CN111025361B - 基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法，属于雷达探测、导航技术领域。本发明采用固定在平台上的电磁矢量传感器的偶极子或磁环天线接收GPS等全球导航卫星信号，形成阵列数据。同步采样平台测姿态时，匹配叠加各传感器接收卫星信号。解码后模和最大值对应的姿态参数即为捕获运动平台姿态。同步采样平台测姿态刷新周期为1个码片周期。异步采样平台测姿态时,各接收单元采集多个解码码片的信息源卫星复数数据。根据极化阵列接收数据呈现出多维张量特定数据结构，利用空间多重信号分类特征值算法，多维张量分解等阵列信号处理方法，实现姿态估计。异步采样平台测姿态刷新周期为多个码片周期。本发明发展了测姿导航技术。

Description

基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法

技术领域

本发明涉及一种基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法，属于雷达探测、导航技术领域。

背景技术

运动平台姿态信息大多从惯导传感器融合其他信息获取。目前使用的运动平台姿态信息系统结构复杂,故障率高。测量精度不高。在某些航空航天应用领域对姿态导航有特殊的要求,如测量速度快,精度高,体积、质量、能耗小,抗大加速,抗辐射,抗极端温度,抗震动等。这些要求使得航姿导航设备成本很高。接收电磁波信息与平台姿态具有密切关联性，利用电磁波提供的姿态基准测量运动平台姿态可弥补空间参照物不足问题，弥补机载姿态测量惯导系统的缺陷。人造的和自然界的各种电磁波充斥着地球表面和太空,可以像利用地磁场指南那样利用电磁波导航。国内外都研究在地球卫星导航系统接收端,利用多点接收,三角计算的方法感知姿态。缺点是体积大、精度低、系统复杂、速度慢,影响了该技术的推广应用。

全球导航卫星系统目前包括GPS、GLONASS、北斗和GALILEO，卫星导航信号一般为码分多址或频分多址源，卫星导航接收机收到的电磁波包含了多个卫星波达方向信息，这些信息与接收平台姿态信息具有密切关联性，由波达方向信息转化为接收平台姿态信息，信息的利用直接高效，不受飞行平台姿态及其运动影响。地球卫星导航系统为利用电磁波测量姿态提供了丰富信号源，也可以利用无人机基站信号测量运动平台姿态。同一架无人机多位置的多个传感器共同测量姿态可避免遮挡，获得更高的姿态精度。而发展中的微型惯导姿态信息系统测量精度不高。运动平台姿态信息可从惯导传感器融合电磁波提供的姿态信息获取。

发明内容

本发明提出了一种基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法，采用固定在平台上的电磁矢量传感器的偶极子或磁环天线接收GPS等全球导航卫星系统信号。通道间相互分离，形成阵列数据，应用信号处理方法解算平台姿态。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法，同步采样平台测姿态包括以下步骤：

步骤1确定电磁矢量传感器L个接收单元安装姿态和位置，L个电磁矢量传感器接收单元接收GPS信号，捕获和跟踪多个导航卫星信号，采样时点控制来自同一振荡器，确定Q个卫星信号载波多普勒频移,C/A码初始相位和波达方向；

步骤2三维搜索姿态参数φ₁，φ₂，φ₃。对应于每次搜索值，依次计算出Q个可跟踪的GPS卫星叠加信号一个码片解码后模，Q个卫星叠加信号一个码片解码后模和最大值对应的φ₁，φ₂，φ₃即为捕获运动平台姿态；

步骤3在随后的跟踪测姿态时，在姿态捕获参数邻域内，三维搜索姿态参数，采用偏小和偏大参数值处于峰的上升和下降沿性质，预测跟踪时的参数校正量，以减少搜索参数的计算量。

所述步骤2中，捕获运动平台姿态就是三维搜索姿态参数φ₁，φ₂，φ₃，对应于每次搜索值φ₁，φ₂，φ₃，按与导向矢量匹配原理，叠加各传感器得q号卫星信号，依次计算出Q个可跟踪的GPS卫星叠加信号。

所述步骤2中，捕获运动平台姿态就是三维搜索姿态参数φ₁，φ₂，φ₃，对应于每次搜索值φ₁，φ₂，φ₃，按与导向矢量匹配原理，叠加各传感器得q号卫星信号，随后以捕获和跟踪获得载波频率和C/A码初始相位，解码q号卫星叠加信号一个码片，计算出q号卫星叠加信号一个码片模；依次计算出Q个可跟踪的GPS卫星叠加信号一个码片解码后模，将Q个叠加信号一个码片解码后模和算出，叠加信号一个码片解码后模和最大值对应的φ₁，φ₂，φ₃即为捕获运动平台姿态；同步采样平台测姿态刷新周期为全球卫星导航GNSS信号1个码片周期。

一种基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法，异步采样平台测姿态包括以下步骤：

步骤1将电磁矢量传感器接收单元以不同姿态安装在平台上,各接收单元独立捕捉跟踪卫星信号,采样时点控制可来自相同振荡器或不同振荡器，确定多个卫星信号载波多普勒频移,C/A码初始相位；

步骤2选取被两个以上接收单元同时成功捕捉跟踪卫星信号为姿态测量信息源,各接收单元采集信息源卫星多个码片的解码后复数数据；

步骤3根据极化阵列接收数据呈现出多维张量特定结构，利用空间多重信号分类特征值算法，最小方差无畸变响应，传播因子，多维张量分解等阵列信号处理方法，实现姿态估计；这种方式不需要知道各单元独立采样形成的增益和相位飘移，不需要确切知道各单元安装位置和姿态，不需要知道信号的极化参数；

步骤4随后在姿态参数捕获值邻域内对飞机姿态跟踪，在小范围内实现姿态估计,进行精确校正。

所述步骤2中，选取被两个以上接收单元成功捕捉跟踪卫星信号为姿态测量信息源,各接收单元采集解码多个码片的信息源卫星数据。

所述步骤3中，根据极化阵列接收数据呈现出多维张量特定结构，利用空间多重信号分类特征值算法，最小方差无畸变响应，传播因子，多维张量分解等阵列信号处理方法，实现姿态估计；这种方式不需要知道各单元独立采样形成的增益和相位飘移，不需要确切知道各单元安装位置和姿态，不需要知道信号的极化参数；异步采样平台测姿态刷新周期为多个码片周期。

本发明具有以下有益效果：

1)利用现有全球导航卫星系统(目前包括GPS、GLONASS、北斗和GALILEO)导航信号，或测控信号，仅在接收端进行信号处理，就可实现对运动接收平台航行姿态感知，可安装在车辆、舰船、飞行器等平台，使运动平台增加了姿态测量功能，为智能化现代交通打下了基础。

2)同一平台多位置的多个传感器共同测量姿态可避免遮挡，获得更高的姿态精度。提高了导航信息利用率。

3)能与测控导航系统集成为一体，适宜微型运动平台(MAV，Micro Air Vehicles)使用。

4)本发明也可与惯导融合使用，以适应不同的应用场合。

5)以重力加磁场为参照测姿态易受到加速度和磁干扰，本发明可弥补重力加磁场测姿态的缺点。

附图说明

图1为波达矢量图。

图2为空间电场旋转椭圆图。

图3为大地坐标系中零旋转姿态电磁矢量传感器图。

图4为原理接收机样机所用偶极子天线图。

图5为同步采样平台姿态捕捉和跟踪流程图。

图6为异步采样平台姿态捕捉和跟踪流程图。

图7为原理接收机试验组件图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

本发明采用固定在平台上的电磁矢量传感器的偶极子或磁环天线接收GPS等全球导航卫星系统信号。通道间相互分离，形成阵列数据，应用信号处理方法解算平台姿态。

1电磁矢量传感器接收信号模型

电磁波信号传播方向如图1所示。

大地坐标系下，电磁波空间到达方向用参量表示，见图1，分别表示方位角和仰角，-π/2≤θ≤π/2，/>这样波达矢量为/>以极化椭圆描述子(γ,η)表示电磁波的极化属性，极化角-π/2＜γ≤π/2，极化椭圆率-π/4≤η≤π/4，极化电磁波椭圆状旋转电场如图2所示./>分别为电场极化椭圆的长短轴方向向量，电磁波结构向量/>相互正交，波结构向量可作为姿态/航向测量的参照，以波结构向量为3个坐标轴构成的直角坐标系称为波结构坐标系。原点处独立全电磁矢量传感器基准姿态如图3所示，图3中坐标系为大地坐标系。此时独立全电磁矢量传感器理想导向矢量为/>其中

原点处独立全电磁矢量传感器理想导向矢量可进一步表达为：

式中

d(η)＝[0 cosη isinη 0 -isinη cosη]^T

参照图1知，反应了大地坐标系与波结构坐标系之间的旋转关系，当电磁矢量传感器的姿态与大地坐标系存在姿态旋转差异时，表现为/>的差异,以旋转阵表示。

2运动平台载电磁矢量传感器接收模型

若运动平台有L个缺损电磁矢量传感器接收单元，序号l＝1,…,L，运动平台的l号缺损电磁矢量传感器接收单元在机身坐标系下安装位置坐标(x_lo,y_lo,z_lo)^T，安装姿态旋转阵b_RlO，为固定不变，可精确测量得到。在大地坐标系下，运动平台平台运动造成姿态旋转差异表示为旋转阵b_R,若运动平台在大地坐标系中位置(x_f,y_f,z_f)^T，则各传感器接收单元在大地坐标系位置坐标为：

(x_l,y_l,z_l)^T＝b_R·(x_lo,y_lo,z_lo)^T+(x_f,y_f,z_f)^T

＝(x′_lo,y′_lo,z′_lo)^T+(x_f,y_f,z_f)^T

若基准传感器接收单元在大地坐标系位置坐标为(x_l,y_l,z_l)^T，则l号缺损电磁矢量传感器接收单元与基准传感器接收单元的信号延迟为：

常数c为光速。

l号电磁矢量传感器接收单元的姿态与大地坐标系旋转差异阵b_Rl由安装和运动平台平台运动造成，运动平台平台运动造成姿态差异b_R为时变差异，此误差可调适为无偏误差，这样一来b_Rl＝b_R·b_RlO。根据三维空间旋转理论知三维旋转矩阵可以用单一旋转向量描述，其中[φ_1l φ_2l φ_3l]为旋转向量/>在坐标系中坐标，姿态误差旋转矩阵就等于：/>同样，/>式中

校正了l号缺损电磁矢量传感器接收单元与基准传感器的信号延迟后，运动平台载l号电磁矢量传感器接收单元的导引矢量表达式为：

式中，C_l为选择矩阵,由六维单位阵的一行向量组成，表示从全电磁矢量传感器选择一单元；；运动平台的L个缺损电磁矢量传感器接收单元的导引矢量表达式为：

式中，1_L为L维元素全为1的向量，为Kronecker积。图4为原理接收机样机所用偶极子天线。

建立了导向矢量后,运动平台姿态参数成为导向矢量的未知参数,可运用成熟的阵列信号处理方法估计运动平台姿态。远场平面波导航信号通过扩频方式发出，单颗卫星的信号结构为:s_q(t)＝A_cC(t)D(t)e^i(2πft+φ)

C(t)为扩频调制码，D(t)为卫星星历数据。该信号被接收机接收后经射频前端放大，滤波，下变频和A/D转换后，变为利于接收机处理的数字中频信号，GPS信号捕获是载波频率和C/A码初始相位的二维搜索过程。在GPS接收机系统中，通常使用延时锁相环(DLL)来跟踪C/A码，它是利用输入信号与本地超前C/A码和滞后C/A码分别相乘后形成鉴相函数来达到锁定C/A的目的。延迟码跟踪环主要由本地C/A码生成器(超前码，滞后码和及时码)，积分器，伪码鉴相器和环路滤波器构成。

设有Q个可用卫星信号，编号1,2,…,Q，运动平台的L个缺损电磁矢量传感器接收单元的接收q号卫星信号为：Z_q(t)＝d_qs_q(t)+e(t)

按导引矢量计算得运动平台测姿用的q号卫星叠加信号为：

d_q ^HZ_q (3)

以此叠加信号匹配q号卫星信号载波多普勒频移，C/A码初始相位，可解码q号卫星信号。

3同步采样平台姿态捕捉和跟踪

步骤1确定L个接收单元安装姿态和位置，L个缺损电磁矢量传感器接收单元接收GPS信号，采样时点控制来自相同振荡器，捕获和跟踪多个导航卫星信号，确定Q个卫星信号载波多普勒频移,C/A码初始相位和波达方向。

本发明的L个缺损电磁矢量传感器接收单元分别接收GPS信号，捕获和跟踪多个导航卫星信号，计算出各卫星波达方向。测量确定L个接收单元安装姿态和位置，这样(2)式的针对各卫星的导向矢量中只有平台姿态参数φ₁，φ₂，φ₃和椭圆倾斜角γ_q未知，其它参数都为已知。GPS信号为右旋圆极化信号，γ_q参数相当于信号相位偏移，可为任意值，不影响本发明解算姿态结果。为简化算法，令γ_q为0。

可联合搜索φ₁，φ₂，φ₃和GPS数个卫星信号载波频率(校正多普勒后)和C/A码初始相位，以提高卫星信号捕获能力，将产生巨大的计算量。

步骤2三维搜索姿态参数φ₁，φ₂，φ₃。对应于每次搜索值，依次计算出Q个可跟踪的GPS卫星叠加信号一个码片解码后模，叠加信号各卫星一个码片解码后模和最大值对应的φ₁，φ₂，φ₃即为捕获运动平台姿态。

捕获运动平台姿态就是三维搜索姿态参数φ₁，φ₂，φ₃。按(3)式叠加各传感器得q号卫星信号，随后以捕获和跟踪获得载波频率和C/A码初始相位解码q号卫星叠加信号，计算出q号卫星叠加信号模。依次计算出Q个可跟踪的GPS卫星叠加信号模，将Q个叠加信号模和算出，叠加信号模和最大值对应的φ₁，φ₂，φ₃即为捕获运动平台姿态。GPS卫星信号一个C/A码码片数据时长约1毫秒。

步骤3在随后的跟踪测姿态时，在姿态捕获参数邻域内，三维搜索姿态参数。可采用偏小和偏大参数值处于峰的上升和下降沿性质，预测跟踪时的参数校正量，以减少搜索参数的计算量。

因为在捕获参数附近，叠加信号模和呈现出只有一个峰的凸函数形态，所以随后的跟踪，对飞机姿态作精确校正时，只需在姿态参数初值邻域内进行，还可采用偏小和偏大参数值处于峰的上升和下降沿性质，预测跟踪时的参数校正量，以减少搜索参数的计算量。

由以上方法可见，在捕获和跟踪GPS数个卫星信号，获得了载波频率(校正多普勒后)和C/A码初始相位条件下，只需一个码片数据，就可捕获和跟踪飞机姿态，即飞机姿态的刷新周期约为1毫秒。图5为同步采样平台姿态捕捉和跟踪流程图。

4异步采样平台姿态捕捉和跟踪

步骤1将接收单元以不同姿态安装在平台上,各接收单元独立捕捉跟踪卫星信号,采样时点控制可来自相同振荡器或不同振荡器，确定多个卫星信号载波多普勒频移,C/A码初始相位。

当各接收通道完全分离，不能采用同一振荡器时，运动平台载l号电磁矢量传感器接收单元的导向矢量表达式为

表示各单元独立采样形成的增益和相位飘移。运动平台群载电磁矢量传感器接收信号时，阵列的导向矢量表达式为：

其中：矩阵/>向量式中，1_L为L维元素全为1的向量，/>为Kronecker积。

步骤2选取被两个以上接收单元同时成功捕捉跟踪卫星信号为姿态测量信息源,各接收单元采集信息源卫星多个码片的解码后复数数据。

步骤3根据极化阵列接收数据呈现出多维张量特定结构，利用空间多重信号分类(MUSIC)特征值算法，最小方差无畸变响应(MVDR)，传播因子，多维张量分解等阵列信号处理方法，实现姿态估计。这种方式不需要知道各单元独立采样形成的增益和相位飘移，不需要确切知道各单元安装位置和姿态，不需要知道信号的极化参数。

若有L个电磁矢量传感器接收单元同时跟踪了q号卫星，各自获得了K个解码后码片值(若部分接收单元未成功解码卫星信号，相应码片值取零。)对接收信号互相关阵的估计/>得/> 中对角元素较大值对应特征向量构成矩阵/>张成信号子空间，较小特征值对应特征向量构成矩阵/>张成噪声子空间。由此可得参量(φ₁,φ₂,φ₃)的空间多重信号分类(multiple signal classification，MUSIC)谱为/>

参考式得目标姿态(φ₁,φ₂,φ₃)的广义MUSIC谱可简化为最大特征值：

其中

符号λ_max[Φ₂(φ₁,φ₂,φ₃),Φ₁(φ₁,φ₂,φ₃)]为取广义特征值中最大值，该值与无关，这是由极化阵列接收数据特定结构造成的。多个卫星姿态普叠加可得到更加精确的姿态参数：/>

采用最小方差无畸变响应(MVDR)，传播因子，多维张量分解等阵列信号处理方法也能实现姿态估计。

步骤4随后在姿态参数捕获值邻域内对飞机姿态跟踪，在小范围内实现姿态估计,进行精确校正。

异步采样平台测姿态刷新周期为多个码片周期。

因为在捕获参数附近，叠加信号模和呈现出只有一个峰的凸函数形态，所以随后的跟踪，对飞机姿态作精确校正时，只需在姿态参数初值邻域内进行，以减少搜索参数的计算量.由以上方法可见，在捕获和跟踪GPS数个卫星信号，获得了载波频率(校正多普勒后)和C/A码初始相位条件下，需多个码片数据，就可捕获和跟踪飞机姿态，即飞机姿态的刷新周期为多个毫秒。

图6异步采样平台姿态捕捉和跟踪流程图，图7为原理接收机试验组件。由同步和异步采样平台姿态估计基本原理，可推导出同步和异步混合采样平台姿态估计，不再赘述。

Claims (5)

1.一种基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法，其特征在于，同步采样平台测姿态包括以下步骤：

步骤1 、确定电磁矢量传感器L个接收单元安装姿态和位置，L个电磁矢量传感器接收单元接收GPS信号，捕获和跟踪多个导航卫星信号，采样时点控制来自同一振荡器，确定Q个卫星信号载波多普勒频移,C/A码初始相位和波达方向；

步骤2、三维搜索姿态参数，对应于每次搜索值，依次计算出Q个可跟踪的GPS卫星叠加信号一个码片解码后模，Q个卫星叠加信号一个码片解码后模和最大值对应的，即为捕获运动平台姿态；

步骤3、在随后的跟踪测姿态时，在姿态捕获参数邻域内，三维搜索姿态参数，采用偏小和偏大参数值处于峰的上升和下降沿性质，预测跟踪时的参数校正量，以减少搜索参数的计算量。

2.根据权利要求1所述的基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法，其特征在于所述步骤2中，捕获运动平台姿态就是三维搜索姿态参数，对应于每次搜索值/>，按与导向矢量匹配原理，叠加各传感器得q号卫星信号，依次计算出Q个可跟踪的GPS卫星叠加信号。

3.根据权利要求1所述的基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法，其特征在于所述步骤2中，捕获运动平台姿态就是三维搜索姿态参数，对应于每次搜索值/>，按与导向矢量匹配原理，叠加各传感器得q号卫星信号，随后以捕获和跟踪获得载波频率和C/A码初始相位，解码q号卫星叠加信号一个码片，计算出q号卫星叠加信号一个码片模；依次计算出Q个可跟踪的GPS卫星叠加信号一个码片解码后模，将Q个叠加信号一个码片解码后模和算出，叠加信号一个码片解码后模和最大值对应的，/>，即为捕获运动平台姿态；同步采样平台测姿态刷新周期为全球卫星导航GNSS信号1个码片周期。

4.一种基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法，其特征在于，异步采样平台测姿态包括以下步骤：

步骤1、将电磁矢量传感器接收单元以不同姿态安装在平台上,各接收单元独立捕捉跟踪卫星信号,采样时点控制来自相同振荡器或不同振荡器，确定多个卫星信号载波多普勒频移,C/A码初始相位；

步骤2、选取被两个以上接收单元同时成功捕捉跟踪卫星信号为姿态测量信息源,各接收单元采集信息源卫星多个码片的解码后复数数据；

步骤3、根据极化阵列接收数据呈现出多维张量特定结构，选择采用空间多重信号分类特征值算法、最小方差无畸变响应、传播因子，或者多维张量分解阵列信号处理方法，实现姿态估计；

步骤4、随后在姿态参数捕获值邻域内对飞机姿态跟踪，在小范围内实现姿态估计,进行精确校正。

5.根据权利要求4所述的基于全球卫星导航信号三维波结构的平台姿态估计方法，其特征在于所述步骤2中，选取被两个以上接收单元成功捕捉跟踪卫星信号为姿态测量信息源,各接收单元采集解码多个码片的信息源卫星数据。