CN111221016B - 一种六天线短基线gnss快速定向装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种六天线短基线GNSS快速定向装置及方法，每条基线两端的GNSS测量天线与一台双天线定位接收机相连，三台双天线定位接收机的载波相位双差分值经FPGA采集模块传输至DSP导航解算模块进行航向角和俯仰角的解算；采用六天线的短基线布局，主基线矢量与载体行进方向平行，两条辅助基线矢量与主基线矢量长度相同，分别与主基线向量成120度和240度角布设，三条基线向量相交于主基线矢量的几何中心，利用基线旋转矩阵的对称性实现GNSS基线向量的快速整周模糊度解算，进一步采用最小二乘算法实现基线向量的快速解算。本发明在观测卫星数量为4的情况下即可计算载体的航向角与俯仰角，定向速度快、定向精度高。

Description

一种六天线短基线GNSS快速定向装置及方法
技术领域
本发明属于载体定向技术领域，尤其涉及一种六天线短基线GNSS快速定向装置及方法。
背景技术
随着我国北斗定位系统提供全球位置服务，研究面向农业机械与移动车辆的GNSS高精度定向技术获得了广泛关注，该定向技术具有成本低、易于实施等特点，然而常规的双天线定向技术需要获取短基线载波相位双差分值的整周模糊度。整周模糊度求解方法一般包括基于观测域、位置域、模糊度域及测量域四种，其中测量域的计算量最小、实时性较好。然而常规的基于测量域的整周模糊度解算，在应用于移动载体的定向时(如农机转弯)，仍存在求解速度慢的问题，且一般要求可观测卫星数量大于等于6颗，要求较苛刻。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提供一种六天线短基线GNSS快速定向装置及方法，可在观测卫星数量小于6颗时，快速求解载体的航向角与俯仰角，定向精度高。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种六天线短基线GNSS快速定向方法，六个GNSS测量天线构造三条相交的测量基线矢量，通过求解三条测量基线矢量的载波相位双差分值，解算测量基线载波相位双差的整周模糊度，由测量基线矢量在地理坐标系下的表示形式，进而获取载体航向角和俯仰角。
进一步，所述三条相交的基线矢量的构造方法为：主测量基线与载体行进方向平行，两条辅助测量基线与主测量基线长度相同，分别与主测量基线向量成
Figure BDA0002384773600000011
和
Figure BDA0002384773600000012
布设，三条测量基线相交于主测量测量基线的几何中心。
进一步，所述整周模糊度的计算过程为：
S1，设主测量基线矢量、量辅助测量基线矢量在导航坐标系中分别为向量A1、向量A2和A3，且
Figure BDA0002384773600000013
其中：
Figure BDA0002384773600000014
为载体坐标系下主测量基线向量至辅助测量基线向量的旋转矩阵，ξ＝1、2，
Figure BDA0002384773600000015
为主测量基线矢量在载体坐标系的向量表示，
Figure BDA0002384773600000016
为载体坐标系到导航坐标系的旋转矩阵；
S2，三条测量基线向量的载波相位双差分值之和为：
Figure BDA0002384773600000021
其中：
Figure BDA0002384773600000022
为GNSS双天线载波相位双差值，λ为GNSS载波波长，Gi、Gj分别为地理坐标系下GNSS测量天线至第Si、Sj颗卫星的单位向量，载波相位双差的浮点模糊度值
Figure BDA0002384773600000023
Figure BDA0002384773600000024
为GNSS双天线载波相位双差值的整周模糊度，α1、α2分别为两条辅助测量基线与主测量基线的夹角，I为三阶单位矩阵；当
Figure BDA0002384773600000025
时，
Figure BDA0002384773600000026
不考虑
Figure BDA0002384773600000027
的z轴向变换，可得
Figure BDA0002384773600000028
对
Figure BDA0002384773600000029
取整，即得测量基线载波相位双差的整周模糊度。
进一步，所述测量基线矢量在地理坐标系下的表示形式采用最小二乘算法计算。
进一步，所述载体航向角φ＝tan-1(x，y)，其中x、y、z为导航坐标系下测量基线向量坐标。
更进一步，所述载体俯仰角
Figure BDA00023847736000000210
一种六天线短基线GNSS快速定向装置，包括六个GNSS测量天线、三台双天线定位接收机、微惯性测量单元、FPGA采集模块以及DSP导航解算模块，两个GNSS测量天线与一台双天线定位接收机连接，双天线定位接收机将载波相位双差分值传送给FPGA采集模块，微惯性测量单元将测量值传送至FPGA采集模块，FPGA采集模块再将数据传输给DSP导航解算模块进行航向角、俯仰角求解；还包括为GNSS测量天线、双天线定位接收机、微惯性测量单元、FPGA采集模块以及DSP导航解算模块提供恒流稳压电源的电源管理模块。
本发明提供的一种六天线短基线GNSS快速定向装置及方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
(1)本发明利用两条辅助测量基线矢量相对主测量基线矢量旋转变换矩阵的对称性，基于双天线载波相位双差分值快速获取基线向量的整周模糊度，在观测卫星数量为4的情况下即可计算载体的航向角与俯仰角，定向速度快、定向精度高。
(2)本发明基于FPGA采集模块实现三台双天线定位接收机载波相位双差分值同步采集，并与DSP导航解算模块一起构建了快速定向装置，提高了基于GNSS短基线定向系统的集成化水平。
附图说明
图1为本发明六天线短基线GNSS快速定向装置的结构图；
图2为本发明六天线短基线的安装布局示意图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
如图1所示，一种六天线短基线GNSS快速定向装置，包括六个GNSS测量天线、三台双天线定位接收机、电源管理模块、微惯性测量单元(MIMU)、FPGA采集模块以及DSP导航解算模块；电源管理模块为定向装置各部分提供恒流稳压电源，两个GNSS测量天线与一台双天线定位接收机连接，双天线定位接收机输出载波相位双差分值通过数据缓冲模块传送给FPGA采集模块，MIMU将测量值(包括载体角速度和线加速度，与GNSS定位输出组合计算载体坐标系到导航坐标系的旋转矩阵
Figure BDA0002384773600000031
)通过SPI串行口传送数据至FPGA采集模块，FPGA采集模块再将载波相位双差分值传输给DSP导航解算模块进行航向角、俯仰角解算。六个GNSS测量天线两个一组构建三条测量基线矢量，每两个GNSS测量天线中一个为主天线、另一个为从天线，且主天线和从天线在同一平面内。
一种六天线短基线GNSS快速定向方法，具体包括以下步骤：
步骤(1)，在平面内布设三条相交的短基线
如图2所示，载体坐标系的y轴沿载体行进方向，z轴垂直于测量基线安装平面指向天空，x轴与y、z轴满足右手坐标系；主测量基线矢量的主天线和从天线沿载体行进方向布设，从天线在前、主天线在后，两条辅助测量基线矢量与主基线矢量的长度相同，分别与主测量基线向量成α1和α2布设，三条测量基线相交于主测量基线矢量的几何中心。设定
Figure BDA0002384773600000032
Figure BDA0002384773600000033
用于构造公式(9)。
步骤(2)，测量基线整周模糊度的快速计算
步骤(2.1)，计算载体坐标系下三条测量基线矢量的关系
设主测量基线矢量在导航坐标系中为向量A1，与主测量基线矢量成α1的第一辅助测量基线矢量为向量A2，与主测量基线矢量成α2的第二辅助测量基线矢量为向量A3，三者的关系为：
Figure BDA0002384773600000041
Figure BDA0002384773600000042
Figure BDA0002384773600000043
其中：
Figure BDA0002384773600000044
为载体坐标系下主测量基线向量至辅助测量基线向量的旋转矩阵；ξ＝1、2，用于标识两条辅助测量基线；
Figure BDA0002384773600000045
为主测量基线在载体坐标系的向量表示；
Figure BDA0002384773600000046
为载体坐标系到导航坐标系(取地理坐标系)的旋转矩阵。
步骤(2.2)，获取测量基线向量载波相位双差的整周模糊度
双天线载波相位双差的数学模型为：
Figure BDA0002384773600000047
其中：Gi、Gj分别为地理坐标系下GNSS测量天线至第Si、Sj颗卫星的单位向量，A为地理坐标系的测量基线向量，λ为GNSS载波波长，
Figure BDA0002384773600000048
为GNSS双天线载波相位双差值，
Figure BDA0002384773600000049
为GNSS双天线载波相位双差值的整周模糊度，
Figure BDA00023847736000000410
为GNSS双天线载波相位测量噪声的双差值。
步骤(2.3)，计算测量基线向量整周模糊度
由于六个GNSS测量天线位置相近，因此它们至卫星Si、Sj的单位向量相同，将公式(1)-(3)代入公式(4)，得到三条测量基线向量的载波相位双差分值分别为：
Figure BDA0002384773600000051
Figure BDA0002384773600000052
Figure BDA0002384773600000053
其中：
Figure BDA0002384773600000054
表示载波相位双差的浮点模糊度值，将公式(5)-(7)相加，得到：
Figure BDA0002384773600000055
其中：I为三阶单位矩阵，当
Figure BDA0002384773600000056
时，有：
Figure BDA0002384773600000057
由于载体坐标系下测量基线矢量两天线位于同一平面内，不考虑
Figure BDA0002384773600000058
的z轴向变换，因此由式(8)可得
Figure BDA0002384773600000059
由于
Figure BDA00023847736000000510
数值较小，为小数，对
Figure BDA00023847736000000511
取整，即得测量基线载波相位双差的整周模糊度。
步骤(3)，测量基线向量的最小二乘计算
当可观测卫星数量大于4或等于4时，存在如下方程：
ΦTA＝-λ·K (10)
其中：
Figure BDA00023847736000000512
采用最小二乘算法，可得测量基线向量A＝-λ(ΦTΦ)-1ΦTK。
步骤(4)，航向角与俯仰角的计算
设在地理坐标系下求得测量基线向量A＝(x，y，z)，则载体航向角和俯仰角的计算公式具体为：
航向角：
φ＝tan-1(x/y) (11)
俯仰角：
Figure BDA0002384773600000061
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种六天线短基线GNSS快速定向方法，其特征在于，六个GNSS测量天线构造三条相交的测量基线矢量，通过求解三条测量基线矢量的载波相位双差分值，解算测量基线载波相位双差的整周模糊度，由测量基线矢量在地理坐标系下的表示形式，进而获取载体航向角和俯仰角；
所述三条相交的测量基线矢量的构造方法为：主测量基线与载体行进方向平行，两条辅助测量基线与主测量基线长度相同，分别与主测量基线矢量成
Figure FDA0003722864560000011
和
Figure FDA0003722864560000012
布设，三条测量基线相交于主测量基线的几何中心；
所述整周模糊度的计算过程为：
S1，设主测量基线矢量、辅助测量基线矢量在导航坐标系中分别为向量A1、向量A2和A3，且
Figure FDA0003722864560000013
其中：
Figure FDA0003722864560000014
为载体坐标系下主测量基线矢量至辅助测量基线矢量的旋转矩阵，ξ＝1、2，
Figure FDA0003722864560000015
为主测量基线矢量在载体坐标系的向量表示，
Figure FDA0003722864560000016
为载体坐标系到导航坐标系的旋转矩阵；
S2，三条测量基线矢量的载波相位双差分值之和为：
Figure FDA0003722864560000017
其中：
Figure FDA0003722864560000018
为GNSS双天线载波相位双差值，λ为GNSS载波波长，Gi、Gj分别为地理坐标系下GNSS测量天线至第Si、Sj颗卫星的单位向量，载波相位双差的浮点模糊度值
Figure FDA0003722864560000019
Figure FDA00037228645600000115
为GNSS双天线载波相位双差值的整周模糊度，α1、α2分别为两条辅助测量基线与主测量基线的夹角，I为三阶单位矩阵；当
Figure FDA00037228645600000110
时，
Figure FDA00037228645600000111
不考虑
Figure FDA00037228645600000112
的z轴向变换，可得
Figure FDA00037228645600000113
对
Figure FDA00037228645600000114
取整，即得测量基线载波相位双差的整周模糊度。
2.根据权利要求1所述的六天线短基线GNSS快速定向方法，其特征在于，所述测量基线矢量在地理坐标系下的表示形式采用最小二乘算法计算。
3.根据权利要求1所述的六天线短基线GNSS快速定向方法，其特征在于，所述载体航向角φ＝tan-1(x/y)，其中x、y、z为导航坐标系下测量基线矢量坐标。
4.根据权利要求3所述的六天线短基线GNSS快速定向方法，其特征在于，所述载体俯仰角
Figure FDA0003722864560000021
5.一种采用权利要求1-4任意一项所述的六天线短基线GNSS快速定向方法的六天线短基线GNSS快速定向装置，其特征在于，包括六个GNSS测量天线、三台双天线定位接收机、微惯性测量单元、FPGA采集模块以及DSP导航解算模块，两个GNSS测量天线与一台双天线定位接收机连接，双天线定位接收机将载波相位双差分值传送给FPGA采集模块，微惯性测量单元将测量值传送至FPGA采集模块，FPGA采集模块再将数据传输给DSP导航解算模块进行航向角、俯仰角求解。
6.根据权利要求5所述的六天线短基线GNSS快速定向装置，其特征在于，还包括为GNSS测量天线、双天线定位接收机、微惯性测量单元、FPGA采集模块以及DSP导航解算模块提供恒流稳压电源的电源管理模块。
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