CN110609310A - 一种固定基线长度与水平的gnss测向方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法，属于卫星导航定位技术领域。该方法基于低成本GNSS模块，利用GNSS单频载波相位观测值，实时解算载体的位置与速度信息，结合固定基线长度与水平姿态信息，采用Kalman滤波技术实时估计模糊度浮点解，并提出循环查找方法，实时解算载波相位的整周模糊度，修正载体的航向。本发明所提供的一种固定基线长度与水平姿态的GNSS测向方法，能够实时获得载体航向信息，并提高系统的稳定性与可靠性。
Description
技术领域
本发明属于全球卫星定位与导航技术领域，涉及一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法。
背景技术
全球卫星导航系统(GNSS)是我国自主建设的全球卫星导航系统，能够为地球表面和近地空间的广大用户提供全天时、全天候、高精度的定位、导航和授时服务，已广泛应用于国防、海陆空交通运输、测绘、移动通信、电力、电子金融、精细农业和减灾救灾等领域，是拓展人类活动和促进社会发展的重要空间基础设施。
GNSS精密测向技术是全球卫星导航系统提供精密位置服务的关键技术之一，目前已广泛应用于驾考、精准农业、无人机等机械控制。它利用GNSS测向技术，以载体上的两个接收机采集的载波相位和伪距数据作为主要观测值来进行差分解算，并估计载波相位的整周模糊度，可以实时获得高精度的航向信息，极大的提高了作业效率，降低作业成本。但是基于目前的GNSS测向产品一般基于采用双频方案，其硬件成本相对较高，从而限制了其应用范围以及产业化推广。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：采用单点定位估计主天线位置；
步骤二：形成双差观测方程；
步骤三：线性化观测方程；
步骤四：计算模糊度值；
步骤五：更新基线向量；
步骤六：固定模糊度更新航向信息。
可选的，所述步骤一具体为：
原始的伪距观测值为：
其中，为原始的伪距观测值，ρs为接收机到卫星的距，tr，g为接收机钟差，g表示不同得卫星导航系统，Is为第一频段载波的电离层延迟，τs为对流层延迟，ε表示伪距的观测噪声；
利用模型改正对流层，电离层误差影响，则观测方程表示为：
对上式线性化，采用最小二乘法估计估计接收机位置。
可选的，所述步骤二具体为：GNSS单频频率双差伪距与载波相位观测值为：
式中，表示以米为单位的双差载波相位观测值,为接收机到卫星的双差距离，λg为载波波长，为载波的模糊度值，表示载波相位的观测噪声。
可选的，所述步骤三具体为：
公式(2)为非线性观测方程，为了解算相对基线分量，需要进行线性化处理，采用泰勒展开线性化(2)式得：
为卫星k，j到B天线近似距离，为卫星k，j到A天线距离，A天线坐标由单点定位获得。
可选的，所述步骤四具体为：
由于基线长度及水平姿态约束，基线分量表示为
e＝l×sin(θi)
n＝l×cos(θi)
u＝0
θi∈[0，360]为候选的角度值，为5度一个间隔，i∈[0，62],e,n,u分别为东、北、天方向基线矢量；
由e,n,u值及基站坐标，计算则：
计算模糊度浮点解及其方差协方差阵此时采用约束LAMBDA方法解算模糊度，获得模糊度的固定解；
式中z为整数模糊度候选矢量，为最优n组模糊度解算结果；
获得最优与次优整周模糊度矢量后，需计算最优与次优模糊度之间的可分离性指标-Ratio值：
式为与实数模糊度最近的整周模糊度矢量，为与实数模糊度次最近整周模糊度矢量；
采用移动平滑技术，得到平滑的组合观测值：
其中，k为平滑历元个数；为k历元平滑的ratio值，其中为最大的模糊度值为确定的模糊度固定结果；
可选的，所述步骤五具体为：更新基线向量：
式中为基线向量与模糊度的协方差，为浮点解基线向量，为固定解基线向量；
可选的，所述步骤六具体为：计算更新后的航向信息：
式中为模糊度固定的东向和北向基线分量，γ为方位角。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种方位角监测方法，该方法基线长度与姿态约束，从而有效降低硬件成本，同时采用序贯最小二乘方法，结合约束LAMBDA方法，实现稳健的方位角监测。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明系统图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1所示，一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：采用单点定位估计主天线位置；
原始的伪距观测值为：
其中，为原始的伪距观测值，ρs为接收机到卫星的距离(包含误差源，如相对论、地球固体潮、卫星相位中心、卫星硬件延迟等)，tr，g为接收机钟差，g表示不同得卫星导航系统，Is为第一频段载波的电离层延迟，τs为对流层延迟，ε表示伪距的观测噪声；
利用模型改正对流层，电离层误差影响，则观测方程可以表示为：
对上式线性化，采用最小二乘法估计即可估计接收机位置。
步骤二：形成双差观测方程
GNSS单频频率双差伪距与载波相位观测值为：
式中,表示以米为单位的双差载波相位观测值为接收机到卫星的双差距离，λg为载波波长,为载波的模糊度值,表示载波相位的观测噪声。
步骤三：线性化观测方程
公式(2)为非线性观测方程，为了解算相对基线分量，需要进行线性化处理，采用泰勒展开线性化(2)式可得：
为卫星k，j到B天线近似距离，为卫星k，j到A天线距离，A天线坐标可由单点定位获得。
步骤四：计算模糊度值
由于基线长度及水平姿态约束，基线分量可表示为
e＝l×sin(θi)
n＝l×cos(θi)
u＝0
θi∈[0，360]为候选的角度值，可以是5度一个间隔，i∈[0，62],e,n,u分别为东、北、天方向基线矢量。
由e,n,u值及基站坐标，可以计算则：
计算模糊度浮点解及其方差协方差阵此时采用约束LAMBDA方法解算模糊度，获得模糊度的固定解。
式中z为整数模糊度候选矢量，为最优n组模糊度解算结果。
获得最优与次优整周模糊度矢量后，需计算最优与次优模糊度之间的可分离性指标-Ratio值：
式中为与实数模糊度最近的整周模糊度矢量，为与实数模糊度次最近整周模糊度矢量。
采用移动平滑技术，得到平滑的组合观测值，
其中，k为平滑历元个数；为k历元平滑的ratio值，其中为最大的模糊度值为确定的模糊度固定结果。
步骤五：更新基线向量：
式中为基线向量与模糊度的协方差，为浮点解基线向量，为固定解基线向量。
步骤六：固定模糊度更新航向信息。
计算更新后的航向信息：
式中为模糊度固定的东向和北向基线分量，γ为方位角。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (7)
1.一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：采用单点定位估计主天线位置；
步骤二：形成双差观测方程；
步骤三：线性化观测方程；
步骤四：计算模糊度值；
步骤五：更新基线向量；
步骤六：固定模糊度更新航向信息。
2.根据权利要求1所述的一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法，其特征在于：所述步骤一具体为：
原始的伪距观测值为：
其中，为原始的伪距观测值，ρs为接收机到卫星的距，tr，g为接收机钟差，g表示不同得卫星导航系统，Is为第一频段载波的电离层延迟，τs为对流层延迟，ε表示伪距的观测噪声；
利用模型改正对流层，电离层误差影响，则观测方程表示为：
对上式线性化，采用最小二乘法估计估计接收机位置。
3.根据权利要求1所述的一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法，其特征在于：所述步骤二具体为：GNSS单频频率双差伪距与载波相位观测值为：
式中，表示以米为单位的双差载波相位观测值,为接收机到卫星的双差距离，λg为载波波长，为载波的模糊度值，表示载波相位的观测噪声。
4.根据权利要求1所述的一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法，其特征在于：所述步骤三具体为：
公式(2)为非线性观测方程，为了解算相对基线分量，需要进行线性化处理，采用泰勒展开线性化(2)式得：
为卫星k，j到B天线近似距离，为卫星k，j到A天线距离，A天线坐标由单点定位获得。
5.根据权利要求1所述的一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法，其特征在于：所述步骤四具体为：
由于基线长度及水平姿态约束，基线分量表示为
e＝l×sin(θi)
n＝l×cos(θi)
u＝0
θi∈[0，360]为候选的角度值，为5度一个间隔，i∈[0，62],e,n,u分别为东、北、天方向基线矢量；
由e,n,u值及基站坐标，计算则：
计算模糊度浮点解及其方差协方差阵此时采用约束LAMBDA方法解算模糊度，获得模糊度的固定解；
式中z为整数模糊度候选矢量，为最优n组模糊度解算结果；
获得最优与次优整周模糊度矢量后，需计算最优与次优模糊度之间的可分离性指标-Ratio值：
式中为与实数模糊度最近的整周模糊度矢量，为与实数模糊度次最近整周模糊度矢量；
采用移动平滑技术，得到平滑的组合观测值：
其中，k为平滑历元个数；为k历元平滑的ratio值，其中为最大的模糊度值为确定的模糊度固定结果。
6.根据权利要求1所述的一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法，其特征在于：所述步骤五具体为：更新基线向量：
式中为基线向量与模糊度的协方差，为浮点解基线向量，为固定解基线向量。
7.根据权利要求1所述的一种固定基线长度与水平的GNSS测向方法，其特征在于：所述步骤六具体为：计算更新后的航向信息：
式中为模糊度固定的东向和北向基线分量，γ为方位角。
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