CN110161546A - 一种利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向装置，涉及卫星定向技术领域，包括两个GNSS天线、GNSS接收机、MEMS陀螺仪、测量臂和三脚架，所述GNSS天线分别放置在所述测量臂的两端，所述GNSS接收机放置在所述测量臂的旋转中心一侧，所述MEMS陀螺仪放置在所述测量臂的旋转中心另一侧，所述测量臂的旋转中心放置在所述三脚架的平台中心上。本发明还提供了一种利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向方法，可有效降低随机干扰对定向算法性能的影响，发明将低成本MEMS陀螺仪与GNSS接收机相结合，加速载波相位模糊度解算，实现了单历元实时定向并极大的提高了定向成功率。

Description

一种利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向装置及方法
技术领域
本发明涉及卫星定向技术领域，尤其涉及一种利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向装置及方法。
背景技术
随着GNSS全球导航卫星系统的发展，天空的中的导航卫星数目不断增加，尤其在2018年12月27日北斗三号基本系统完成建设，开始提供全球服务，各类应用场景对定位精度的需求越来越高。
接收机在给出载体具体的位置及速度信息的基础上，还可以得到接收机到卫星之间的伪距、载波相位等原始信息，而利用卫星接收机进行姿态测量是通过在运动载体上布置相应卫星天线，利用接收到的卫星信号进行相应步骤来检测载体自身的方位角、俯仰角和横滚角，得到载体在行驶中的姿态信息，其中利用载波相位来测量载体的姿态已经广泛用于船舶、飞行器上，在航运、航空航天、测绘、农业等各个领域被广泛应用。
在导航领域，惯性导航系统(INS)作为一种自主式的导航系统，被最多的在传统姿态测量系统应用，它具有其不受外界干扰、隐蔽性强等优点。但惯性导航系统在使用准备时间长，存在时间误差积累误差和温度漂移误差，而且系统体积和重量大、价格极其昂贵、设备安装要求高、机构复杂，维护困难。卫星定向技术利用卫星来提供载体的位置、速度、时间信息外，也可以进行载体姿态的测量，提供载体姿态信息。此外采用被动工作方式，精度高，能够实时测量，其接收机体积小、重量轻、成本低、无随时间累积误差和温度漂移。当然，定向也具有一定局限。接收机天线必须在空旷的环境下，保持视线内一定数量的卫星信号，因此不宜在高楼林立的大型城市、地况复杂的高山、丛林等场合使用；受卫星的影响，卫星可见性和健康状况等直接影响定向的成功与否；另外常规的载波相位整周模糊度求解方法需要较长的初始化时间，姿态测量过程中，接收机需保持对多颗卫星信号的持续锁定跟踪，如果长时间失锁后需要重新解算整周模糊度。为了避免出现周跳，有模糊度函数法为代表的单历元模糊度解算算法。
目前的模糊度函数法算法存在以下缺陷：
(1)模糊度函数法由于只利用了双差载波相位测量值的小数部分，损失了大量模糊度历史值信息，所以在搜索坐标域中有多个峰值格点的模糊度函数值相近，难以区分。
(2)在约束条件少的情况下，模糊度函数法的搜索空间过于巨大，无法实时计算。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向装置及方法，该技术采用载波相位测量的方式，基于载波相位模糊度解算的高精度相对定位原理，利用迭代加权模糊度函数法实现测定两个天线之间的基线矢量，从而通过坐标转换将基线矢量转换到ENU站心坐标系下，实现测定欧拉角的功能。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种定向精度高，价格低，结构简单使用方便的卫星定向装置及其卫星定向方法。
为实现上述目的，本发明提供了一种利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向装置，包括两个GNSS天线、GNSS接收机、MEMS陀螺仪、测量臂和三脚架，所述GNSS天线分别放置在所述测量臂的两端，所述GNSS接收机放置在所述测量臂的旋转中心一侧，所述MEMS陀螺仪放置在所述测量臂的旋转中心另一侧，所述测量臂的旋转中心放置在所述三脚架的平台中心上。
进一步地，所述MEMS陀螺仪与所述测量臂刚性连接；所述MEMS陀螺仪在安装时，x轴与所述测量臂的夹角为90度，z轴与所述测量臂的平面垂直；所述陀螺仪数据通过数据线以I2C协议传输到所述GNSS接收机内部的微处理器。
本发明还提供了一种利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1、两个GNSS天线信号基带处理和原始测量值生成；
步骤2、选取基准天线，进行基准天线卫星定位解算；
步骤3、利用迭代加权模糊度函数法实现相对定位。
进一步地，所述步骤1具体为两个所述GNSS天线的信号分别经过射频前端处理，A/D转换将模拟信号采样为数字信号，利用基带对数字信号进行捕获、跟踪和解调，并重建载波，获取多颗卫星的实时载波相位，同时解析导航电文，获取卫星星历，开普勒轨道六参数，多普勒频率等信息。
进一步地，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、在两个所述GNSS天线中决定一个为基准天线，另一个则为移动天线，从所述基准天线向所述移动天线指向的矢量，定为基线矢量；
步骤2.2、采用最小二乘法或卡尔曼滤波方法进行定位解算得到所述基准天线的定位结果。
进一步地，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、对所述GNSS接收机跟踪的N颗同一GNSS系统的卫星，利用以下算法确定为主星，即产生双差载波测量值的基准卫星
其中，SN代表卫星的载噪比，el代表卫星相对于接收机天线相位中心的高度；
步骤3.2、根据所述基准天线和移动天线接收到的同一颗星两个非差载波测量值相差计算对应的单差载波相位测量值，将所有除主星以外的单差载波相位测量值都与主星的单差载波相位测量值做差，获得对应的双差载波相位测量值，将所有的双差载波相位测量值组成一个向量向量的长度为N-1；
步骤3.3、根据已知基线长度，和所述MEMS陀螺仪得出的基线矢量的俯仰角约束以及俯仰角测量标准差确定一个以所述基准天线在ENU站心坐标系下的圆环搜索坐标域，并将每颗卫星的权重初始化为相等的权重Wij；
步骤3.4、以固定的步长遍历搜索所述圆环坐标域中的每一个点，利用该点坐标与每一颗卫星的坐标计算对应的无模糊度非差载波相位估计值，并利用已确定的主星，计算双差载波相位估计值，所有的双差载波相位估计值向量为
步骤3.5、将和中所有元素的整数部分剔除，利用以下公式计算该坐标点的模糊度函数值：
步骤3.6、将搜索所述圆环坐标域每个坐标点的模糊度函数值组成一个曲面，当曲面中最高峰与次高峰比例大于T时，确定最高峰对应的坐标为所述移动天线所在的位置，并根据最佳匹配坐标点处的双差载波测量值的残差res计算每颗卫星的置信度，并利用置信度计算每颗卫星的权重：
随着每个历元的迭代，信号质量好的卫星的权重不断地被提高，信号质量不好的卫星的权重逐渐被降低，从而实现自适应算法，降低干扰。
进一步地，所述步骤3中所述GNSS系统包括GPS、BDS、GLONASS和GALILEO。
进一步地，所述步骤3中为了避免权重无法适应匹配残差的变化，卫星的权重的调节需要添加抗积分饱和，根据选择的权重函数的数值特点，设定一个积分上限值，当某一颗卫星的权重值触碰到上限值时，所有卫星的权重值减半。
进一步地，所述步骤3中为了避免权重无法适应匹配残差的变化，卫星的权重的调节需要添加限幅，将从权重中剔除最大值，最小值，剩下的权重算出一个平均值，当某一卫星的权重除以平均值大于某一阈值时，停止对它的继续累加。
进一步地，所述步骤3中为了避免权重无法适应匹配残差的变化，卫星的权重的调节需要添加短时修复，每一颗卫星都有一个中断计数，在中断历元数的容忍度内的卫星权重不重置。
本发明利用迭代加权的模糊度函数法的卫星定向方法，可有效降低随机干扰对定向算法性能的影响，发明将低成本MEMS陀螺仪与GNSS接收机相结合，加速载波相位模糊度解算，实现了单历元实时定向并极大的提高了定向成功率。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明所述的利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向装置的一个较佳实施例的结构示意图；
图2是本发明所述的利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向方法的流程示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。
如图1所示为本发明所述的利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向装置的一个较佳实施例的结构示意图，包括两个GNSS天线1、GNSS接收机2、MEMS陀螺仪3、测量臂4和三脚架5，所述GNSS天线分别放置在所述测量臂的两端，所述GNSS接收机放置在所述测量臂的旋转中心一侧，所述MEMS陀螺仪放置在所述测量臂的旋转中心另一侧，所述测量臂的旋转中心放置在所述三脚架的平台中心上。
本发明利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向方法具体包括以下步骤：
1.将MEMS陀螺仪与测量臂刚性连接，保证在测量臂水平移动和旋转的过程中，MEMS陀螺仪相对于测量臂不会发生移动。MEMS陀螺仪在安装时，x轴与测量臂的夹角为90度，z轴与测量臂的平面垂直。将陀螺仪数据通过数据线以I2C协议传输到GNSS接收机内部的微处理器中，进行定向板俯仰角姿态解算。
2.如图2所示为本发明所述的利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向方法的流程示意图，具体算法流程如下：
(1)双天线信号基带处理和原始测量值生成
两个GNSS天线的信号分别经过射频前端处理，A/D转换将模拟信号采样为数字信号，利用基带对数字信号进行捕获、跟踪和解调，并重建载波，获取多颗卫星的实时载波相位，同时解析导航电文，获取卫星星历，开普勒轨道六参数，多普勒频率等信息。
(2)基准天线卫星定位解算
①在两个天线中决定一个天线为基准天线，从基准天线向另一个天线(称为移动天线)指向的矢量，定为基线矢量。
②采用最小二乘法或卡尔曼滤波方法进行定位解算得到基准天线的定位结果。
(3)双天线迭代加权模糊度函数法相对定位
①对接收机跟踪的N颗同一系统(GPS,BDS,GLONASS,GALILEO)的卫星，利用以下算法确定为主星，即产生双差载波测量值的基准卫星。
其中，SN代表卫星的载噪比，el代表卫星相对于接收机天线相位中心的高度角。
②根据基准天线，移动天线接收到的同一颗星两个非差载波测量值相差计算对应的单差载波相位测量值。将所有除主星以外的单差测量值都与主星的单差载波相位测量值做差，获得对应的双差载波相位测量值。将所有的双差载波相位测量值组成一个向量向量的长度为N-1，向量长度比GNSS接收机跟踪的卫星数目N少1是因为每颗卫星的单差载波相位观测值都与主星的单差载波相位观测做差，两两做差，得到的双差载波相位观测值比卫星数减少1。
③根据已知基线长度，和MEMS陀螺仪得出的基线矢量的pitch角(俯仰角)约束以及pitch角度测量标准差确定一个以基准天线在站心坐标系(ENU)下的圆环搜索坐标域。并将每颗卫星的权重初始化为相等的权重Wij。
④以固定的步长遍历搜索坐标域中的每一个点，利用该点坐标与每一颗卫星的坐标计算对应的无模糊度非差载波相位估计值。并利用已确定的主星，计算双差载波相位估计值。所有的双差载波相位估计值向量
⑤将和中所有元素的整数部分剔除。利用以下公式计算该坐标点的模糊度函数值：
⑥将搜索坐标域每个坐标点的模糊度函数值组成一个曲面，当曲面中最高峰与次高峰比例大于T时，确定最高峰对应的坐标为移动天线所在的位置。并根据最佳匹配坐标点出的双差载波测量值的残差res计算每颗卫星的置信度，并利用置信度计算每颗卫星的权重：
随着每个历元的迭代，信号质量好的卫星的权重不断地被提高，信号质量不好的卫星的权重逐渐被降低。从而实现自适应算法，降低干扰。
⑦为了避免权重无法适应匹配残差的变化，卫星的权重的调节需要添加以下的正则化方法。
1)抗积分饱和
根据选择的权重函数的数值特点，设定一个积分上限值，当某一颗卫星的权重值触碰到上限值时，所有卫星的权重值减半。
2)限幅
将从权重中剔除最大值，最小值，剩下的权重算出一个平均值，当某一卫星的权重除以平均值大于某一阈值时，停止对它的继续累加。
3)短时修复
每一颗卫星都有一个中断计数，在中断历元数的容忍度内的卫星权重不重置。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向装置，其特征在于，包括两个GNSS天线、GNSS接收机、MEMS陀螺仪、测量臂和三脚架，所述GNSS天线分别放置在所述测量臂的两端，所述GNSS接收机放置在所述测量臂的旋转中心一侧，所述MEMS陀螺仪放置在所述测量臂的旋转中心另一侧，所述测量臂的旋转中心放置在所述三脚架的平台中心上。
2.如权利要求1所述的卫星定向装置，其特征在于，所述MEMS陀螺仪与所述测量臂刚性连接；所述MEMS陀螺仪在安装时，x轴与所述测量臂的夹角为90度，z轴与所述测量臂的平面垂直；所述陀螺仪数据通过数据线以I2C协议传输到所述GNSS接收机内部的微处理器。
3.一种基于如权利要求1所述利用迭代加权模糊度函数法的卫星定向装置实现的卫星定向方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1、两个GNSS天线信号基带处理和原始测量值生成；
步骤2、选取基准天线，进行基准天线卫星定位解算；
步骤3、利用迭代加权模糊度函数法实现相对定位。
4.如权利要求3所述的卫星定向方法，其特征在于，所述步骤1具体为两个所述GNSS天线的信号分别经过射频前端处理，A/D转换将模拟信号采样为数字信号，利用基带对数字信号进行捕获、跟踪和解调，并重建载波，获取多颗卫星的实时载波相位，同时解析导航电文，获取卫星星历，开普勒轨道六参数，多普勒频率等信息。
5.如权利要求3所述的卫星定向方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、在两个所述GNSS天线中决定一个为基准天线，另一个则为移动天线，从所述基准天线向所述移动天线指向的矢量，定为基线矢量；
步骤2.2、采用最小二乘法或卡尔曼滤波方法进行定位解算得到所述基准天线的定位结果。
6.如权利要求3所述的卫星定向方法，其特征在于，所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤3.1、对所述GNSS接收机跟踪的N颗同一GNSS系统的卫星，利用以下算法确定为主星，即产生双差载波测量值的基准卫星
其中，SN代表卫星的载噪比，el代表卫星相对于接收机天线相位中心的高度；
步骤3.2、根据所述基准天线和移动天线接收到的同一颗星两个非差载波测量值相差计算对应的单差载波相位测量值，将所有除主星以外的单差载波相位测量值都与主星的单差载波相位测量值做差，获得对应的双差载波相位测量值，将所有的双差载波相位测量值组成一个向量向量的长度为N-1；
步骤3.3、根据已知基线长度，和所述MEMS陀螺仪得出的基线矢量的俯仰角约束以及俯仰角测量标准差确定一个以所述基准天线在ENU站心坐标系下的圆环搜索坐标域，并将每颗卫星的权重初始化为相等的权重Wij；
步骤3.4、以固定的步长遍历搜索所述圆环坐标域中的每一个点，利用该点坐标与每一颗卫星的坐标计算对应的无模糊度非差载波相位估计值，并利用已确定的主星，计算双差载波相位估计值，所有的双差载波相位估计值向量为
步骤3.5、将和中所有元素的整数部分剔除，利用以下公式计算该坐标点的模糊度函数值：
步骤3.6、将搜索所述圆环坐标域每个坐标点的模糊度函数值组成一个曲面，当曲面中最高峰与次高峰比例大于T时，确定最高峰对应的坐标为所述移动天线所在的位置，并根据最佳匹配坐标点处的双差载波测量值的残差res计算每颗卫星的置信度，并利用置信度计算每颗卫星的权重：
随着每个历元的迭代，信号质量好的卫星的权重不断地被提高，信号质量不好的卫星的权重逐渐被降低，从而实现自适应算法，降低干扰。
7.如权利要求6所述的卫星定向方法，其特征在于，所述步骤3中所述GNSS系统包括GPS、BDS、GLONASS和GALILEO。
8.如权利要求6所述的卫星定向方法，其特征在于，所述步骤3中为了避免权重无法适应匹配残差的变化，卫星的权重的调节需要添加抗积分饱和，根据选择的权重函数的数值特点，设定一个积分上限值，当某一颗卫星的权重值触碰到上限值时，所有卫星的权重值减半。
9.如权利要求6所述的卫星定向方法，其特征在于，所述步骤3中为了避免权重无法适应匹配残差的变化，卫星的权重的调节需要添加限幅，将从权重中剔除最大值，最小值，剩下的权重算出一个平均值，当某一卫星的权重除以平均值大于某一阈值时，停止对它的继续累加。
10.如权利要求6所述的卫星定向方法，其特征在于，所述步骤3中为了避免权重无法适应匹配残差的变化，卫星的权重的调节需要添加短时修复，每一颗卫星都有一个中断计数，在中断历元数的容忍度内的卫星权重不重置。
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