CN111505694A - 一种面向机载的bds-3三天线阵多频点测姿方法 - Google Patents

一种面向机载的bds-3三天线阵多频点测姿方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111505694A
CN111505694A CN202010375391.0A CN202010375391A CN111505694A CN 111505694 A CN111505694 A CN 111505694A CN 202010375391 A CN202010375391 A CN 202010375391A CN 111505694 A CN111505694 A CN 111505694A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ambiguity
satellite
satellites
fixed
cycle slip
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010375391.0A
Other languages
English (en)
Inventor
许政�
牟明
郭强
赵文
葛腾飞
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Avic Airborne System General Technology Co Ltd
Original Assignee
Avic Airborne System General Technology Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Avic Airborne System General Technology Co Ltd filed Critical Avic Airborne System General Technology Co Ltd
Priority to CN202010375391.0A priority Critical patent/CN111505694A/zh
Publication of CN111505694A publication Critical patent/CN111505694A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/53—Determining attitude
    • G01S19/54—Determining attitude using carrier phase measurements; using long or short baseline interferometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S19/00—Satellite radio beacon positioning systems; Determining position, velocity or attitude using signals transmitted by such systems
    • G01S19/38—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system
    • G01S19/39—Determining a navigation solution using signals transmitted by a satellite radio beacon positioning system the satellite radio beacon positioning system transmitting time-stamped messages, e.g. GPS [Global Positioning System], GLONASS [Global Orbiting Navigation Satellite System] or GALILEO
    • G01S19/53—Determining attitude
    • G01S19/54—Determining attitude using carrier phase measurements; using long or short baseline interferometry
    • G01S19/55—Carrier phase ambiguity resolution; Floating ambiguity; LAMBDA [Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment] method

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Position Fixing By Use Of Radio Waves (AREA)

Abstract

一种面向机载的BDS‑3三天线阵多频点测姿方法。涉及机载导航定位定向领域，尤其涉及一种面向机载的北斗三号系统三天线阵多频点测姿方法。提供了一种通过宽巷化技术、周跳探测和修复方法、整周模糊度实施解算方法以及最小二乘模糊度去相关算法，获得三天线相对坐标，实现BDS‑3测姿的面向机载的BDS‑3三天线阵多频点测姿方法。本发明过码伪距与相位伪距组合、MW组合、电离层残差组合和卡尔曼滤波的周跳探测与修复技术，提高测姿的可靠性和稳定性，从而满足当今机载设备的使用要求。

Description

一种面向机载的BDS-3三天线阵多频点测姿方法
技术领域
本发明涉及机载导航定位定向领域，尤其涉及一种面向机载的北斗三号系统三天线阵多频点测姿方法。
背景技术
随着BDS-3(BeiDou Global Navigation Satellite System，BDS-3)全球组网系统即将部署完成，覆盖范围由现在北斗二号覆盖的亚太区域扩展至全球范围，北斗产品将更好应用于机载设备，利用BDS-3卫星系统进行测姿成为机载导航领域的研究热点之一。
目前用于机载导航定位的常用组合导航系统基本组成包括惯性测量装置、GPS/GLONASS接收机及天线、计算机、电子设备和安装部件组成。绝大部分的飞机姿态测量都是通过机载惯性测量装置进行。惯性导航系统，具有能够不依赖外界信息，完全独立自主地提供多种高精度的导航位置参数、速度和姿态的优点，具有抗电子辐射干扰、大机动飞行、隐蔽性好等特点。然而，它的系统精度主要取决于惯性测量器件陀螺仪和加速度计，导航参数的误差尤其是位置误差随时间而积累，不适合长时间的单独导航，并且捷联惯导对传感器精度要求高，同时捷联惯导无法克服陀螺随时间漂移这一缺点。
北斗导航具有GPS和伽利略系统的功能、短报文通信功能，且具备精度高、成本低且精度不会随着时间减弱等优点，在机载导航领域的某些场景下结合甚至取代单纯惯性导航设备成为发展趋势，以弥补惯导带来误差累积的不足。国内对机载领域北斗导航系统研究力度不断加强，但大多数研究仅限于对北斗伪距单点定位性能分析，很少有文献对北斗测姿精度进行深入分析。
发明内容
本发明针对以上问题，提供了一种通过宽巷化技术、周跳探测和修复方法、整周模糊度实施解算方法以及最小二乘模糊度去相关算法，获得三天线相对坐标，实现BDS-3测姿的面向机载的BDS-3三天线阵多频点测姿方法。
本发明的技术方案为：包括以下步骤：
步骤1：BDS-3接收机分别获取三个天线同步观测的北斗载波相位观测量、伪距观测量以及卫星轨道参数；选取其中一个天线作为主天线，另外两个天线作为从天线；选取其中一主一从天线作为当前两个天线；
步骤2：根据主天线的卫星轨道参数实时计算卫星位置；
步骤3：分别根据当前两个天线的伪距观测量和卫星位置进行单点定位计算，得到当前两个天线的概略位置和高度角信息；
步骤4：分别对当前两个天线中含粗差的伪距观测量进行剔除；
步骤5：利用卫星位置以及两个天线概略位置，分别对当前两个天线的载波相位观测量进行历元间的周跳探测与修复；
步骤6：根据载噪比门限，选出高于载噪比门限的卫星，将满足条件的卫星按照高度角大小排序，选取高度角最高的卫星作为参考星；
步骤7：根据步骤6中参考星的选取结果，建立双差伪距观测模型；
步骤8：根据步骤6中参考星的选取结果，建立载波相位双差观测模型；
步骤9：根据步骤7和步骤8，建立伪距和载波的双差组合观测模型并线性化；
步骤10：根据参与解算的卫星高度角大小，进行定权处理；
步骤11：根据步骤10和宽巷的组合系数(1，-1),组建宽巷观测方程；
步骤12：结合步骤11中的观测方程，利用加权最小二乘平差算法进行迭代计算，直至计算得到的改正数方差小于设定限差且迭代次数达到设定值，迭代完成，得到浮点解的估计量和协方差；
步骤13：基于步骤12中的浮点解的解算信息，利用LAMBDA算法，进行宽巷模糊度的快速搜索；
步骤14：根据与Ratio值预先设置的阈值和成功率比较判断固定是否正确；若正确，则进行B1C频点的快速模糊度固定，以同样的方式进行正确性判断；
步骤15：宽巷模糊度和B1C频点的模糊度固定成功后，确定B2a频点的整周模糊度；
步骤16：根据固定的模糊度，确定出当前两个天线对应基线的固定解，否则输出浮点解，结束本流程；
步骤17：判断三条基线的固定解是否解算完成，如果是，则执行步骤18，否则选取主天线和另外一个从天线作为当前两个天线，返回步骤2，直至三条基线的固定解解算完成；
步骤18：根据东北天坐标系与CGCS2000大地坐标系之间的转换关系计算得到载体的姿态角；
步骤19:北斗姿态解算完成。
步骤5中的周跳探测和修复，包括以下方法步骤：
步骤5.1：利用伪代码与相位伪距组合方法分析输入的观测信息，如果观测到周跳，则跳至步骤5.4，若未观测到周跳，则进入步骤5.2；
步骤5.2：利用MW组合方法分析观测信息，如果观测到周跳，则跳至步骤5.4，若未观测到周跳，则进入步骤5.3；
步骤5.3：利用电离层残差法分析观测信息，如果观测到周跳，则进入步骤5.4，若未观测到周跳，则跳至步骤5.5；
步骤5.4：对观测到的周跳进行卡尔曼滤波周跳修复；
步骤5.5：未发生周跳，直接进入下一步解算。
步骤13和步骤14包括以下方法步骤：
步骤a：LAMBDA算法解算宽巷载波整周模糊度；
步骤b：判断解算结果是否满足Ratio值和成功率大于设定的阈值，判断模糊度是否固定正确；
步骤c：LAMBDA算法解算B1C载波整周模糊度；
步骤d：判断解算结果是否满足Ratio值和成功率大于设定的阈值，判断模糊度是否固定正确；
步骤e：通过宽巷载波整周模糊度和B1C载波整周模糊度，得到B2a载波整周模糊度。
步骤16和步骤17中，
在模糊度首次固定成功后，根据固定的模糊度确定出本地坐标改正量的固定解；后续历元分四种情况，对已固定成功的模糊度进行组合得到本地坐标改正量的固定解；
I：卫星未发生变化；直接使用已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号；
II：卫星减少时；卫星减少时，删去减少的卫星对应的模糊度值，利用剩余卫星已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号；
III：卫星增加时；参与的卫星增加时，新增卫星放置于参与解算卫星的最后，将所有卫星的模糊度重新搜索，比较非新增卫星前后历元解算的模糊度值；
若不一致，则本次解算失败，保存之前历元固定正确的模糊度值和对应的卫星号；
若一致，则使用已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号；
IV：参考卫星变换时；当参考星变化时，重新组成双差观测模型，将所有卫星的模糊度重新搜索，使用已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号。
步骤18中，姿态角的计算方法如下：
解算出基线向量后，其对应的坐标系统是CGCS2000坐标系，需要完成平移和旋转两个步骤，转化为东北天坐标系；那么相应于X轴、Y轴、Z轴的坐标旋转矩阵为：
Figure BDA0002479788620000041
以上三个旋转角为欧拉角，选用与航天器姿态变换矩阵同样的坐标变换次序，三个欧拉角的旋转次序为3-1-2，相应的欧拉角称为偏航角、俯仰角、横滚角，那么这个姿态变换矩阵为：
Figure BDA0002479788620000042
可得偏航角、俯仰角和横滚角。
本发明基于BDS-3提出了一种面向机载的三天线阵多频点测姿方法，采用BDS-3的B1C和B2a等民用频点，可以提高观测量的精度，从而提升载波浮点解的精度，保证了载波固定解的成功率和正确率。测姿流程中基于多频点的宽巷化技术可使得模糊度固定更加有利，从而提高多频点模糊度固定的正确性；而通过最小二乘的方式可以单历元固定模糊度，解算的步骤得到了简化，以保证算法较强的动态实时性；通过码伪距与相位伪距组合、MW组合、电离层残差组合和卡尔曼滤波的周跳探测与修复技术，提高测姿的可靠性和稳定性，从而满足当今机载设备的使用要求。
附图说明
图1是本发明的流程图，
图2是本发明中周跳探测和修复方法的流程图，
图3是本发明中BDS-3系统的三天线阵多频点测姿接收机的框架图。
具体实施方式
本发明如图1-3所示，包括以下步骤：
步骤1：BDS-3接收机分别获取三个天线同步观测的北斗载波相位观测量、伪距观测量以及卫星轨道参数；选取其中一个天线作为主天线，另外两个天线作为从天线；选取其中一主一从天线作为当前两个天线；
步骤2：根据主天线的卫星轨道参数实时计算卫星位置；
步骤3：分别根据当前两个天线的伪距观测量和卫星位置进行单点定位计算，得到当前两个天线的概略位置(10米级精度)和高度角信息；
步骤4：分别对当前两个天线中含粗差的伪距观测量进行剔除；这样，可提高步骤12中解算得到的浮点解的估计量和协方差的精度；
步骤5：利用卫星位置以及两个天线概略位置，分别对当前两个天线的载波相位观测量进行历元间的周跳探测与修复；
这样，保证步骤17使用固定解解算基线的精度；
若接收机发生周跳未探测出，会导致步骤17解算基线时不能获得正确的结果，严重影响测姿精度；
若能够对接收机发生的周跳探测出并加以修复，既能保证基线的精度，又无需重新固定模糊度，可以保障系统工作的实时性和可靠性。
步骤6：根据载噪比门限，选出高于载噪比门限的卫星，将满足条件的卫星按照高度角大小排序，选取高度角最高的卫星作为参考星；
剔除载噪比门限以下的卫星作用是：这类卫星观测值中包含的误差因子大，会降低步骤12解算得到的浮点解估计量和协方差的精度；
选取高度角最高的卫星作为参考星的作用是：高度角最高的卫星提供的观测值中的误差因子相对较小，且可观测时间较长，适合用作双差模型的参考星；
步骤7：根据步骤6中参考星的选取结果，建立双差伪距观测模型；
步骤7-9以B1C频点为例，B2a同理；该模型利用北斗卫星接收机在同一时刻主从天线对两颗卫星的伪距观测值的单差进行差分，以解算浮点解的估计量和协方差，该方法步骤如下：
首先建立主天线和从天线的伪距观测方程：
Figure BDA0002479788620000051
式中，
Figure BDA0002479788620000052
和
Figure BDA0002479788620000053
为接收机主天线和从天线与卫星i的伪距，A代指主天线，B代指从天线，i为卫星编号，r为接收机的天线与卫星的几何距离，δtu为接收机钟差，δt(s)为卫星钟差，c为光速(2.9979×108m/s)，I为电离层延时误差，T为对流层延时误差，ερ为伪距观测噪声及其他非模型化误差。
然后，主天线和从天线分别对卫星j、k作单差，可以消除伪距观测量中的误差因子，单差伪距观测方程：
Figure BDA0002479788620000054
式中，Δ为单差算子。
然后，主天线和从天线同时对卫星j，k作单差，进一步消除伪距观测量中的误差因子，组成双差伪距观测方程
Figure BDA0002479788620000055
式中，Δ▽为双差算子。
步骤8：根据步骤6中参考星的选取结果，建立载波相位双差观测模型；
该模型利用北斗卫星接收机在同一时刻主从天线对两颗卫星的载波相位观测值的单差进行差分，以解算浮点解的估计量和协方差。
首先建立主天线和从天线的载波相位观测方程：
Figure BDA0002479788620000061
式中，
Figure BDA0002479788620000066
和
Figure BDA0002479788620000067
为主天线和从天线对卫星i载波相位的测量值，f为观测信号的频点，A代指主天线，B代指从天线，i为卫星编号，r为接收机天线与卫星的几何距离，δtu为接收机钟差，δt(s)为卫星钟差，c为光速(2.9979×108m/s)，I为电离层延时误差，T为对流层延时误差，
Figure BDA0002479788620000062
和
Figure BDA0002479788620000063
为主天线和从天线对卫星i载波相位测量值的整周模糊度，εφ为载波观测噪声及其他非模型化误差。
然后，主天线和从天线分别对卫星j、k作单差，可以消除载波观测量中的误差因子，单差载波相位观测方程：
Figure BDA0002479788620000064
式中，Δ为单差算子。
然后，主天线和从天线同时对卫星j，k作单差，进一步消除载波相位观测量中的误差因子，组成双差载波相位观测方程
Figure BDA0002479788620000065
式中，Δ▽为双差算子。
步骤9：根据步骤7和步骤8，建立伪距和载波的双差组合观测模型并线性化；该模型利用北斗卫星接收机在同一时刻主从天线对两颗卫星的伪距和载波相位观测值的双差模型组合，一阶泰勒展开后线性化后即可采用加权最小二乘平差算法以解算浮点解的估计量和协方差。
Figure BDA0002479788620000071
式中的
Figure BDA0002479788620000072
分别为载波和伪距对应观测值的双差改正量矩阵，
Figure BDA0002479788620000073
分别为载波和伪距对应于待估位置改正数
Figure BDA0002479788620000074
的系数阵，λS为对应于待估载波整周模糊度参数
Figure BDA0002479788620000075
的系数阵，
Figure BDA0002479788620000076
和
Figure BDA0002479788620000077
分别为载波和伪距对应双差观测值的常数矩阵。
步骤10：根据参与解算的卫星高度角大小，进行定权处理；
高度角越高，认为观测值中的误差因子越小，定的权值越高，加权最小二乘平差算法解算时的观测值置信度越高；
步骤11：根据步骤10和宽巷的组合系数(1，-1),则宽巷载波观测值为：
φw＝φB1C-φB2a
式中，φB1C、φB2a分别为B1C和B2a频点的双差载波相位测量值，φw是组合后的宽巷双差载波相位测量值。
组建B1C和B2a的双差宽巷观测值的观测方程为：
Figure BDA0002479788620000078
式中，fw为宽巷的频点398.97MHz，c为光速(2.9979×108m/s)，Nw为宽巷整周模糊度，εφw为宽巷载波观测噪声及其他非模型化误差。
步骤12：结合步骤11中的观测方程，利用加权最小二乘平差算法进行迭代计算，直至计算得到的改正数方差小于设定限差且迭代次数达到设定值，迭代完成，得到浮点解的估计量和协方差；
通过加权最小二乘平差算法，计算量小，单历元解算实时性好；
步骤13：基于步骤12中的浮点解的解算信息，利用LAMBDA算法，进行宽巷模糊度的快速搜索；
步骤14：根据与Ratio值预先设置的阈值和成功率比较判断固定是否正确；若正确，则进行B1C频点的快速模糊度固定，以同样的方式进行正确性判断；
步骤15：宽巷模糊度和B1C频点的模糊度固定成功后，确定B2a频点的整周模糊度；
N2＝N1-N
式中，N为宽巷模糊度，N1为B1C的模糊度，N2为B2a的模糊度。
步骤16：根据固定的模糊度，确定出当前两个天线对应基线的固定解，否则输出浮点解，结束本流程；
步骤17：判断三条基线的固定解是否解算完成，如果是，则执行步骤18，否则选取主天线和另外一个从天线作为当前两个天线，返回步骤2，直至三条基线的固定解解算完成；
步骤18：根据东北天(ENU)坐标系与CGCS2000大地坐标系之间的转换关系计算得到载体的姿态角；
步骤19:北斗姿态解算完成。
步骤5中的周跳探测和修复，包括以下方法步骤：
步骤5.1：利用伪代码与相位伪距组合方法分析输入的观测信息，如果观测到周跳，则跳至步骤5.4，若未观测到周跳，则进入步骤5.2；
步骤5.2：利用MW组合方法分析观测信息，如果观测到周跳，则跳至步骤5.4，若未观测到周跳，则进入步骤5.3；
步骤5.3：利用电离层残差法分析观测信息，如果观测到周跳，则进入步骤5.4，若未观测到周跳，则跳至步骤5.5；
步骤5.4：对观测到的周跳进行卡尔曼滤波周跳修复；
步骤5.5：未发生周跳，直接进入下一步解算。
对于输入的观测信息进行周跳探测及修复，采用码伪距与相位伪距组合、MW组合、电离层残差组合以及卡尔曼滤波。
其中，采用的码伪距与相位伪距组合、MW组合、电离层残差组合以及卡尔曼滤波修复等方法详述如下：
1、码伪距与相位伪距组合
省略观测噪声、对流层和多路径等误差项，载波和伪距基本观测方程见式(1)和式(2)
Figure BDA0002479788620000081
Figure BDA0002479788620000082
式中：
Figure BDA0002479788620000083
表示载波相位观测值；r和s表示接收机和卫星；D代表码伪距观测值；λ表示载波波长；ΔIono表示电离层参数；
Figure BDA0002479788620000084
表示卫星至接收机的几何距离；c表示光速；
Figure BDA0002479788620000085
为钟差之差(接收机钟和卫星钟各自相对于GPS时间的钟差之差)；N表示载波相位模糊度；省略号省略的是观测噪声、对流层和多路径等误差项。
对式(1)与式(2)增加频率下标相减可得式(3)。
Figure BDA0002479788620000091
式中：等式右面消除了与时间相关的项(除电离层延迟项)。因此码伪距与相位伪距的组合观测值也可作为周跳探测的检测量。将式(3)两式相减且在历元间求差，由于两个相邻的历元的电离层延迟和多路径效应变化较小，因此可得t时刻周跳估值
Figure BDA0002479788620000092
见式(4)。
Figure BDA0002479788620000093
B1C和B2a的载波相应波长分别为λ1＝0.190m，λ2＝0.255cm，其测量精度可达毫米级，因此伪距测量误差是影响该组合周跳探测和修复的主要因素，该检测量与噪声水平有关，本方法采用了双频码伪距与相位伪距组合值，传统单频码伪距与相位伪距组合，根据上述的测距精度运用误差传播定律可得噪声水平大约在5周范围内，该噪声主要来源于测距码的噪声，另外也包含一部分电离层噪声，而采用双频组合后，噪声大大缩小，同时对小的周跳也能探测出，但是如果B1C、B2a频点同时发生相同的周跳，该方法无法检验处周跳。
2、MW组合
MW组合是利用超宽巷相位与窄巷伪距的差值组成组合观测值，见式(5)。
Figure BDA0002479788620000094
对于MW组合，对Nσ从第一个历元至第i个历元的i个Nσ的均值<Nσ>i及方差
Figure BDA0002479788620000095
可采用递推式，见式(6)和式(7)。
Figure BDA0002479788620000096
Figure BDA0002479788620000097
式中：<Nσ>i为i个历元的模糊度互差Nσ平均值；
Figure BDA0002479788620000098
为第i个历元的模糊度互差；
Figure BDA0002479788620000099
为i个历元的模糊度互差Nσ的方差。
如果探测第i+1个历元，先计算前面i个历元宽项模糊度
Figure BDA00024797886200000910
将其与预测值
Figure BDA00024797886200000911
进行比较。对式(3)进行历元间差分，有ΔNσ＝ΔN1-ΔN2。满足方程式(8)。
Figure BDA0002479788620000101
就认为第i+1个历元的载波相位观测值中存在周跳；不满足，则认为没有周跳。当出现周跳时，标记处该颗卫星出现的历元，重新进行初始化，重复上诉过程。但是当两个频率出等周跳时，该方法无法探测出周跳。本发明综合考虑码伪距与相位伪距组合和电离层残差法采用前后两个历元差值作为检测量，因此该方法也采用前后历元组合值差值作为检测量与其他两种方法保持一致，MW组合不仅消除了几何距离和绝大部分电离层延迟的影响，而且具有较长的组合波长，能够有效探测出北斗双频数据中包括不敏感周跳在内的所有周跳组合，但是如果B1C、B2a频点同时发生相同的周跳，该方法无法检验出周跳估值。
3、电离层残差组合
美国学者Goad于1986年提出电离层残差法，该方法主要考察不同历元间电离层残差的变化，在不考虑其它误差，仅顾及电离层延迟残差情况下，则B1C、B2a在观测历元为t时刻可表示为式(9)
Figure BDA0002479788620000102
式中：b为与时间相关的电离层变量，将式(9)中的第一式乘f2、第二式乘f1，得到的两式相减后的式两边除以f2可得式(10)
Figure BDA0002479788620000103
对于正常的电离层条件，如果没有发生周跳，电离层残差随时间的变化是很小的。周跳就是在连续的电离层残差值中的突然跳变，剩下的问题就是要确定周跳发生在f1或f2上，还是两个频率载波相位数据上都存在周跳。
假设由周跳引起的模糊度变化量为ΔN1和ΔN2，如果在电离层残差组合中探测到ΔN周跳，实际过程中需要考虑到观测噪声的影响，相位观测值噪声的简化模型为式(11)
Figure BDA0002479788620000104
数值ΔN来自于两个连续的电离层残差，有式(12)
Figure BDA0002479788620000105
应用传播误差定律，可得
Figure BDA0002479788620000111
3σΔN误差大约相当于0.07周，这个值可以当成是ΔN。由此根据式(10)得到的ΔN和任意两个整数ΔN1和ΔN2得到的ΔN一定相差至少0.07周以上，才能实现分离，该方法只需要载波相位观测数据，对于4周以内的周跳可以有效探测并分离周跳值，但是该方法需要解决周跳解多值性问题。
4、卡尔曼滤波
卡尔曼滤波能够通过高效的计算方法平滑、滤波和预测量测值，它利用系统噪声和观测噪声的统计特性，以系统观测量为输入，估计值为输出，由时间更新方程和观测更新方程把输入与输出联系在一起，因此卡尔曼滤波方法在平稳随机过程、非平稳或者多维的随机过程中都适用，它的应用范围十分广泛；而且卡尔曼滤波的基本方程是递推的形式，是不断“预测～修正”的过程，在求解过程中不需要存储大量的数据，当观测到新的数据，就可以随时算出新的滤波值，因此卡尔曼滤波非常适合实时处理及计算机实现；同时卡尔曼滤波的求解可预先离线计算，这样可以减少实时的计算量。
卡尔曼滤波能够排除信号观测量中的干扰，根据状态方程和量测方程估计出需要处理的信号。可以把周跳看作载波相位观测量中的一种干扰，结合量测值得到最佳的周跳估计值，因此可以用卡尔曼滤波法对周跳进行探测与修复，以排除周跳对载波相位观测量的干扰。
利用卡尔曼滤波法对周跳进行探测与修复中，把周跳看作是载波相位观测值中的噪声，根据卡尔曼滤波的基本原理建立理论模型。
卡尔曼滤波法探测与修复周跳的步骤如下：
(1)构建理论模型
t1时刻的状态向量记为
Figure BDA0002479788620000112
量测值对应载波相位观测值，记做Zk，则动态模型如下所示：
Xk＝φXk-1+Γwk-1 (14)
式中wk-1为模型误差。
Figure BDA0002479788620000113
其中T为历元的采样间隔。
观测方程如下所示：
Zk＝HXk+Vk,H＝[1 0 0 0] (16)
(2)计算初值
Figure BDA0002479788620000121
和P0
(3)计算预报值Xk,k-1
(4)计算预测误差方差阵Pk,k-1
(5)计算增益矩阵Kk和预报残差Vk
(6)判断周跳。如果|Vk|＜μ，则继续执行下一步，否则，先修复周跳，然后再继续执行下一步。其中μ为检验周跳的门限值
(7)计算滤波值
Figure BDA0002479788620000122
和估计误差方差阵Pk
(8)返回第(3)步骤，循环执行，直到修复所有周跳。
步骤13和步骤14包括以下方法步骤：
步骤a：LAMBDA算法解算宽巷载波整周模糊度，由于LAMBDA算法是已有的现成方法，这里不做详细说明；
步骤b：判断解算结果是否满足Ratio(次优模糊度组残差二次型与最优模糊度组残差二次型)值和成功率大于设定的阈值，判断模糊度是否固定正确；
步骤c：LAMBDA算法解算B1C载波整周模糊度；
步骤d：判断解算结果是否满足Ratio(次优模糊度组残差二次型与最优模糊度组残差二次型)值和成功率大于设定的阈值，判断模糊度是否固定正确；
步骤e：通过宽巷载波整周模糊度和B1C载波整周模糊度，得到B2a载波整周模糊度。
宽巷的波长比B1C和B2a长，波长越长，整周模糊度固定越快，正确性越高。波长越长，越容易固定模糊度，通过对B1C(1575.42MHz)频点和B2a(1176.45MHz)频点信号测量值线性组合，创造出具有长波长的组合测量值，即宽巷化技术。B1C(1575.42MHz)频点和B2a(1176.45MHz)频点的波长分别为0.190m、0.255m，采用宽巷的组合系数(1，-1)，则宽巷化后对应的波长为0.751m，更利于整周模糊度的固定。
步骤16和步骤17中，
在模糊度首次固定成功后，根据固定的模糊度确定出本地坐标改正量的固定解；后续历元分四种情况，对已固定成功的模糊度进行组合得到本地坐标改正量的固定解；
I：卫星未发生变化；直接使用已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号；
II：卫星减少时；卫星减少时，删去减少的卫星对应的模糊度值，利用剩余卫星已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号；
III：卫星增加时；参与的卫星增加时，新增卫星放置于参与解算卫星的最后，将所有卫星的模糊度重新搜索，比较非新增卫星前后历元解算的模糊度值；
若不一致，则本次解算失败，保存之前历元固定正确的模糊度值和对应的卫星号；
若一致，则使用已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号；
IV：参考卫星变换时；当参考星变化时，重新组成双差观测模型，将所有卫星的模糊度重新搜索，使用已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号。
这样，保证载波整周模糊度固定解的正确性，以及基线的正确性，从而保障解算得到的测姿精度
步骤18中，姿态角的计算方法如下：
解算出基线向量后，其对应的坐标系统是CGCS2000坐标系，需要完成平移和旋转两个步骤，转化为东北天坐标系；那么相应于X轴、Y轴、Z轴的坐标旋转矩阵为：
Figure BDA0002479788620000131
以上三个旋转角为欧拉角，选用与国际上航天器姿态变换矩阵同样的坐标变换次序，三个欧拉角的旋转次序为3-1-2，相应的欧拉角称为偏航角、俯仰角、横滚角，那么这个姿态变换矩阵为：
Figure BDA0002479788620000132
可得偏航角、俯仰角和横滚角。
本发明在应用中，基于北斗三号的多频三天线测姿方法，首先需要有能够支持北斗三号多频点信号接收的接收机硬件平台，如图3所示，本发明基于国产嵌入式DSP平台+北斗三号民用基带芯片实现。北斗三号接收机的三个零相位中心天线接收到北斗三号B1C(1575.42MHz)和B2a(1176.45MHz)频点卫星信号，经过天线内部的滤波、放大合路后，分别将射频信号传递给北斗三号接收机的射频单元。射频单元将卫星信号进行放大、滤波、下变频，输出数字中频信号；北斗专用基带处理单元对卫星信号进行捕获、跟踪、电文解调解析，得到卫星的观测量以及电文，再将原始观测量和电文通过RS232串行接口送至DSP嵌入式信息处理平台。
北斗导航系统随着BDS-3的部署进一步完善，BDS-2共计发射16颗卫星，BDS-3计划布设35颗卫星(截至2020年4月已布置26颗)。覆盖范围上，BDS-2主要向亚太大部分地区(55°E～180°E，55°N～55°S)提供导航、定位、授时等服务，而BDS-3具备全球覆盖能力，可完成全球导航定位服务功能，同时短报文功能在BDS-3中进行了保留继承和容量扩展(较BDS-2提升近10倍，最长1000个汉字)。定位性能上，在95％置信度条件下，BDS-3定位精度优于BDS-2；位置精度衰减因子(PDOP)值分布在0～2范围内，BDS-3明显优于BDS-2。
本发明相比较传统的惯导姿态获取技术，利用北斗测姿具有精度高、成本低，且无累计误差等优点。根据北斗卫星导航系统空间信号接口控制文件，BDS-3将至少有B1I，B1C，B2a和B3I共4个信号提供全球公开服务，4个民用频点同时提供服务，为BDS-3的宽巷技术以及周跳探测与修复技术带来更多具有良好特性的组合模式。因此，使用北斗三号系统在机载导航定位领域进行姿态测量具有巨大的应用潜力。

Claims (5)

1.一种面向机载的BDS-3三天线阵多频点测姿方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：BDS-3接收机分别获取三个天线同步观测的北斗载波相位观测量、伪距观测量以及卫星轨道参数；选取其中一个天线作为主天线，另外两个天线作为从天线；选取其中一主一从天线作为当前两个天线；
步骤2：根据主天线的卫星轨道参数实时计算卫星位置；
步骤3：分别根据当前两个天线的伪距观测量和卫星位置进行单点定位计算，得到当前两个天线的概略位置和高度角信息；
步骤4：分别对当前两个天线中含粗差的伪距观测量进行剔除；
步骤5：利用卫星位置以及两个天线概略位置，分别对当前两个天线的载波相位观测量进行历元间的周跳探测与修复；
步骤6：根据载噪比门限，选出高于载噪比门限的卫星，将满足条件的卫星按照高度角大小排序，选取高度角最高的卫星作为参考星；
步骤7：根据步骤6中参考星的选取结果，建立双差伪距观测模型；
步骤8：根据步骤6中参考星的选取结果，建立载波相位双差观测模型；
步骤9：根据步骤7和步骤8，建立伪距和载波的双差组合观测模型并线性化；
步骤10：根据参与解算的卫星高度角大小，进行定权处理；
步骤11：根据步骤10和宽巷的组合系数(1，-1),组建宽巷观测方程；
步骤12：结合步骤11中的观测方程，利用加权最小二乘平差算法进行迭代计算，直至计算得到的改正数方差小于设定限差且迭代次数达到设定值，迭代完成，得到浮点解的估计量和协方差；
步骤13：基于步骤12中的浮点解的解算信息，利用LAMBDA算法，进行宽巷模糊度的快速搜索；
步骤14：根据与Ratio值预先设置的阈值和成功率比较判断固定是否正确；若正确，则进行B1C频点的快速模糊度固定，以同样的方式进行正确性判断；
步骤15：宽巷模糊度和B1C频点的模糊度固定成功后，确定B2a频点的整周模糊度；
步骤16：根据固定的模糊度，确定出当前两个天线对应基线的固定解，否则输出浮点解，结束本流程；
步骤17：判断三条基线的固定解是否解算完成，如果是，则执行步骤18，否则选取主天线和另外一个从天线作为当前两个天线，返回步骤2，直至三条基线的固定解解算完成；
步骤18：根据东北天坐标系与CGCS2000大地坐标系之间的转换关系计算得到载体的姿态角；
步骤19:北斗姿态解算完成。
2.根据权利要求1所述的一种面向机载的BDS-3三天线阵多频点测姿方法，其特征在于，步骤5中的周跳探测和修复，包括以下方法步骤：
步骤5.1：利用伪代码与相位伪距组合方法分析输入的观测信息，如果观测到周跳，则跳至步骤5.4，若未观测到周跳，则进入步骤5.2；
步骤5.2：利用MW组合方法分析观测信息，如果观测到周跳，则跳至步骤5.4，若未观测到周跳，则进入步骤5.3；
步骤5.3：利用电离层残差法分析观测信息，如果观测到周跳，则进入步骤5.4，若未观测到周跳，则跳至步骤5.5；
步骤5.4：对观测到的周跳进行卡尔曼滤波周跳修复；
步骤5.5：未发生周跳，直接进入下一步解算。
3.根据权利要求1所述的一种面向机载的BDS-3三天线阵多频点测姿方法，其特征在于，步骤13和步骤14包括以下方法步骤：
步骤a：LAMBDA算法解算宽巷载波整周模糊度；
步骤b：判断解算结果是否满足Ratio值和成功率大于设定的阈值，判断模糊度是否固定正确；
步骤c：LAMBDA算法解算B1C载波整周模糊度；
步骤d：判断解算结果是否满足Ratio值和成功率大于设定的阈值，判断模糊度是否固定正确；
步骤e：通过宽巷载波整周模糊度和B1C载波整周模糊度，得到B2a载波整周模糊度。
4.根据权利要求1所述的一种面向机载的BDS-3三天线阵多频点测姿方法，其特征在于，步骤16和步骤17中，
在模糊度首次固定成功后，根据固定的模糊度确定出本地坐标改正量的固定解；后续历元分四种情况，对已固定成功的模糊度进行组合得到本地坐标改正量的固定解；
I：卫星未发生变化；直接使用已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号；
II：卫星减少时；卫星减少时，删去减少的卫星对应的模糊度值，利用剩余卫星已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号；
III：卫星增加时；参与的卫星增加时，新增卫星放置于参与解算卫星的最后，将所有卫星的模糊度重新搜索，比较非新增卫星前后历元解算的模糊度值；
若不一致，则本次解算失败，保存之前历元固定正确的模糊度值和对应的卫星号；
若一致，则使用已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号；
IV：参考卫星变换时；当参考星变化时，重新组成双差观测模型，将所有卫星的模糊度重新搜索，使用已固定的模糊度解算本地坐标改正量，保存当前历元所有可用卫星的整周模糊度和对应的卫星号。
5.根据权利要求1所述的一种面向机载的BDS-3三天线阵多频点测姿方法，其特征在于，步骤18中，姿态角的计算方法如下：
解算出基线向量后，其对应的坐标系统是CGCS2000坐标系，需要完成平移和旋转两个步骤，转化为东北天坐标系；那么相应于X轴、Y轴、Z轴的坐标旋转矩阵为：
Figure FDA0002479788610000031
以上三个旋转角为欧拉角，选用与航天器姿态变换矩阵同样的坐标变换次序，三个欧拉角的旋转次序为3-1-2，相应的欧拉角称为偏航角、俯仰角、横滚角，那么这个姿态变换矩阵为：
Figure FDA0002479788610000032
可得偏航角、俯仰角和横滚角。
CN202010375391.0A 2020-05-07 2020-05-07 一种面向机载的bds-3三天线阵多频点测姿方法 Pending CN111505694A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010375391.0A CN111505694A (zh) 2020-05-07 2020-05-07 一种面向机载的bds-3三天线阵多频点测姿方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010375391.0A CN111505694A (zh) 2020-05-07 2020-05-07 一种面向机载的bds-3三天线阵多频点测姿方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111505694A true CN111505694A (zh) 2020-08-07

Family

ID=71864454

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010375391.0A Pending CN111505694A (zh) 2020-05-07 2020-05-07 一种面向机载的bds-3三天线阵多频点测姿方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111505694A (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112285749A (zh) * 2020-10-21 2021-01-29 腾讯科技（深圳）有限公司 全球导航卫星系统原始观测数据处理方法、装置及存储介质
CN112444832A (zh) * 2020-12-03 2021-03-05 深圳大学 一种一机多天线接收机的周跳修复方法
CN112698374A (zh) * 2020-12-17 2021-04-23 广州中海达卫星导航技术股份有限公司 基于bds-3/磁力计的多频双天线车载测姿方法和设备
CN113514856A (zh) * 2021-04-12 2021-10-19 国网上海市电力公司 周跳检测方法、装置、电子设备及可读储存介质

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030154049A1 (en) * 2002-02-12 2003-08-14 Hiroyuki Toda Attitude angle detecting apparatus
CN103728641A (zh) * 2013-12-27 2014-04-16 北京苍穹数码测绘有限公司 基于北斗系统的三天线阵高精度定向方法及系统
CN104502926A (zh) * 2014-12-17 2015-04-08 武汉大学 一种基于精密机械臂的室外gnss接收机绝对天线相位中心校正方法
CN105372692A (zh) * 2014-08-13 2016-03-02 北京和协导航科技有限公司 一种北斗测姿接收机的快速整周模糊度方法
CN105607106A (zh) * 2015-12-18 2016-05-25 重庆邮电大学 一种低成本高精度bd/mems融合姿态测量方法
CN106443746A (zh) * 2016-07-19 2017-02-22 招商局重庆交通科研设计院有限公司 一种低成本双天线gnss/ahrs组合测姿方法
CN107102346A (zh) * 2017-06-08 2017-08-29 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种基于北斗系统的多天线测姿方法
WO2019203677A1 (en) * 2018-04-18 2019-10-24 Limited Liability Company "Topcon Positioning Systems" Attitude determination with multiple antennas using semi-definite programming relaxation
WO2020044129A1 (en) * 2018-08-30 2020-03-05 King Abdullah University Of Science And Technology Attitude determination based on global navigation satellite system information

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030154049A1 (en) * 2002-02-12 2003-08-14 Hiroyuki Toda Attitude angle detecting apparatus
CN103728641A (zh) * 2013-12-27 2014-04-16 北京苍穹数码测绘有限公司 基于北斗系统的三天线阵高精度定向方法及系统
CN105372692A (zh) * 2014-08-13 2016-03-02 北京和协导航科技有限公司 一种北斗测姿接收机的快速整周模糊度方法
CN104502926A (zh) * 2014-12-17 2015-04-08 武汉大学 一种基于精密机械臂的室外gnss接收机绝对天线相位中心校正方法
CN105607106A (zh) * 2015-12-18 2016-05-25 重庆邮电大学 一种低成本高精度bd/mems融合姿态测量方法
CN106443746A (zh) * 2016-07-19 2017-02-22 招商局重庆交通科研设计院有限公司 一种低成本双天线gnss/ahrs组合测姿方法
CN107102346A (zh) * 2017-06-08 2017-08-29 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种基于北斗系统的多天线测姿方法
WO2019203677A1 (en) * 2018-04-18 2019-10-24 Limited Liability Company "Topcon Positioning Systems" Attitude determination with multiple antennas using semi-definite programming relaxation
WO2020044129A1 (en) * 2018-08-30 2020-03-05 King Abdullah University Of Science And Technology Attitude determination based on global navigation satellite system information

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
李征航等: "《GPS测量与数据处理》", 31 March 2005 *
沈朋礼等: "北斗三号卫星的周跳探测与修复算法", 《测绘科学》 *
简海波等: "一种基于北斗导航系统的多天线定向测姿方法研究", 《测绘通报》 *
黄伦文等: "一种基于北斗双频单历元姿态测量算法", 《数字通信世界》 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112285749A (zh) * 2020-10-21 2021-01-29 腾讯科技（深圳）有限公司 全球导航卫星系统原始观测数据处理方法、装置及存储介质
CN112444832A (zh) * 2020-12-03 2021-03-05 深圳大学 一种一机多天线接收机的周跳修复方法
CN112698374A (zh) * 2020-12-17 2021-04-23 广州中海达卫星导航技术股份有限公司 基于bds-3/磁力计的多频双天线车载测姿方法和设备
CN112698374B (zh) * 2020-12-17 2024-07-12 广州中海达卫星导航技术股份有限公司 基于bds-3/磁力计的多频双天线车载测姿方法和设备
CN113514856A (zh) * 2021-04-12 2021-10-19 国网上海市电力公司 周跳检测方法、装置、电子设备及可读储存介质
CN113514856B (zh) * 2021-04-12 2024-01-09 国网上海市电力公司 周跳检测方法、装置、电子设备及可读储存介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107102346B (zh) 一种基于北斗系统的多天线测姿方法
CN111505694A (zh) 一种面向机载的bds-3三天线阵多频点测姿方法
AU2008260578B2 (en) Distance dependant error mitigation in real-time kinematic (RTK) positioning
US8035552B2 (en) Distance dependant error mitigation in real-time kinematic (RTK) positioning
CN108828640B (zh) 一种卫星导航定位观测值定权方法及装置
CN101449179B (zh) 从区域、广域或全球载波相位差分导航（wadgps）向本地实时动态（rtk）导航系统过渡时增加位置信息可靠性的方法
CN111308528A (zh) 一种北斗/gps紧组合虚拟参考站定位方法
Bahrami et al. Instantaneous Doppler-aided RTK positioning with single frequency receivers
JP2011247758A (ja) 位置算出方法及び位置算出装置
Groves et al. Combining inertially-aided extended coherent integration (supercorrelation) with 3D-mapping-aided GNSS
Goad et al. A new approach to precision airborne GPS positioning for photogrammetry
WO2015145718A1 (ja) 測位装置
CN111694037A (zh) 一种终端定位方法及终端设备
CN113805208A (zh) 一种适用于导航接收机的gnss-ir测高方法
CN112731496B (zh) 一种面向智能终端的gnss精密单点定位数据质量控制方法
CN115373007B (zh) 基于手机gnss模糊度相对变化估计的里程计定位方法
CN114895330A (zh) 一种基于广播星历的单站位移监测方法、设备、存储介质
CN110346816B (zh) 短到长基线场景下电离层建模约束的实时差分定位方法
CN115657097A (zh) 一种基于轨道约束的leo几何法定轨模糊度快速重收敛方法
CN110646822A (zh) 一种基于惯导辅助的整周模糊度Kalman滤波算法
Tolman et al. Absolute precise kinematic positioning with GPS and GLONASS
CN115327593A (zh) 基于无人机的定位方法、系统及存储介质
Kuang et al. Galileo real-time orbit determination with multi-frequency raw observations
Wang et al. GPS un-differenced ambiguity resolution and validation
CN110208841B (zh) 一种改进的面向非重叠频率的gnss紧组合方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20200807