CN110850461A - 一种基于三天线的gnss姿态实时测量装置及测量方法 - Google Patents

一种基于三天线的gnss姿态实时测量装置及测量方法 Download PDF

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CN110850461A CN201911186418.5A CN201911186418A CN110850461A CN 110850461 A CN110850461 A CN 110850461A CN 201911186418 A CN201911186418 A CN 201911186418A CN 110850461 A CN110850461 A CN 110850461A
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杜会文
张超
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Abstract

本发明公开了一种基于三天线的GNSS姿态实时测量装置及测量方法，属于测量测绘技术领域。本发明采用三天线的GNSS接收机结构，通过测量3个天线接收到的GNSS卫星信号的载波相位差值来获得天线所在平面的方位角、俯仰角和横滚角；由于卫星信号实时更新和解算，因此不存在误差累积的问题，并且能够实现高精度的实时姿态测量，集定位、测姿于一身；3个天线位置任意摆放，不受天线几何形状限制，相比单点定位等姿态测量系统，精度高，实时性好；相比双天线RTK接收机能够获得三维姿态角度；本发明利用GNSS信号进行位置、基线、姿态解算，系统可自动计算出方位角、俯仰角和横滚角。

Description

一种基于三天线的GNSS姿态实时测量装置及测量方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及一种基于三天线的GNSS姿态实时测量装置及测量方法。
背景技术
随着无人系统及智能装备的发展，姿态成为系统必不可少的测量参数，因此惯导系统被大量采用，用于测量系统的姿态参数。
惯性导航系统因为精度高(姿态精度小于1°)，被广泛用作姿态传感器，但由于惯导是以积分的形式计算得到姿态角度，因此姿态信息会随时间累积误差，导致误差越来越大，最终导致误差过大影响系统而姿态信息不可用，必须定时输入校准源进行定期校准，而很多应用条件下无法输入校准源，而且校准源也存在不可靠性。
GNSS(Global Navigation Satellite System，全球卫星导航系统)具有全天候、高精度、实时性、连续性等优点，随着单点定位、差分定位、RTK(real-time)等高精度定位反方法的研究，基于GNSS信号的接收机也被用来进行测姿测向，但目前的测姿采用多接收机和单点定位的方式，要求天线间距大，但姿态测量结果精度低，成本高；而基于RTK的接收机目前最多支持双天线，仅能实现测向，无法测得三维姿态。
目前，实时的三维姿态测量系统中都采用惯导系统，如陀螺仪、加速度计等，而惯导存在两方面问题：一是价格昂贵，光纤陀螺动辄几十万上百万的成本；二是姿态飘移，陀螺仪与加速度计的误差会随着时间不断积累，无法消除。对于海上等长期无人值守设备，姿态、航向的角度漂移会随时间日积月累，性能不能满足使用要求，而给设备带来无法预测的风险。目前已有产品利用RTK(Real-time kinematic，实时动态)载波差分技术来解算双天线基线矢量，得到基线的方位角和俯仰角，但无法得到三维姿态的横滚角。
发明内容
针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种基于三天线的GNSS姿态实时测量装置及测量方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于三天线的GNSS姿态实时测量装置，包括3个双频天线、3路射频前端、3路中频采样单元、3路基带解算单元、2个RTK基线解算单元和1个姿态解算单元；
双频天线，被配置为用于接收GPS/北斗导航卫星的L1/B1和L2/B2导航信号；
射频前端，被配置为用于对接收的导航信号进行低噪声放大和带通滤波处理，抑制带外干扰，通过混频模块进行混频得到中频信号；
中频处理单元，被配置为用于对中频信号进行采样，将中频信号转换为数字中频信号，并对导航信号进行跟踪，为基带解算做准备；
基带解算单元，被配置为用于对码相位和载波相位信息进行解调，得到伪距，经伪距解算得到位置和时间数据；
RTK基线解算单元，包括第一基线解算单元和第二基线解算单元；被配置为用于解算载波相位和载波整周模糊度，计算得到两个天线之间的基线矢量；
姿态解算单元，被配置为用于计算三个天线所构成的坐标系的方位角、俯仰角和横滚角，得到姿态角度。
此外，本发明还提到一种基于三天线的GNSS姿态实时测量方法，该方法采用如上所述的一种基于三天线的GNSS姿态实时测量装置，具体包括如下步骤：
步骤1：三个双频天线同步接收GPS/北斗导航卫星的L1/B1和L2/B2导航信号，经过低损馈线分三路传输给接收机的射频前端；
步骤2：三路射频前端分别对接收信号进行低噪声放大和带通滤波处理，抑制带外干扰，通过混频模块进行混频得到中频信号；
步骤3：中频处理单元对中频信号进行采样，将中频信号转换为数字中频信号，然后经中频处理单元中的锁相环PLL和DLL对伪随机码序列和载波分别进行锁频和锁相，得到码相位和载波相位信息，完成对导航信号的跟踪；
步骤4：基带解算单元对码相位和载波相位信息进行解调，得到伪距，经伪距解算得到位置和时间数据；
步骤5：RTK基线解算单元通过双频模型计算得出两路信号载波的整周模糊度，结合载波相位得到其中两个天线之间的基线矢量(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)；
步骤6：两个RTK基线解算单元将两个基线矢量信息发送给姿态解算单元，进行三维姿态角度的计算三维姿态角包括方位角yaw、俯仰角tilt和横滚角roll；计算公式如下：
yaw＝yaw1 (1)；
tilt＝tilt1 (2)；
Figure BDA0002292505740000021
其中，yaw1为第一基线解算单元输出基线(x1,y1,z1)的方位角1，tilt1为第一基线解算单元输出基线(x1,y1,z1)的俯仰角1；
Figure BDA0002292505740000031
Figure BDA0002292505740000032
其中x,y,z的计算过程如下：
设yaw2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的方位角2，tilt2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的俯仰角2，则计算公式如下：
Figure BDA0002292505740000033
Figure BDA0002292505740000034
设
Figure BDA0002292505740000035
对应的单位基线向量为
Figure BDA0002292505740000036
Figure BDA0002292505740000037
对应的单位基线向量为
Figure BDA0002292505740000038
则
Figure BDA0002292505740000039
表示为：
Figure BDA00022925057400000310
Figure BDA00022925057400000311
其中：
Figure BDA00022925057400000312
Figure BDA00022925057400000313
Figure BDA00022925057400000315
Figure BDA00022925057400000316
Figure BDA00022925057400000317
其中，都是单位矢量，
Figure BDA00022925057400000319
在
Figure BDA00022925057400000320
方向上的投影矢量
Figure BDA00022925057400000321
表达式如公式(10)所示：
Figure BDA00022925057400000322
Figure BDA0002292505740000041
在
Figure BDA0002292505740000042
垂直方向上的投影矢量
Figure BDA0002292505740000043
表达式如公式(11)所示：
Figure BDA0002292505740000048
x,y,z的表达式如下：
Figure BDA0002292505740000044
Figure BDA0002292505740000046
本发明所带来的有益技术效果：
本发明采用三天线的GNSS接收机结构，通过测量3个天线接收到的GNSS卫星信号的载波相位差值来获得天线所在平面的方位角、俯仰角和横滚角；由于卫星信号实时更新和解算，因此不存在误差累积的问题，并且能够实现高精度的实时姿态测量，集定位、测姿于一身；3个天线位置任意摆放，不受天线几何形状限制，相比单点定位等姿态测量系统，精度高，实时性好；相比双天线RTK接收机能够获得三维姿态角度。
本发明利用GNSS信号进行位置、基线、姿态解算，系统可自动计算出方位角、俯仰角和横滚角，其中方位角精度为0.1°@1m，即方位角精度在1m的条件下，达到0.1°，俯仰角和横滚角为0.2°@1m。
附图说明
图1为一种基于三天线的GNSS姿态实时测量装置的结构示意图。
图2为方位角、俯仰角、横滚角定义示意图。
图3为向量投影、正交示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
本发明的核心是姿态解算单元，该姿态解算算法不依赖于天线的几何构造，通过正交投影计算得到姿态角度，因此不需要天线连线矢量正交，三个天线的位置可以任意摆放，只要能构成三角形不共线即可。不妨设系统输出方位角为yaw，俯仰角为tilt，横滚角为roll，基线解算单元1输出基线(x1,y1,z1)的方位角1为yaw1＝θ1，基线解算单元1输出基线(x1,y1,z1)的俯仰角1为
Figure BDA0002292505740000047
基线解算单元2输出基线(x2,y2,z2)的方位角2则为yaw2＝θ2，基线解算单元2输出基线(x2,y2,z2)的俯仰角2为
Figure BDA0002292505740000051
则有：
yaw＝yaw1 (1)；
tilt＝tilt1 (2)；
Figure BDA0002292505740000052
其中x,y,z的计算过程如下：
设对应的单位基线向量为
Figure BDA0002292505740000054
角度定义如图2所示，
Figure BDA0002292505740000055
Figure BDA0002292505740000056
对应的单位基线向量为如图3所示，则
Figure BDA0002292505740000058
表示为：
Figure BDA0002292505740000059
Figure BDA00022925057400000510
其中x,y,z的计算过程如下：
设yaw2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的方位角2，tilt2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的俯仰角2，则计算公式如下：
Figure BDA00022925057400000511
设
Figure BDA00022925057400000513
对应的单位基线向量为
Figure BDA00022925057400000514
Figure BDA00022925057400000515
对应的单位基线向量为
Figure BDA00022925057400000516
则表示为：
Figure BDA00022925057400000518
Figure BDA00022925057400000519
其中：
Figure BDA00022925057400000520
Figure BDA00022925057400000521
Figure BDA0002292505740000061
Figure BDA0002292505740000062
Figure BDA0002292505740000063
Figure BDA0002292505740000064
其中，
Figure BDA0002292505740000065
都是单位矢量，
Figure BDA0002292505740000066
在
Figure BDA0002292505740000067
方向上的投影矢量
Figure BDA0002292505740000068
表达式如公式(10)所示：
Figure BDA0002292505740000069
Figure BDA00022925057400000610
在
Figure BDA00022925057400000611
垂直方向上的投影矢量
Figure BDA00022925057400000612
表达式如公式(11)所示：
Figure BDA00022925057400000613
x,y,z的表达式如下：
Figure BDA00022925057400000614
Figure BDA00022925057400000615
Figure BDA00022925057400000616
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于三天线的GNSS姿态实时测量装置，其特征在于：包括3个双频天线、3路射频前端、3路中频采样单元、3路基带解算单元、2个RTK基线解算单元和1个姿态解算单元；
双频天线，被配置为用于接收GPS/北斗导航卫星的L1/B1和L2/B2导航信号；
射频前端，被配置为用于对接收的导航信号进行低噪声放大和带通滤波处理，抑制带外干扰，通过混频模块进行混频得到中频信号；
中频处理单元，被配置为用于对中频信号进行采样，将中频信号转换为数字中频信号，并对导航信号进行跟踪，为基带解算做准备；
基带解算单元，被配置为用于对码相位和载波相位信息进行解调，得到伪距，经伪距解算得到位置和时间数据；
RTK基线解算单元，包括第一基线解算单元和第二基线解算单元；被配置为用于解算载波相位和载波整周模糊度，计算得到两个天线之间的基线矢量；
姿态解算单元，被配置为用于计算三个天线所构成的坐标系的方位角、俯仰角和横滚角，得到姿态角度。
2.一种基于三天线的GNSS姿态实时测量方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的一种基于三天线的GNSS姿态实时测量装置，具体包括如下步骤：
步骤1：三个双频天线同步接收GPS/北斗导航卫星的L1/B1和L2/B2导航信号，经过低损馈线分三路传输给接收机的射频前端；
步骤2：三路射频前端分别对接收信号进行低噪声放大和带通滤波处理，抑制带外干扰，通过混频模块进行混频得到中频信号；
步骤3：中频处理单元对中频信号进行采样，将中频信号转换为数字中频信号，然后经中频处理单元中的锁相环PLL和DLL对伪随机码序列和载波分别进行锁频和锁相，得到码相位和载波相位信息，完成对导航信号的跟踪；
步骤4：基带解算单元对码相位和载波相位信息进行解调，得到伪距，经伪距解算得到位置和时间数据；
步骤5：RTK基线解算单元通过双频模型计算得出两路信号载波的整周模糊度，结合载波相位得到其中两个天线之间的基线矢量(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)；
步骤6：两个RTK基线解算单元将两个基线矢量信息发送给姿态解算单元，进行三维姿态角度的计算三维姿态角包括方位角yaw、俯仰角tilt和横滚角roll；计算公式如下：
yaw＝yaw1 (1)；
tilt＝tilt1 (2)；
Figure FDA0002292505730000021
其中，yaw1为第一基线解算单元输出基线(x1,y1,z1)的方位角1，tilt1为第一基线解算单元输出基线(x1,y1,z1)的俯仰角1；
Figure FDA0002292505730000022
Figure FDA0002292505730000023
其中x,y,z的计算过程如下：
设yaw2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的方位角2，tilt2为第二基线解算单元输出基线(x2,y2,z2)的俯仰角2，则计算公式如下：
Figure FDA0002292505730000024
Figure FDA0002292505730000025
设
Figure FDA0002292505730000026
对应的单位基线向量为
Figure FDA0002292505730000027
Figure FDA0002292505730000028
对应的单位基线向量为则
Figure FDA00022925057300000210
表示为：
Figure FDA00022925057300000211
其中：
Figure FDA00022925057300000213
Figure FDA00022925057300000214
Figure FDA0002292505730000031
其中，
Figure FDA0002292505730000032
都是单位矢量，
Figure FDA0002292505730000033
在
Figure FDA0002292505730000034
方向上的投影矢量
Figure FDA0002292505730000035
表达式如公式(10)所示：
Figure FDA0002292505730000036
Figure FDA0002292505730000037
在
Figure FDA0002292505730000038
垂直方向上的投影矢量
Figure FDA0002292505730000039
表达式如公式(11)所示：
Figure FDA00022925057300000310
x,y,z的表达式如下：
Figure FDA00022925057300000311
Figure FDA00022925057300000312
Figure FDA00022925057300000313
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