CN102508280B - 陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，在载波相位双差测量确定整周模糊度的过程中，利用陀螺提供的粗略航向辅助，能够减少整周模糊度搜索的范围，一个历元即可解算出模糊度，并解算出运动载体的实时航向。首先由双天线测量单元搜索解算得到初始精确航向，初始精确航向解算成功后输入给陀螺；陀螺接收双天线测量单元求解出的初始精确航向值，通过测得的角速率求积分得到若干时刻后的航向估计值；双天线测量单元在需要进行航向解算的历元，从陀螺获取所述航向估计值，利用所述航向估计值辅助进行整周模糊度解算及航向解算。

Description

陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法

技术领域

本发明涉及卫星定位定向技术领域，特别是涉及一种陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法。

背景技术

载体的姿态信息是导航系统的重要参数，惯性导航系统具有完全自主式、保密性强、不存在信号的电磁干扰、全天候、机动灵活、数据率高的特性，并可以输出载体的姿态信息，陀螺就是作为惯性导航系统输出载体姿态信息的核心部件，用来测量载体的角速率，在某时刻已知角度初值的情况下，可以通过陀螺测得的角速率的积分来推得若干时刻后的角度值，如以下公式表示：

a)单轴陀螺角度计算公式：

${\mathrm{\θ}}_{t+\mathrm{\Δt}}={\mathrm{\θ}}_t+{\∫}_t^{t+\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\ω}}_z\mathrm{dt}$

其中ω_z为单轴陀螺的Z轴轴向测量值，Z轴为单轴陀螺安装方向，θ_t为t时刻的航向估计值，θ_t+Δt为t+Δt时刻的航向估计值。

b)三轴陀螺角度计算公式：

${\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{xb}}& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{yb}}& {\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zb}}\end{array}\right]}^T=C_{\mathrm{Fix}}^B{\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{\ω}}_x& {\mathrm{\ω}}_y& {\mathrm{\ω}}_z\end{array}\right]}^T$

${\mathrm{\θ}}_{t+\mathrm{\Δt}}={\mathrm{\θ}}_t+{\∫}_t^{t+\mathrm{\Δt}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{zb}}\mathrm{dt}$

其中[ω_x ω_y ω_z]^T为三轴陀螺的X轴、Y轴、Z轴的三个轴向测量值，X轴、Y轴、Z轴为三轴陀螺的安装方向，[ω_xb  ω_yb ω_zb]^T为三轴陀螺的轴向测量值在载体坐标系中的表示，C^B _Fix为安装矩阵，θ_t为t时刻的航向估计值，θ_t+Δt为t+Δt时刻的航向估计值。

由公式a)可知，对于车载导航系统，在某时刻航向已知的情况下，利用单轴MEMS陀螺（陀螺Z轴垂直于载体的可运动方向）可以推知接下来若干时刻的航向；由公式b)可知，对于车载导航系统，在某时刻航向已知的情况下，利用安装在载体上的三轴MEMS陀螺及其安装矩阵，可以推知接下来若干时刻的航向。在没有角度修正的情况下，MEMS陀螺角度测量值存在累积误差。也就是说，随着时刻的推移，测量的角度的准确性会下降；在有其它非连续的测角单元的实时辅助的情况下，MEMS陀螺通过短时间积分递推可以给出连续的、低精度的角度测量值。

如图1所示，对于车载导航系统来说，要实时的确定载体的航向信息，根据卫星导航系统双天线定向技术，在载体的前方和后方平行于载体安装两个接收卫星信号的测量型天线，从后天线A（基准站）指向前天线B（移动站）的矢量为基线矢量AB，使基线矢量与载体前向轴平行，通过解算基线矢量AB的航向角即可确定载体的姿态。

卫星信号接收天线得到的观测数据主要有伪距观测值和载波相位观测值，而载波相位观测值相比于伪距观测值是更精密的观测量，载波相位观测值是指测量卫星到接收天线的传播过程中共有多少个载波周期，但由于载波波长很短，整个路径中的相位变化是周期性重复的，当接收天线锁定某颗卫星时得到的相位值是小于一个周期的小数部分，也就是说相位变化的整数部分是无法确定的，这个无法确定的整数部分就是所说的整周模糊度，正确确定整周模糊度是载波相位测量中重要且必须解决的问题。

现有技术中，确定整周模糊度有多种方法，并且卫星、接收天线及接收机时钟也是影响整周模糊度的因素，其中可利用双差法消除卫星、接收天线及接收机时钟的影响，并且求解整周模糊度，也就是用A、B两天线观测两颗不同的卫星，用两个不同接收天线接收到的同一颗卫星的两个观测值相减，消去卫星影响，同样用来自同一接收天线接收到的两个不同卫星的观测值相减，消去接收天线及接收机时钟影响，如果同时应用这两种差分方法，就是载波相位双差测量技术，可以同时消除卫星和接收机的影响并求解整周模糊度。

下式为根据现有技术得到的载波相位双差观测模型：

其中，R_RR为参考星到双天线中的前天线B（移动站）的距离，R_Ri(i=0,1，...,n)为从星到双天线中的前天线B（移动站）的距离，[Δx Δy Δz]^T为待求的双天线中的前天线B（移动站）相对于后天线A（基准站）的基线矢量的线性化增量，ΔN_Ri(i=0,1，...,n)为待求的双差整周模糊度，λ为载波的波长，载波相位双差观测量，[x₀ y₀ z₀]^T为双天线中的前天线B（移动站）的线性化点即后天线A（基准站）坐标。

由载波相位双差观测模型可知，整周模糊度（即ΔN_Ri）的搜索范围会随着基线长的增长而变大。如果已知载体的粗略航向（假定俯仰角为零），即可将基线矢量从模型的左边部分剥离出来，这样就可以减小模糊度的搜索范围，减少模糊度搜索的耗时。本发明利用陀螺提供的粗略航向辅助可以减少模糊度搜索的范围，减少计算模糊度所耗费的时间，并且一个历元即可解算出模糊度，实现模糊度即算即用。

发明内容

本发明提供一种陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，在载波相位双差测量确定整周模糊度的过程中，利用陀螺提供的粗略航向辅助，减少整周模糊度搜索的范围，减少计算整周模糊度所耗费的时间，一个历元即可解算出模糊度，实现模糊度即算即用，并解算出运动载体的实时航向；本发明还利用双天线测量单元解算出来的实时航向，做为陀螺进行航向推算的初值，对陀螺的累积误差进行修正。

本发明的技术方案是：

一种陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，其特征在于，通过双天线测量单元搜索解算其载体的初始精确航向，初始精确航向解算成功后将初始精确航向值输入给陀螺；陀螺接收双天线测量单元求解出的初始精确航向值，通过测得的角速率求积分得到若干时刻后的航向估计值；双天线测量单元在需要进行航向解算的历元，从陀螺获取所述航向估计值，利用所述航向估计值辅助进行整周模糊度解算及航向解算；所述双天线测量单元是指利用双路信道分别接收两个卫星天线的信号，利用双路信道测量的伪距观测量、多普勒观测量、载波相位观测量及卫星导航电文，实时解算得到载体的航向角和俯仰角的信号数据处理单元。

所述双天线测量单元将解算出来的实时航向输入给陀螺，所述陀螺将双天线测量单元解算出来的实时航向作为初值进行航向推算。

所述双天线测量单元进行初始精确航向的搜索解算，包括：若上电载体静止，由双天线测量单元进行初始航向搜索，得到初始精确航向；若上电载体运动，利用卫星导航系统的速度测量值辅助进行初始精确航向解算；若载体上电静止而在初始航向搜索出来前即开始运动，当载体运动起来后，则停止双天线测量单元的初始航向搜索，利用卫星导航系统的速度测量值辅助进行初始精确航向解算。

所述双天线测量单元利用所述航向估计值辅助进行整周模糊度解算及航向解算，包括：每一次进行航向解算时，首先读取陀螺递推的航向估计值；再读取接收到的卫星导航系统的伪距观测量、多普勒观测量、载波相位观测量及卫星导航电文；然后从双路信道都能获取到的公共卫星中选取参考星及从星，进行载波相位双差观测方程的构造；再利用读取到的陀螺航向估计值进行整周模糊度补偿量的计算，求解出整周模糊度及载体航向。

所述陀螺包括一个轴向垂直于载体可运动方向安装的单轴陀螺。

所述陀螺包括安装在载体上的三个轴向相互正交的三轴陀螺。

所述双天线测量单元所利用的卫星导航系统为美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统或欧洲的伽利略系统。

所述陀螺包括转子陀螺、MEMS陀螺、光纤陀螺或激光陀螺。

本发明的技术效果：

本发明提供的陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，在载波相位双差测量确定整周模糊度的过程中，利用陀螺提供的粗略航向辅助，能够减少整周模糊度搜索的范围，减少计算整周模糊度所耗费的时间，一个历元即可解算出模糊度，实现模糊度即算即用，并解算出运动载体的实时航向；本发明还利用双天线测量单元解算出来的实时航向，做为陀螺进行航向推算的初值，对陀螺的累积误差进行修正；载体首次获取航向之后，在经历短暂卫星信号失锁后，可以快速重新定向，使整个系统测向的时间覆盖率大大提高。

附图说明

图1为车载导航系统的双天线定向原理示意图。

图2为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做进一步的详细说明。

本发明中所涉及坐标系：

（1）载体坐标系（B）：原点定义在载体的中心，其x轴定义为载体的右向，其y轴定义为载体的前向，其z轴定义为载体的上方向；

（2）陀螺安装坐标系（Fix）：原点定义在载体的中心，其x，y，z轴分别定义为陀螺的三个轴向；

（3）地理坐标系(N)：原点定义在载体的中心，其x轴定义为东向，其y轴定义为北向，其z轴定义为天向；

为了顺利的利用陀螺得到载体的实时粗略航向，这里假定载体俯仰角为0度，也就是说这里粗略的认为载体坐标系的z轴与地理坐标系的z轴平行。

本发明中所涉及的卫星导航系统为美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统或欧洲的伽利略系统，以及以后可能出现的新的卫星导航系统。

本发明中所涉及的陀螺包括转子陀螺、MEMS陀螺、光纤陀螺或激光陀螺，以及以后可能出现的其他种类的陀螺。

本发明中所涉及的双天线测量单元是指利用双路信道分别接收两个卫星天线的信号，利用双路信道测量的伪距观测量、多普勒观测量、载波相位观测量及卫星导航电文，实时解算得到载体的航向角和俯仰角的信号数据处理单元。

一种陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，首先由双天线测量单元搜索解算得到载体初始精确航向，初始精确航向解算成功后输入给陀螺；陀螺接收双天线测量单元求解出的初始精确航向值，通过测得的角速率求积分得到若干时刻后的航向估计值；双天线测量单元在需要进行航向解算的历元，从陀螺获取所述航向估计值，利用所述航向估计值辅助进行整周模糊度解算及航向解算。

如图2所示，双天线测量单元首先进行初始精确航向的搜索解算，若上电载体静止时，由双天线测量单元进行初始航向搜索，得到初始精确航向；若上电载体运动时，利用卫星导航系统的速度测量值辅助，由双天线测量单元解算出初始精确航向，其中若载体上电静止而在初始航向搜索出来前即开始运动，当载体运动起来后，则停止双天线测量单元的初始航向搜索，利用卫星导航系统的速度测量值辅助进行初始精确航向解算；双天线测量单元将初始精确航向解算成功后的初始航向值输入给陀螺，陀螺利用此初始航向值作为初值，通过测得的载体角速率进行积分推得若干时刻后的航向估计值；双天线测量单元在需要进行航向解算的历元，从陀螺获取所述航向估计值，利用此航向估计值辅助进行整周模糊度解算及航向解算。双天线测量单元在每一次进行航向解算时，首先读取陀螺递推的航向估计值；再读取接收到的卫星导航系统的伪距观测量、多普勒观测量、载波相位观测量及卫星导航电文；然后从双路信道都能获取到的公共卫星中选取合适的参考星及从星，进行载波相位双差观测方程的构造；根据构造的载波相位双差观测方程，利用读取到的陀螺航向估计值进行整周模糊度补偿量的计算，求解出整周模糊度的搜索空间及载体航向。双天线测量单元解算出来的实时航向，又输入给陀螺，做为陀螺进行以后时刻航向推算的初值，可以对陀螺的累积误差进行修正。如此反复，陀螺与双天线测量单元相互辅助，减少了模糊度搜索的范围，缩短了计算整周模糊度所耗费的时间，一个历元即可解算出模糊度，实现模糊度即算即用，并解算出运动载体的实时航向；同时还利用双天线测量单元解算出来的实时航向，对陀螺的累积误差进行修正。

根据实际情况的需要，所述陀螺可以是一个轴向垂直于载体可运动方向安装的单轴陀螺，求解整周模糊度和实时航向的方法：

1）单轴陀螺接收双天线测量单元求解出的初始精确航向，利用单轴陀螺可以推知接下来若干时刻的航向，将此航向估计值输入给双天线测量单元，来辅助其进行模糊度搜索；

2）双天线测量单元接收单轴陀螺推算出的航向，利用此航向估计值来辅助双天线测量单元的模糊度解算，单历元即可将模糊度与航向解算出来；

3）双天线测量单元将解算出来的航向又输入给单轴陀螺，陀螺以此航向为初值再进行航向推算。

所述陀螺还可以是一组安装在载体上的三个轴向相互正交的三轴陀螺，求解整周模糊度和实时航向的方法：

1）三轴陀螺接收双天线测量单元求解出的初始精确航向，此时需要利用坐标变换，将此航向从地理坐标系转化到陀螺的安装坐标系，再利用三轴陀螺推知接下来若干时刻的航向，再次利用坐标变换将推知的航向值从陀螺的安装坐标系转化到地理坐标系，将转化后的航向值输入给双天线测量单元，来辅助其进行模糊度搜索；

2）双天线测量单元接收三轴陀螺推算出的航向，利用此航向估计值来辅助双天线测量单元的模糊度解算，单历元即可将模糊度与航向解算出来；

3）双天线测量单元将解算出来的航向又输入给三轴陀螺，陀螺以此航向为初值再进行航向推算。

Claims (8)

1.一种陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，其特征在于，通过双天线测量单元搜索解算其载体的初始精确航向，初始精确航向解算成功后将初始精确航向值输入给陀螺；陀螺接收双天线测量单元求解出的初始精确航向值，通过测得的角速率求积分得到若干时刻后的航向估计值；双天线测量单元在需要进行航向解算的历元，从陀螺获取所述航向估计值，利用所述航向估计值辅助进行整周模糊度解算及航向解算；所述双天线测量单元是指利用双路信道分别接收两个卫星天线的信号，利用双路信道测量的伪距观测量、多普勒观测量、载波相位观测量及卫星导航电文，实时解算得到载体的航向角和俯仰角的信号数据处理单元。

2.根据权利要求1所述的陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，其特征在于，所述双天线测量单元将解算出来的实时航向输入给陀螺，所述陀螺将双天线测量单元解算出来的实时航向作为初值进行航向推算。

3.根据权利要求2所述的陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，其特征在于，所述双天线测量单元进行初始精确航向的搜索解算，包括：若上电载体静止，由双天线测量单元进行初始航向搜索，得到初始精确航向；若上电载体运动，利用卫星导航系统的速度测量值辅助进行初始精确航向解算；若载体上电静止而在初始航向搜索出来前即开始运动，当载体运动起来后，则停止双天线测量单元的初始航向搜索，利用卫星导航系统的速度测量值辅助进行初始精确航向解算。

4.根据权利要求3所述的陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，其特征在于，所述双天线测量单元利用所述航向估计值辅助进行整周模糊度解算及航向解算，包括：每一次进行航向解算时，首先读取陀螺递推的航向估计值；再读取接收到的卫星导航系统的伪距观测量、多普勒观测量、载波相位观测量及卫星导航电文；然后从双路信道都能获取到的公共卫星中选取参考星及从星，进行载波相位双差观测方程的构造；再利用读取到的陀螺航向估计值进行整周模糊度补偿量的计算，求解出整周模糊度及载体航向。

5.根据权利要求4所述的陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，其特征在于，所述陀螺包括一个轴向垂直于载体可运动方向安装的单轴陀螺。

6.根据权利要求4所述的陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，其特征在于，所述陀螺包括安装在载体上的三个轴向相互正交的三轴陀螺。

7.根据权利要求5或6所述的陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，其特征在于，所述双天线测量单元所利用的卫星导航系统为美国的GPS系统、俄罗斯的GLONASS系统、中国的北斗系统或欧洲的伽利略系统。

8.根据权利要求5或6所述的陀螺辅助双天线测量单元确定整周模糊度和航向的方法，其特征在于，所述陀螺包括转子陀螺、MEMS陀螺、光纤陀螺或激光陀螺。

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