一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法技术

本发明专利技术设计了一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法，首先，提出了一种基于IMU辅助的基线长度约束模型，利用IMU所具有的短时间、高精度的特性，将IMU输出的高精度先验位置信息用于辅助构建基线长度约束模型，从而增强该模型对模糊度解算的约束效果；其次，提出了一种基于Helmert方差分量估计的观测值综合权重确定方法，利用Helmert方差分量估计通过验后方差来综合确定所提出的基于IMU辅助的基线长度约束模型与GNSS各卫星观测值之间的权重，从而能够充分利用已有观测信息，实现对模糊度参数的准确估计。模糊度参数的准确估计。模糊度参数的准确估计。

【技术实现步骤摘要】
一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法


[0001]本专利技术涉及一种船舶姿态确定方法，特别是一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法。

技术介绍

[0002]由于海洋环境复杂多变，给船舶航行过程中的精确导航带来了十分严峻的挑战。对于海洋中航行的船舶来说，高精度导航不仅仅需要获取定位信息，准确获取船舶的姿态信息也是十分必要的。通常，船舶的姿态信息可由惯性传感器、磁传感器等设备获得。在众多传感器中，鉴于全球卫星导航系统（GNSS）与惯性测量单元（IMU）具有天然互补的性质，且IMU可以提供连续、稳定、全面的姿态信息，因此，通常将其二者集成为GNSS/IMU组合导航系统，以提供精确、可靠的载体姿态信息。但是，在传统GNSS/IMU组合导航系统中，姿态的测量精度主要取决于IMU中陀螺仪的精度。因此，在传统组合导航系统中，姿态测量精度的提高通常需要使用较高成本的IMU，但是，这无疑会增加使用设备的成本，从而限制了大规模的推广应用。
[0003]近年来，随着卫星导航技术的不断发展，基于GNSS的载体姿态确定技术被认为是最经济、有效的姿态测量方法之一。GNSS作为导航的基础传感器之一，可以在开阔环境中为用户提供连续、高精度的导航定位信息。姿态确定作为GNSS高精度测量领域的一个重要分支，近年来也受到了国内外学者的广泛关注。基于GNSS的姿态确定技术一般采用双天线或者多天线，以超短基线的方式进行姿态解算，其主要原理是通过GNSS实时动态差分（RTK）技术精确测定由两个或多个GNSS天线所构成的基线向量的坐标，然后利用基线向量在不同坐标系中的转换关系，即可解算出载体的姿态角。基于GNSS的姿态确定技术具有低成本、高精度、无累积误差等优点，但是该方法比较依赖于GNSS载波相位整周模糊度的固定率，只有快速、准确地解算出整周模糊度，才能获得高精度的载体姿态信息。然而，由于GNSS信号在海洋观测环境中极易受到海面的反射，产生严重的多路径干扰（MI）和非视距接收（NLOS），导致最小二乘模糊度降相关平差法（LAMBDA）的模糊度固定率通常较低，从而对船舶姿态解算的精度与可靠性造成负面的影响。
[0004]针对上述问题，许多学者进行了大量的研究。其中，如何利用外部观测信息来提高GNSS整周模糊度的固定率一直是研究的热点。由于安装在车辆上的两根GNSS天线形成的基线长度是恒定的，并且可以提前精确测量，因此可以引入该基线长度约束来辅助GNSS模糊度解算过程。Monikes等提出将基线长度信息用来测试LAMBDA算法搜索出来的候选模糊度，然后从中选择最优的模糊度固定解。但是，已知的基线长度信息在该方法中仅用于模糊度验证，而没有直接到参与参数估计的过程中，因此其性能可能不是最优的。另外，基线长度约束也可以被用来辅助LAMBDA算法搜索整周模糊度的固定解。基于此，Teunissen等人提出了一种约束最小二乘模糊度降相关平差法（C
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LAMBDA）算法用于双天线GNSS姿态确定，并随后将其扩展到多天线定姿的情况。然而，该方法由于在模糊度搜索的目标函数中引入了非线性约束，使得模糊度的搜索空间不再是标准的椭球，从而增加了算法的计算成本。Gong等
人随后提出了一种改进算法，将非椭球体搜索空间替换为一种逐渐扩大的椭球体，使其适合标准LAMBDA算法的搜索过程。然而，该算法计算成本高，仍需进一步研究。另一种思路是将基线长度约束模型线性化，并将其加入到GNSS整周模糊度的估计模型中，从而提高整周模糊度浮点解的精度，然后再使用标准的LAMBDA算法获得模糊度的固定解。然而，由于该方法在线性化过程中的近似基线向量坐标通常是由GNSS伪距观测值计算得到的，而伪距观测值自身的精度较差，因此，该方法可能会在模糊度估计过程中引入更多的误差，从而影响整周模糊度的固定率。
[0005]此外，在基于GNSS的姿态确定技术中，不同观测信息之间的精度各有不同，因此，需要引入合理的随机模型来确定各观测值在最小二乘参数估计过程中的权重。当前，基线长度约束模型多采用经验随机模型参与整周模糊度的解算过程，这会对参数估计的精度造成一定的负面影响，从而限制了模型约束效果的充分发挥。
[0006]综上所述，现有技术的缺陷如下：基线长度约束作为双天线GNSS姿态确定技术中的重要外部观测信息，其模型的约束效果会影响GNSS整周模糊度的固定率。现有的基线长度约束模型通常采用GNSS伪距观测值进行构建，而伪距观测值自身的精度不足，因此，该模型的约束效果通常有限。特别的是，当伪距观测值自身包含较大的误差时，该模型甚至会反过来降低模糊度参数估计的精度，进而影响姿态解算的精度与可靠性。此外，现有的基线长度约束模型多采用经验随机模型进行参数估计，还存在着误差来源复杂，难以准确确定其随机模型的问题，因而无法充分发挥该模型的约束效果。

技术实现思路

[0007]专利技术目的：本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法。
[0008]为了解决上述技术问题，本专利技术公开了一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法，包括：步骤1，构建双天线GNSS姿态确定模型，具体包括：步骤1
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1，构建GNSS单差伪距和载波相位观测模型，具体如下：；式中，为单差算子，A和B分别表示从天线和主天线；和分别为单差伪距和载波相位观测值；为卫星到接收机之间的几何距离的单差值；为光速；为接收机钟差的单差值；为载波的波长；为单差模糊度；和分别表示电离层误差和对流误差的单差值；和分别表示伪距和载波相位量测噪声的单差值；将同一颗卫星与两天线之间的视距向量视为平行，得出：
；式中，为基线向量在地心地固坐标系即e系的坐标；为从天线到卫星的单位视线向量；将上式带入到GNSS单差伪距和载波相位观测模型中，得到：；步骤1
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2，构建GNSS双差伪距和载波相位观测模型，具体如下：假设以最大高度角对应的卫星作为基准卫星，将其余卫星的观测值与基准卫星的观测值进行差分，得到GNSS双差伪距和载波相位观测模型如下：；式中，表示双差算子；表示除了基准卫星以外的其他卫星的编号；为单位矩阵；步骤1
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3，根据GNSS双差伪距和载波相位观测模型，解算基线向量坐标，具体如下：对GNSS双差伪距和载波相位观测模型进行最小二乘解算，即得到基线向量的坐标初值与浮点模糊度解结果，再利用LAMBDA算法即可搜索得到模糊度的固定解，从而计算得到最终的基线向量坐标；步骤1
‑
4，转换基线向量的坐标，确定船舶的初步姿态，具体如下：步骤1
‑4‑
1，转换基线向量的坐标，具体包括：将步骤1
‑
3中计算得到的最终基线向量坐标从e系转换到东
‑
北
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天坐标系即n系中，具体如下：；式中，为基线向量在n系中的坐标；为从e系到n系的旋转矩阵，表示如下：；式中，和分别为船舶所在位置的纬度和经度；步骤1
‑4‑
2，确定船舶初步姿态，具本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法，其特征在于，包括：步骤1，构建双天线GNSS姿态确定模型；步骤2，构建基于IMU辅助的基线长度约束模糊度解算模型；步骤3，基于Helmert方差分量估计的观测值综合权重确定；步骤4，构建双天线GNSS和IMU松耦合方案，得到船舶姿态信息的最优估计，即完成惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定。2.根据权利要求1所述的一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法，其特征在于，步骤1中所述的构建双天线GNSS姿态确定模型，具体包括：步骤1
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1，构建GNSS单差伪距和载波相位观测模型，具体如下：；式中，为单差算子，A和B分别表示从天线和主天线；和分别为单差伪距和载波相位观测值；为卫星到接收机之间的几何距离的单差值；为光速；为接收机钟差的单差值；为载波的波长；为单差模糊度；和分别表示电离层误差和对流误差的单差值；和分别表示伪距和载波相位量测噪声的单差值；将同一颗卫星与两天线之间的视距向量视为平行，得出：；式中，为基线向量在地心地固坐标系即e系的坐标；为从天线到卫星的单位视线向量；将上式带入到GNSS单差伪距和载波相位观测模型中，得到：；步骤1
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2，构建GNSS双差伪距和载波相位观测模型，具体如下：假设以最大高度角对应的卫星作为基准卫星，将其余卫星的观测值与基准卫星的观测值进行差分，得到GNSS双差伪距和载波相位观测模型如下：；式中，表示双差算子；表示除了基准卫星以外的其他卫星的编号；为单位矩阵；步骤1
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3，根据GNSS双差伪距和载波相位观测模型，解算基线向量坐标，具体如下：
对GNSS双差伪距和载波相位观测模型进行最小二乘解算，即得到基线向量的坐标初值与浮点模糊度解结果，再利用LAMBDA算法即可搜索得到模糊度的固定解，从而计算得到最终的基线向量坐标；步骤1
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4，转换基线向量的坐标，确定船舶的初步姿态，具体如下：步骤1
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1，转换基线向量的坐标，具体包括：将步骤1
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3中计算得到的最终基线向量坐标从e系转换到东
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北
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天坐标系即n系中，具体如下：；式中，为基线向量在n系中的坐标；为从e系到n系的旋转矩阵，表示如下：；式中，和分别为船舶所在位置的纬度和经度；步骤1
‑4‑
2，确定船舶初步姿态，具体包括：假设步骤1
‑4‑
1中计算得到的基线向量坐标为，则船舶初步姿态即基于GNSS的船舶俯仰角和航向角如下：；式中，为船舶的俯仰角，为船舶的航向角。3.根据权利要求2所述的一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法，其特征在于，步骤2中所述的构建基于IMU辅助的基线长度约束模糊度解算模型，具体包括：步骤2
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1，构建基线长度约束模型；步骤2
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2，构建附加基线长度约束的模糊度解算模型；步骤2
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3，计算基于IMU辅助的基线向量的近似解；步骤2
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4，将基于IMU辅助计算的基线向量的近似解回代到步骤2
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2中的附加基线长度约束的模糊度解算模型中，即得到基于IMU辅助基线长度约束的模糊度解算模型。4.根据权利要求3所述的一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法，其特征在于，步骤2
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1中所述的构建基线长度约束模型，具体表示如下：；
式中，为向量的范数；为事先测量得到的基线向量长度；最终的基线向量坐标为时，则上式表示为：。5.根据权利要求4所述的一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法，其特征在于，步骤2
‑
2中所述的构建附加基线长度约束的模糊度解算模型，具体包括：在基线长度约束模型的近似解处进行线性化处理，假设基线向量的近似解坐标为，对上式进行泰勒展开并取一次项，得到：；令，为待估的基线向量坐标的系数矩阵，同时考虑先验距离信息的测量误差和线性化过程中忽略的高阶项的误差，则上式变换为：；将上式加入到步骤1
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2中构建的GNSS双差伪距和载波相位观测模型中，即得到附加基线长度约束的模糊度解算模型如下：。6.根据权利要求5所述的一种惯性辅助的双天线GNSS海上船舶姿态确定方法，其特征在于，步骤2
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3中所述的计算基于I...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋磊，刘真汉，范年奔，朱其文，
申请(专利权)人：浙江中裕通信技术有限公司，
类型：发明
国别省市：