[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

说明书

本发明公开了一种利用多天线几何特征的高精度低计算载体测姿方法，具体为：首先，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；其次，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；再次，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；最后，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。本发明借助更多天线构型的几何特征，兼顾精度和计算复杂度，同时实现高精度和低计算复杂度的姿态测量。

技术领域

本发明属于定位系统技术领域，尤其涉及一种利用多天线几何特征的高精度低计算载体测姿方法。

背景技术

全球定位系统(Global Positioning System,GPS)是美国国防部首次提出研究和创建的基于卫星的授时与测距导航系统，是一个面向全球的全天候、全天时无线电定位和定时系统。北斗导航卫星系统(简称北斗)是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施，和GPS一样全球覆盖，而北斗混合星座体制中相对静止同步轨道卫星能够为亚太地区提供优于GPS的覆盖和服务精度，这为车辆、铁路等运输平台的定位与导航提供了新的解决方案。自主可控的北斗导航，为各类平台的运行带来低成本、高精度、低功耗和高效率。随着北斗三号正式提供全球服务，单北斗天线单点定位到双北斗天线差分实时动态相对定位(Real Time Kinematic,RTK)、北斗与惯性导航单元(Inertial Navigation System,INS)的组合导航、以及多传感器融合等基于北斗的高铁导航是当前研究的热点。

诸如GPS和北斗的全球卫星导航系统中，在统一的地心地固(ECEF)坐标系下，统一的原子钟时间基准下，对目标点进行定位和测速过程中，采用几何交会定位原理。其中，最重要的距离观测量是伪距和载波相位。全球卫星导航系统中接收机测量得到的主要距离测量伪距和载波相位，可建模如下：

其中P是伪距，包含了卫星到接收天线之间的几何距离r，光速c与接收机钟差δt_u及卫星钟差δt^(s)相乘得到的距离测量误差，I和T分别为大气电离层和对流层延迟，f_P表示对每颗卫星具有相同影响天线到接收机的路径延迟，ε_P为伪距测量误差，L是载波相位测量，λ为导航卫星信号的中心波长，为整数，表示载波相位测量中的整周模糊度，f_L是以周为单位的路径延迟(与f_P的含义相同)，ε_L为载波相位测量误差。伪距对应不同传播距离引起的伪码相位差异，而载波相位为不同传播距离引起的载波相位差异。根据导航电文的设计，在测量伪码相位时可以得到与距离一一对应(给定接收机钟差时)的伪距，而载波相位由于其周期性，只能精确测量周期内的相位差异，而对应到距离时存在整周模糊度。根据伪码周期和载波周期的差异，后者虽然具有整周模糊度，但好处在于测量精度比前者要高出约两个数量级，即ε_L的幅度比ε_P要小约两个数量级。

在实际应用中，大气传播以及接收机时钟差异等都会在距离测量中引入误差(比如δt_u,δt^(s),I,T,f等误差因素)，在相互靠近的多个接收天线之间存在空域和时域相关性，借助差分算法，可以消除共模误差，从而高精度地解算任意两个天线之间的三维基线(Baseline)向量：

其中G是由每颗卫星方向矢量构成的几何观测矩阵，b为ECEF坐标系下的基线向量，ΔN是差分整周模糊度。在传统差分信息处理中，由误差较大但无模糊度伪距测量辅助精度高但存在模糊度载波相位测量的整周模糊度固定，最终求解高精度三维基线向量b，这是双天线差分基本原理。