度后解算平台相对位置。本发明专利技术利用多平台、多天线约束信息的耦合解算，在提高姿态确定性能的同时还能提高相对位置确定性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术公开了多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定装置及方法，属于卫星定位导航的

技术介绍
GNSS在当今国民经济和国防建设中起着重要作用，新一代GNSS正在蓬勃发展。美国正在积极推进GPS现代化建设，包括增加新的军码(M码)和新的民用信号(L2C和L5C)，计划将GPS发展为三频观测系统。欧洲的Galileo计划也将提供多频信号，已于2005、2008年发射了两颗试验卫星，并于2011年发射了首批的两颗卫星。基于国家安全及导航自主性等考虑，俄罗斯决定继续维持GLONASS运行并发展新一代的三频系统。我国已经建设了“北斗一号”区域卫星导航系统，“北斗二号”全球卫星导航系统正在建设，并于2009年向国际电信联盟申请了B1、B2、B3频带，发射B1-C、B1、B2、B3、B3-A五种导航信号。GPS、GLONASS、Galileo以及我国的北斗二号是目前主要的GNSS，可针对军、民用领域提供不同卫星信号。GNSS已经应用在海、陆、空、天等各个领域，其中航空航天导航是GNSS重要应用领域。导航性能体现在精度、完好性、连续性和可用性四个方面，国际民航组织正努力使GNSS满足所有飞行阶段的需求。目前GNSS可以满足航路、终端、非精密进近需求；天基增强(包括WAAS、EGNOS等)已达到I类精密进近需求；II/III类精密进近(CATII/CATIII，性能需求如表1所示)导航正在研究中。但从目前研究成果来看，由于采用的是伪距观测，并不能满足CATIII、机场地面运动的需求。表1GNSS用于精密进近着陆的导航性能需求测码伪距和载波相位是GNSS系统的两类基本观测量。基于伪距观测(包括绝对模式和差分模式)不能满足如飞机自动着舰、空中加油、机场地面运动、船舶自动进坞、交汇对接、精密进近等高精度导航需求。而于载波相位观测具有更高精度，具有厘米级甚至毫米级的潜在性能，但是载波观测模糊度的解决，是载波观测厘米级定位导航实现的关键。从国内外研究现状来看，对于GNSS相对位置和姿态确定，通常都是分开处理的，即分别设计独立的定位系统、定姿系统，前者利用平台之间的GNSS差分数据进行定位，后者利用单个平台的GNSS多天线进行姿态确定。这种分而治之的方式，没有充分利用多平台的GNSS资源，也未考虑多平台的约束信息而限制了性能的提高。同时恶劣环境(如交会对接、空中加油时的遮挡导致可见星不足、多径效应等)进一步降低位置、姿态解算的成功率。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述
技术介绍
的不足，提供了多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定装置及方法，利用多平台、多天线约束信息的耦合解算，在提高姿态确定性能的同时还能提高相对位置确定性能，解决了分开设计的基于GNSS载波相对位置确定和姿态确定方案因为忽略基线限制因而限制了定位定子精度的提高的技术问题。本专利技术为实现上述专利技术目的采用如下技术方案：多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定装置，包括：两个多GNSS天线构型单元、数据预处理单元、两个姿态输出模块、相对位置解算模块，所述多GNSS天线构型单元包括分布在导航平台三维空间中为姿态确定提供各平台基线先验信息限制条件的主天线和从天线，主天线用于与同平台的从天线进行定姿解算以及同其它平台主天线解算平台之间的相对位置，所述数据预处理单元：用于对各多GNSS天线构型单元接收的载波相位数据进行多频周跳变的探测修复以及差分处理得到基线伪码载波双差观测信号，所述每个姿态输出模块：用于根据数据预处理单元输出的基线伪码载波双差观测信号收敛搜索空间以解算单平台姿态增强的模糊度，再由单平台姿态增强的模糊度确定该单平台姿态，所述相对位置解算模块：用于根据数据预处理单元输出的基线伪码载波双差观测信号解算双差下模糊度，由各姿态输出模块输出的单平台姿态增强的模糊度以及双差下模糊度确定最优模糊度，由最优模糊度解算平台的相对位置。多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定方法，利用所述装置实现，具体包括如下步骤：A、对各多GNSS天线构型单元接收的载波相位数据进行多频周跳变探测和修复以及差分处理得到基线伪码载波双差观测信号；B、采用考虑了模糊度整数限制、姿态矩阵正交限制以及基线先验信息限制的收敛搜索空间方法寻求最优整周模糊度并解算单平台姿态；C、采用姿态模糊度增强法确定最优模糊度后解算平台相对位置。进一步的，所述多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定方法中，步骤A采用如下方法对各多GNSS天线构型单元接收的载波相位数据进行多频周跳变探测和修复以及差分处理得到基线伪码载波双差观测信号：A1、采用多路载波相位差分序列法对各平台接收的载波相位信号进行多频周跳变探测和修复处理：由差分序列跳变列判别式探测单平台载波相位信号，在探测到单平台载波相位信号有周跳变时移除该周跳变信号，否则，再由差分序列跳变列判别式进行一次探测并在再次探测到周跳变信号时移除再次探测到的周跳变信号，两次探测周跳变信号的差分序列跳变判别式中的参数取值不同；A2、对剔除了周跳变信号的单平台载波相位信号进行单差处理得到单平台载波相位观测信号，再对各平台的载波相位观测信号进行双差处理得到双差下载波相位观测信号。进一步的，所述多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定方法中，步骤B采用如下方法寻求最优整周模糊度：B1、建立基于模糊度整数限制、姿态矩阵正交限制以及基线先验信息限制的GNSS姿态确定模型以估计模糊度浮点解矩阵所述GNSS姿态确定模型为：E(Y)＝MRB+NZ，D(vec(Y))＝QYY，其中，E(·)为期望，D(·)为方差，vec(·)为向量误差修正函数，Y为包含每个基线伪码载波双差观测值的2fs×r维矩阵，Z为fs×r维整周模糊度矩阵，N为包含载波长度信息的2fs×fs维矩阵，M为包含GNSS接收机到导航卫星在协议地球坐标系上的方向余弦信息的2fs×3维方向矩阵，R为姿态矩阵，B为在载体坐标系下的基线矩阵，基线矩阵中的基线信息由单平台上主从天线间的距离确定，Qyy为2fs×2fs维基线观测方差矩阵，f为基线伪码载波双差观测信号的频率、s为跟踪的天线数目，r为天线数目，q为姿态矩阵的维度；B2、初始化原始搜索空间边界值以及整周模糊度矩阵Z；B3、设置搜索空间上限边界值并开始搜索整周模糊度：搜索空间上限边界值由表达式：确定，表示由模糊度浮点解矩阵得到的姿态浮点解矩阵，是由当前整周模糊度矩阵得到的姿态矩阵，本文档来自技高网...

【技术保护点】
多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定装置，其特征在于，包括：两个多GNSS天线构型单元、数据预处理单元、两个姿态输出模块、相对位置解算模块，所述多GNSS天线构型单元包括分布在导航平台三维空间中为姿态确定提供各平台基线先验信息限制条件的主天线和从天线，主天线用于与同平台的从天线进行定姿解算以及同其它平台主天线解算平台之间的相对位置，所述数据预处理单元：用于对各多GNSS天线构型单元接收的载波相位数据进行多频周跳变的探测修复以及差分处理得到基线伪码载波双差观测信号，所述每个姿态输出模块：用于根据数据预处理单元输出的基线伪码载波双差观测信号收敛搜索空间以解算单平台姿态增强的模糊度，再由单平台姿态增强的模糊度确定该单平台姿态，所述相对位置解算模块：用于根据数据预处理单元输出的基线伪码载波双差观测信号解算双差下模糊度，由各姿态输出模块输出的单平台姿态增强的模糊度以及双差下模糊度确定最优模糊度，由最优模糊度解算平台的相对位置。

【技术特征摘要】
1.多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定装置，其特征在于，包括：两
个多GNSS天线构型单元、数据预处理单元、两个姿态输出模块、相对位置解算
模块，
所述多GNSS天线构型单元包括分布在导航平台三维空间中为姿态确定提供
各平台基线先验信息限制条件的主天线和从天线，主天线用于与同平台的从天线
进行定姿解算以及同其它平台主天线解算平台之间的相对位置，
所述数据预处理单元：用于对各多GNSS天线构型单元接收的载波相位数据
进行多频周跳变的探测修复以及差分处理得到基线伪码载波双差观测信号，
所述每个姿态输出模块：用于根据数据预处理单元输出的基线伪码载波双差
观测信号收敛搜索空间以解算单平台姿态增强的模糊度，再由单平台姿态增强的
模糊度确定该单平台姿态，
所述相对位置解算模块：用于根据数据预处理单元输出的基线伪码载波双差
观测信号解算双差下模糊度，由各姿态输出模块输出的单平台姿态增强的模糊度
以及双差下模糊度确定最优模糊度，由最优模糊度解算平台的相对位置。
2.多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定方法，其特征在于，利用权利
要求1所述装置实现，具体包括如下步骤：
A、对各多GNSS天线构型单元接收的载波相位数据进行多频周跳变探测和
修复以及差分处理得到基线伪码载波双差观测信号；
B、采用考虑了模糊度整数限制、姿态矩阵正交限制以及基线先验信息限制
的收敛搜索空间方法寻求最优整周模糊度并解算单平台姿态；
C、采用姿态模糊度增强法确定最优模糊度后解算平台相对位置。
3.根据权利要求2所述的多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定方法，
其特征在于，步骤A采用如下方法对各多GNSS天线构型单元接收的载波相位
数据进行多频周跳变探测和修复以及差分处理得到基线伪码载波双差观测信号：
A1、采用多路载波相位差分序列法对各平台接收的载波相位信号进行多频周
跳变探测和修复处理：由差分序列跳变列判别式探测单平台载波相位信号，在探
测到单平台载波相位信号有周跳变时移除该周跳变信号，否则，再由差分序列跳
变列判别式进行一次探测并在再次探测到周跳变信号时移除再次探测到的周跳
变信号，两次探测周跳变信号的差分序列跳变判别式中的参数取值不同；
A2、对剔除了周跳变信号的单平台载波相位信号进行单差处理得到单平台载
波相位观测信号，再对各平台的载波相位观测信号进行双差处理得到双差下载波
相位观测信号。
4.根据权利要求3所述的多GNSS天线组合平台位姿一体化的确定方法，
其特...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘海颖，陈西北，陈志明，叶伟松，钱颖红，
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