[发明专利]一种利用多天线几何特征的高精度低计算载体测姿方法

权利要求书

1.一种利用多天线几何特征的高精度低计算载体测姿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：收集多天线的卫导观测量，根据接收机类型构建载波相位差分观测量；

所述多天线为M个卫导天线排在一条直线上，构成其中单根基线，其中M2，构成一个线性阵列，阵列几何结构由天线单元位置矢量唯一描述，p₁,p₂,…,p_M，设卫星信号入射方向单位矢量为u，且与阵列基线方向b_1,M＝p_M-p₁法线夹角为θ，即：

式中，^T表示转置，‖·‖表示向量欧式范数；

设以第一阵元为零相位参考，则M-1个一阶差分相位为：

其中，λ为导航卫星信号的中心波长；

载波相位单位为周，且令b_1,i＝‖b_1,i‖,i＝2,…,M以简化表达式；由于存在整周模糊度，只能测量式(2)的小数部分，且包含测量噪声：

L_r＝rem(L,1)+ε      (3)

其中rem(a,b)表示余数函数，ε为测量误差；则整周模糊度的真实值N为：

从式(2)可以看出，从载波相位观测中唯一确定入射角θ时，需要满足该测量函数映射为单射；令b的单位为周，那么上述映射为单射的充分必要条件为：

步骤2：基于序列取整和最小二乘法进行整周模糊度固定及基线向量粗估计；

定义天线几何构型b_1,i,i＝2,…,M、根据卫星星历和当前时间计算得到的K颗共视卫星几何矩阵所有载波相位测量以及虚拟基线构造矩阵和卫星几何分布条件数阈值ξ；

S21：计算基线长度为单位格点长度的虚拟基线观测量Φ＝vec(P_sL)，如果单位虚拟基线数量V大于1，则选择其中两组做减法，结果取整后若为奇数，则对两组测量的平均值补偿1/2周，针对噪声偏大的场景，采取设置阈值监测接近1/2的卫星，在后续处理中予以屏蔽改进措施；

S22：根据Φ向量中元素小数部分的绝对值从小到大排序，并按相同的顺序对G矩阵的行进行重新排列；

S23：取出Φ和G中的前H个元素和行向量，构成子向量Φ_s＝Φ(1:H)和子矩阵G_s＝G(1:H,:)；

S24：计算G_s的条件数cond(G_s)并与ξ比较，如果cond(G_s)＜ξ进入S25，否则如果H＜K，令H＝H+1进入S23，否则失败并返回；

S25：计算

S26：设n＝H+1，重复：Φ_s＝Φ(1:n),G_s＝G(1:n,:),n＝n+1，直到n等于K；

S27：计算输出基线向量粗估计

上述公式中，表示实数，表示伪逆，round(·)表示取整，vec(·)将矩阵的列向量堆叠为一个列向量；

步骤3：基于模糊度搜索表进行整周模糊度固定及基线高精度解算；

S31：根据接收阵列几何布置，计算模糊度搜索表：

首先，将入射角范围(-π/2,π/2)离散化为个格点，计算每个格点入射角为目标角度的常规相位方向图；其次，在方向图中进行峰值检测发现主瓣和旁瓣，找到个最大峰值对应的主瓣/旁瓣角度后，根据式(2)计算每个入射角对应的无模糊相对载波相位观测量，将该无模糊相对载波相位观测量取整后，得到每个角度对应的真实整周模糊度向量；再次，根据预先设定的角度误差范围，同时收集范围内每个格点入射角前后个格点入射角作为主瓣对应的整周模糊度向量，以及所有的N₂个旁瓣落入该误差范围格点作为主瓣对应的整周模糊度向量，作为该格点入射角估计的潜在整周模糊度搜索集；针对某些角度入射，多天线载波相位真实测量中多个天线单元观测绝对值同时接近半周，此时在直接取整基础上考虑测量噪声影响，枚举这些角度和天线处的整周跳变，添加潜在整周模糊度；最后，对每个格点入射角的潜在整周模糊度向量搜索集进行去重复处理，得到所需要的模糊度搜索表；

S32：根据基线粗估计计算每颗卫星的入射角粗估计：首先将其与每颗卫星单位向量进行内积计算然后计算入射角粗估计；

S33：将每颗卫星的入射角粗估计映射到最近的格点入射角，并根据该格点入射角查寻整周模糊度搜索表，得到每颗卫星载波相位观测的潜在整周模糊度；依次将每个潜在整周模糊度向量与载波相位测量小数部分组合，计算每颗卫星入射角的精估计和拟合误差；最后，拟合误差向量范数最小的一组整周模糊度对应的入射角估计作为最优估计，并计算其正弦值，构成正弦向量s；

S34：结合所有卫星的正弦向量s，从选取最少3组观测开始，检测和求解带潜在异常值的最小二乘问题s＝Gr，计算基线向量的精估计

步骤4：根据基线向量结合天线安装参数计算载体在ECEF坐标系下的姿态信息，输出航向和姿态角。