CN113721282A - 具有多面完好性解决方案的三维姿态确定系统 - Google Patents

具有多面完好性解决方案的三维姿态确定系统 Download PDF

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Abstract

本发明题为“具有多面完好性解决方案的三维姿态确定系统”。本发明提供了一种确定三维姿态的方法。该方法包括测量在多个间隔开的天线处接收的每个卫星信号的载波相位。确定在每个天线处接收的来自每个卫星的每个卫星信号的所测量的载波相位之间的载波相位差。通过以下方式确保与该载波相位差相关的所述整周模糊度解算的完好性：使用差分载波相位测量值应用最小二乘误差解，其中在多个天线的至少两个天线之间应用整周模糊度；以及在计算所述最小二乘误差解并应用瞬时测试、间隔测试和解分离函数之后观察测量值残差。在完成整周模糊度解算和保证整周模糊度解算的完好性后，根据载波相位差确定三维姿态。

Description

具有多面完好性解决方案的三维姿态确定系统
背景技术
安装在载具上的导航系统使用惯性传感器(速率陀螺仪和加速度计)并结合诸如全球导航卫星系统(GNSS)接收机、磁力仪、高度计(以及可能的其他传感器，诸如雷达、相机、激光雷达、启动跟踪器等)的传感器和至少一个快速处理器，来估计载具的三维(3D)位置、3D速度、和3D角度取向或姿态或运动状态。导航系统使用滤波器来融合传感器测量值以估计载具运动状态。传感器贡献可由导航滤波器融合在一起的测量值，以估计各种载具运动状态。可由滤波器和处理器使用由速率陀螺仪测量的角速度、由加速度计测量的加速度，并且根据GNSS传感器测量的载具轨迹来估计载具姿态(俯仰角和侧倾角)。可由滤波器和处理器使用由速率陀螺仪测量的角速度、由磁力仪测量的局部磁场，并且根据载具的轨迹以及由GNSS伪范围或速度测量值计算的载具轨道角来估计载具航向角。
磁力计计算的航向具有两个限制。首先，必须校准磁力计，并且来自地球外壳、太阳耀斑和机载源的磁干扰引起超过航向要求的航向误差。使用安装在具有快速变化的局部磁场的载具上的磁力计计算的航向通常不准确，因为校准不能跟上变化的磁场。第二，地球磁场需要足够的水平分析来确定航向，并且接近磁极的地球磁场的方向几乎是垂直的；因此，磁航向不可用于靠近磁极的任何飞行。由伪距离或速度测量值计算的GNSS航向需要载具操纵，但在飞行期间通常不会发生载具操纵。概括地说，极点上方的长持续时间飞行导致上述系统不能满足航向要求的情况。
确定航向的另一种方法是使用来自两个或更多个机载GNSS天线的GNSS载波相位测量值。通过观察从天线到GNSS卫星的相对距离来计算GNSS载波相位航向。由GNSS接收机提供的载波相位测量值由天线和卫星之间的距离的部分波长分量和随机整周波长分量组成。为了观察天线之间的实际相对距离，将来自连接到两个天线的接收机的载波相位测量值相减。该载波相位差(称为单个差值)则由相对距离的部分波长部分和相对距离的未知整周波长部分组成。为了计算实际相对距离，必须确定未知整周波长部分。因此，为了计算GNSS航向解，必须确定单个差值的未知整周波长部分。这被称为整周模糊度解算。
GNSS载波相位航向的优点在于航向可在全球使用，包括靠近磁极、在没有飞行操纵的直线轨迹飞行期间以及具有快速变化的局部磁场的环境。
使用GNSS载波相位来确定用于导航产品线的3D角度取向的挑战是必须确保整周模糊度解算算法的完好性。GNSS载波相位标题的限制是，当载具在地面上(静止或移动)或在空中(静止或移动)时，必须在载波相位噪声和多路径噪声的存在下完好地解算整周模糊度。
使用载波相位测量值的整周模糊度解算来确定GNSS的3D角度取向可以是用于确定3D载具姿态(特别是航向)的有效解决方案。虽然已经广泛研究了模糊度解算问题，但是在存在载波相位噪声和多路径噪声的情况下，确保地面和空中的商用航空应用所必需的解决方案的完好性的方法至少是未成熟的。实际上，当在高完好性导航应用中使用GNSS载波相位航向时，整周模糊度解算算法的完好性构成最大挑战。
发明内容
以下发明内容是以举例的方式而不是限制的方式作出的。提供发明内容的目的仅仅是有助于读者理解所述主题的一些方面。实施方案提供了一起使用以为GNNS 3D姿态确定的应用提供必要完好性的多种方法。此外，实施方案提供了具有整周模糊度解算架构的姿态和航向系统，该架构在存在载波相位噪声和GNSS多路径噪声的情况下操作并且确保从载波相位测量值计算的航向的完好性。
在一个实施方案中，提供了具有3D姿态确定系统的载具。在航空情景中，3D姿态确定包括航向以及俯仰角和侧倾角。系统包括用于接收GNSS信号的至少两个GNSS天线和至少一个接收机。至少一个接收机与至少两个GNSS天线通信。至少一个接收机被配置为解算与来自所接收的GNSS信号的GNSS载波相位测量值相关联的整周模糊度。至少一个接收机还被配置为确保与GNSS载波相位测量值相关联的整周模糊度解的完好性。至少一个接收机被配置为利用整周模糊度来确定载具的3D姿态，同时考虑所确定的整周模糊度解的完好性。确定整周模糊度解的完好性包括以下的至少一者：使用差分载波相位测量值应用最小二乘误差解，其中在至少两个天线之间应用整周模糊度；在计算最小二乘误差(LSE)解并应用瞬时测试和间隔测试之后观察测量值残差，瞬时测试将至少一个测量值残差与用户选择的瞬时阈值进行比较，以立即消除其残差大于由于测量值误差而可能出现的残差的整周模糊度候选项，并且间隔测试在一时间段内应用，以消除大于时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项，从而解决载波相位测量值误差；以及将解分离函数应用于载波相位测量的组合，解分离函数的应用选择性地将不同的载波相位测量子集解彼此进行比较。
在另一个示例性实施方案中，提供了具有3D姿态确定系统的载具，该3D姿态确定系统包括多个间隔开的天线和至少一个处理器。多个间隔开的天线被配置为接收卫星信号。至少一个处理器被配置为解算与来自所接收的卫星信号的GNSS载波相位测量值相关联的整周模糊度。至少一个处理器被进一步配置为确定与GNSS载波相位测量值相关联的整周模糊度解的完好性。至少一个处理器还被配置为利用整周模糊度来确定载具的3D姿态，同时考虑所确定的整周模糊度解的完好性。确定整周模糊度解的完好性包括：使用差分载波相位测量值应用LSE解，其中在至少两个天线之间应用整周模糊度；在计算LSE解并应用瞬时测试和间隔测试之后观察测量值残差，瞬时测试将至少一个测量值残差与用户选择的瞬时阈值进行比较，以立即消除其残差大于由于测量值误差而可能出现的残差的整周模糊度候选项，并且间隔测试在一时间段内应用，以消除大于时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项，从而解决载波相位测量值误差；以及将解分离函数应用于载波相位测量值，解分离函数的应用选择性地将不同的载波相位测量子集解彼此进行比较。
在又一实施方案中，提供一种确定3D姿态的方法。该方法包括：从多个卫星接收GNSS信号；测量在多个间隔开的天线处接收的每个卫星信号的载波相位；确定在每个天线处接收的来自每个卫星的每个卫星信号的测量载波相位之间的载波相位差；通过以下方式解算具有完好性的整周模糊度：使用差分载波相位测量值应用LSE解，其中在述多个天线的至少两个天线之间应用整周模糊度，以及在计算LSE解并应用瞬时测试和间隔测试之后观察测量值残差，瞬时测试将至少一个测量值残差与用户选择的瞬时阈值进行比较，以立即消除其残差大于由于测量值误差而可能出现的残差的整周模糊度候选项，并且间隔测试在一时间段内应用，以消除大于时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项，从而解决载波相位测量值误差；以及在完成整周模糊度解算的完好性检查时，根据所确定的载波相位差确定3D姿态。
附图说明
当根据具体实施方式和如下附图考虑时，实施方案可以更容易地理解并且实施方案的进一步的优点和用途将更为显而易见，在附图中：
图1A是根据一个示例性实施方案的3D姿态确定系统的框图。
图1B是根据一个示例性实施方案的另一个3D姿态确定系统的框图。
图2示出了根据一个示例性实施方案的3D姿态确定流程图；
图3示出了根据一个示例性实施方案的整周模糊度解算流程图；
图4示出了根据一个示例性实施方案的整周模糊度解算流程图；
图5示出了根据一个示例性实施方案的整周模糊度解算流程图；
图6示出了根据一个示例性实施方案的整周模糊度流程图；
图7示出了根据一个示例性实施方案的整周模糊度解算流程图；
图8示出了根据一个示例性实施方案的另一个整周模糊度解算流程图；并且
图9示出了根据一个示例性实施方案的残差流程图。
根据惯例，各种所述的特征未按比例绘制，而是为了强调与所述主题相关的特定特征而绘制的。参考符号在所有附图和正文中表示类似的元件。
具体实施方式
在下面的具体实施方式中，参照了附图，这些附图构成具体实施方式的一部分，并且在这些附图中，以说明的方式示出了可实施本发明的具体实施方案。对这些实施方案进行了充分详细地描述，以使本领域技术人员能够实施这些各种实施方案，并且应当理解，可以利用其他实施方案并且可以在不脱离本发明的实质和范围的情况下进行变化。因此，以下具体实施方式不是限制性的，并且本发明的范围仅由权利要求书以及其等同物限定。
实施方案提供了一种多面解决方案，以确保GNSS的3D姿态确定的完好性。具体地讲，实施方案使用多个整周模糊度解算技术来改善和计算解算的整周模糊度的完好性，并且因此改善和计算GNSS载波相位航向。实施方案的高完好性整周模糊度解算架构提供了具有航向估计的导航系统，该航向估计满足磁航向或由GNSS伪距离/速度测量值计算的基于GNSS的航向无法满足的航向要求。
一般来讲，用于模糊度解算的策略(其为本文所述的多种方法的实施方案提供基础)通过以下方式确定：首先定义模糊度候选项列表，然后在多个时段内处理候选项列表以消除未通过各种测试标准的候选项。完成处理，直到仅剩余一个候选项为止。该过程也可以在可用卫星的多个子集上执行，这被称为解分离。
参见图1A，示出了示例性实施方案中的3D姿态确定系统100的图示。该示例性实施方案包括具有多个天线104-1至104-n的载具102，该多个天线被设计成检测来自多个卫星120-1至120-n的卫星信号。天线104-1至104-n彼此间隔开选择距离116。载具内是至少一个接收机106-1至106-n，它们被设计为接收由间隔开的天线104-1至104-n检测到的卫星信号。接收机106-1至106-n与处理器110(或控制器)通信。载具102中还包括与处理器110通信的传感器108-1至108-n。传感器的示例包括但不限于惯性传感器(其包括速率陀螺仪和加速度计)、磁力仪、高度计等。传感器向处理器110提供传感器数据。图1中还示出了也与处理器110通信的存储器112。在一个实施方案中，存储器112存储由处理器实现的操作指令。存储器还可存储传感器数据和接收机数据。载具中还示出了输入/输出114。输入/输出114提供通向和来自处理器110的通信路径。例如，输入可提供用于存储在存储器中的指令的通信路径，并且输出可被发送到显示器以显示所确定的3D载具姿态或被发送到载具控制系统，该载具控制系统至少部分地基于3D姿态确定来控制载具。图1B还示出了其中处理器110和存储器112是至少一个接收机106的一部分的实施方案。
一般来讲，处理器110可包括处理器、微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或等效的分立或集成逻辑电路中的任一个或多个。在一些示例性实施方案中，处理器110可包括多个部件，诸如一个或多个微处理器、一个或多个控制器、一个或多个DSP、一个或多个ASIC、一个或多个FPGA以及其他分立或集成逻辑电路的任何组合。归因于本文的处理器的功能可体现为软件、固件、硬件或它们的任何组合。处理器110可以为系统控制器或部件控制器的一部分。如上所述，存储器112可包括计算机可读操作指令，该计算机可读操作指令在由处理器执行时提供具有多面完好性解决方案的3D姿态确定系统的功能。可将计算机可读指令编码于存储器112内。存储器112是合适的非暂态存储介质，包括任何易失性、非易失性、磁性、光学或电介质，诸如但不限于，随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、非易失性RAM(NVRAM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)、闪存存储器、或任何其他存储介质。
参见图2，示出了示例性实施方案的3D姿态确定流程图200。该流程图和下文描述的后续流程图被提供为框的顺序。在不同的实施方案中，框可以不同的顺序使用。因此，实施方案不限于如流程图200和下文所述的后续所述流程图中所述的框的顺序。
在3D姿态确定流程图200的框(202)处，在多个间隔的天线处接收来自多个卫星的卫星信号。在框(204)处，测量每个接收的卫星信号的载波相位。在框(206)处，确定在间隔的天线处接收的来自对应卫星的各个卫星信号的测量的载波相位之间的载波相位差。
在分离的天线处接收的信号之间的相位差最多只能在信号的一个波长的范围内确定，除非已知波长的整周数。然而，因为载波相位差的波长的整周数是未知的，所以在可能的3D姿态解中存在模糊度。必须解算该整周模糊度，这通常是利用数学算法来完成的，该数学算法依赖于同一时段的所有接收机的来自视野内不同卫星的精确相位差测量值的可用性。
下文将详细讨论如框(208)中所示的解算整周模糊度解的实施方案的示例。一旦在框(208)处解算了整周模糊度解，则在框(210)处确定3D姿态。在框(212)处输出3D姿态。如上所述，输出可使用3D姿态确定来进行载具控制、导航、显示等，或者其可被传输到远程位置。该过程然后在框(202)继续。
用于在图2的框(208)处解算整周模糊度的第一示例性实施方案使用位置解。整周模糊度解算的结果是相对天线位置解，表示一个天线相对于另一个天线的位置。该位置解是使用天线与GNSS卫星的视距矢量之间的差分载波相位测量值计算的LSE解的结果。使用LSE解的位置解流程图300在图3中示出。
在该示例性实施方案中，多种形式的残差与用于3D姿态确定的LSE解相关联。该方法可用于解算整周模糊度。如图所示，这些方法包括框(304)所指示的基线残差、框(306)所指示的单独LSE残差、框(308)所指示的复合LSE残差(或平方和根)以及框(310)所指示的辅助残差。在一个实施方案中，针对所有三个欧拉角包括辅助，使得从GNSS载波相位测量值估计航向和姿态两者。
在利用框(304)处的基线残差的情况下，使用天线之间的已知距离和计算距离之间的差值来计算残差。已知距离被称为基线。在利用由框(306)指示的单独LSE残差的情况下，使用单个测量值来计算每个单独差分载波相位测量值之间的LSE残差，并且使用所有视野内GPS卫星来计算LSE解。该残差还可被描述为所测量的差分相位减去预测的差分相位，其中预测的差分相位基于最近一个集合的测量值。换句话讲，所测量的差分相位仅仅是使用候选项模糊度集测量的单个差分载波相位。预测的差分相位是将基于从当前集合的差分相位测量值计算的天线相对位置来预测的相位。
在利用由框(308)指示的复合LSE残差情况下，使用单个LSE残差的平方和的平方根(RSS)。在利用由框(310)指示的3D姿态辅助残差的情况下，这些是由LSE解得到的姿态与使用不同传感器组108计算的任何估计姿态解之间的差异。其示例将是俯仰信息和/或侧倾信息，该信息可从惯性导航系统108计算，该惯性导航系统可位于同一载具102上。从框(304、306、308和310)中的一个或多个起始，在框(312)处解算出整周模糊度解，并且该过程在图2的流程图200的框(210)处继续。
在另一个示例性实施方案中，使用对瞬时和随时间推移的整周模糊度解算的监测来确保框(208)的整周模糊度解算的完好性。这在图4的瞬时和随时间推移的整周模糊度解算流程图400中示出。由于GNSS射频信号跟踪测量方法的性质，GNSS载波相位测量值总是经受短期随机噪声的影响。这是GNSS的主要噪声机制。此外，当天线在任何反射表面(诸如地面或甚至飞机结构表面)附近处于静态时，GNSS测量值也经受由信号多路径引起的长期(缓慢变化的)噪声。这些多路径误差可被建模为特征时间常数为100秒的小阻尼第2阶高斯-马尔可夫过程。GNSS误差的另一个重要特征是它们具有零偏差。因此，如果在一段时间内处理载波相位测量值，则可通过滤波在统计上减轻测量值误差的影响。
由于上述两种类型的测量值误差，无法使用数据的单个时段来确保载波相位整周模糊度解算具有完好性。这是因为仅使用单个时段可能包括产生不正确的整周模糊度解的测量值误差。通过考虑上述在时间窗口内的残差来减轻载波相位测量值噪声的影响。
如图4所示，该实施方案包括单个时段测试402和多个时段测试404。如上所述，在本文提供的其他流程图，流程图400中的单个时段测试402和多个时段测试404作为一系列框提供。在不同实施方案中框的顺序可以不同。因此，实施方案不限于该流程图中阐述的顺序。
单个时段测试402是瞬时测试，其使用大的测试阈值来消除整周模糊度候选项，消除的整周模糊度候选项的残差大于由于测量值误差(甚至是可以高达几厘米的多路径误差)而可能发生的残差。该示例中的过程从框(401)处的整周模糊度候选项的确定开始。在框(403)处，在单个时段内监测整周模糊度候选项。然后在框(405)处，确定整周模糊度候选项残差(来自图3)是否高于、等于或低于所选择的阈值。如果残差大于或等于阈值，则在示例性实施方案中，在框(407)处消除该整周模糊度候选项，并且该过程在框(401)处继续检查另一个整周模糊度候选项。如果在框(405)处确定整周模糊度候选项残差低于阈值，则将该整周模糊度候选项传递到多个时段测试404。
多个时段测试404使用用户选择的较小的测试阈值来监测较长时间窗内的残差。该多个时段测试404消除了通过单个时段测试402但仍然被载波相位测量值误差损坏的不正确的整周模糊度候选项。残差的消除逻辑可以是灵活的。在图4的流程图中还示出了由处理器110实现的逻辑方法的示例。
在该示例中，在框(406)处，在一时段上监测由流程图的单个时段测试部分提供的整周模糊度候选项。然后在框(408)处，确定整周模糊度候选项残差(示于图3中)是否通过残差测试。如果整周模糊度候选项未通过N个连续时段的特定残差测试，则该测试消除该整周模糊度候选项。如图所示，在该示例中，如果在方框(408)处整周模糊度候选项未通过测试，则在方框(410)处确定是否已达到针对完好性模糊度候选项的用户选择的连续失败数量N。如果用户选择的连续失败数量N尚未达到，则该过程在框(406)处继续在另一时段内监测该整周模糊度候选项。如果在框(410)处达到用户选择的连续失败数量N，则在框(412)中消除该整周模糊度候选项。该过程随后在流程图的单个时段测试部分中的框(401)处继续。
在所示的示例性实施方案中，如果在框(408)处确定的整周模糊度候选项通过测试，则在步骤(414)处确定是否已达到连续通过的选择数量M。如果尚未达到通过的连续选择数量M，则该过程在框(406)处继续，在另一时段上监测该整周模糊度候选项。如果在框(114)处达到连续通过的选择数量M，则在图2的流程图200的框(210)处确定3D姿态。在一个实施方案中，仅在仅一个候选项剩余或未被消除时确定3D姿态。
使用多个时段测试的一个主要优点是，当天线在缓慢变化的多路径误差是主要因素的位置中静止时，其在较长时间窗口上测试残差，这提供了正确可能性较高的整周模糊度解算。在这些情况下，仅GNSS星座图几何形状的改变就可有助于暴露正确和不正确的整周模糊度候选项。较长的时间窗口允许GNSS几何结构在卫星围绕地球运行时相对于载具改变。
另一个示例性实施方案使用一种技术来向整周模糊度解算过程添加完好性。该技术是星座子集模糊度解算(或解分离)。该技术涉及使用可用差分载波相位测量值的子集来解算整周模糊度。该策略背后的原理是，绝大多数载波相位测量值经常会有小误差，这些小误差即使在沿着卫星的每个视距矢量对载波相位测量值求差之后，也能产生正确的整周模糊度解算。对于一个具体示例，如果沿9个视距矢量中的1个视距矢量的载波相位测量值遭受大的多路径误差，则使用对应于卫星的载波相位测量值解算的整周模糊度可能导致产生大于预期残差的不正确的模糊度解算。
在使用9个测量值子集计算整周模糊度(每个子集消除单个载波相位测量值)时，排除具有大误差的载波相位测量值的一个子集解将产生与完整测量值集和其他测量值子集相比小得多的残差。因此，使用未损坏的测量值子集计算的整周模糊度集将是最佳和正确的集。可通过使用排除2个或更多个差分载波相位测量值的子集计算整周模糊度，该具体示例可扩展到检测、识别和排除2个或更多个损坏载波相位测量值。可消除以用于故障检测和排除的载波相位测量值的数量受到视野内卫星数量的限制或等效地受到计算时段的可用测量值的数量的限制。
用于将完好性添加到整周模糊度解算过程的星座子集完好性(解分离)流程图500的示例在图5中示出。如图所示，该过程开始于在框(502)处选择差分载波相位测量值的组合并将它们形成为子集，并且确定整周模糊度及它们残差。关于如何在示例性实施方案中计算残差的解释在图9中示出并在下文详细讨论。在一个示例性实施方案中，在框(504)处比较子集之间的残差的平均值。从构成子集的差分载波相位测量值的组合计算得到的不同的残差的数量取决于需要识别的坏测量值的数量。在框(505)处，确定是否已经比较了残差的所有不同的可能组合。如果它们尚未进行比较，则该过程在步骤(502)处继续，其中与载波相位测量值相关联的残差被再次分类为子集。
如果确定已经比较了子集的所有不同的可能组合，则该过程在框(506)处继续，在该框处识别具有大误差的残差。在一个实施方案中，用阈值测试识别大的误差以确定残差误差是否太大。在一个实施方案中，阈值是预先确定的用于识别大误差的用户定义阈值。如果在框(508)处识别出具有大误差的残差，则在框(510)处移除相关联的子集，并且在图2的流程图200的步骤(210)处使用剩余子集来确定3D姿态。
用于解算整周模糊度解208的又一个示例性实施方案是通过使用随时间推移累积完好性度量集方法。如上所述，不能在单个时段中完好地执行整周模糊度解算。整周模糊度解算的完好性，进而3D姿态的完好性只能通过随时间推移监测整周模糊度来确保。这然后呈现以下计算折衷：延长整周模糊度解算时间以确保整周模糊度集的完好性，同时还最小化整周模糊度解算时间以满足导航系统的不同模式(诸如，对准模式)的操作期间的解算时间要求。
解算的整周模糊度集必须在解算的集可用于确定载具的3D姿态之前通过用户选择时间段的完好性检查。如果解算的整周模糊度集通过了单个时段完好性检查，则仍然必须随时间推移对其进行监测以确保该整周模糊度集是正确的集。例如，如果300秒已过去并且所有残差已继续通过所有测试，则可以极高置信水平声明所计算的整周模糊度已被正确解算。
图6中示出了作为示例的随时间推移增加完好性的方法的流程图600。在框(602)处，该过程从随时间推移的完好性监测开始。在框(604)处，确定残差是否已在用户选择时间量内通过完好性监测。如果用户选择时间量尚未过去，则该过程在框(602)处继续随时间推移的完好性监测。如果在框(604)处用户选择时间量已过去，则在框(606)处确定在该时间段内所有残差是否已通过所有阈值测试。如果残差在该时间段内尚未通过所有阈值测试，则该过程在框(602)处继续监测完好性。如果残差在该时间段期间通过测试，则该过程在图2的流程图200的框(210)处继续，确定3D姿态。
用于解算整周模糊度解208的又一个示例性实施方案包括多解方法，该多解方法使用载波相位测量值的不同组合，比较解，然后在解之间表决以识别和排除有错误的载波相位测量值。该技术涉及对所有可用载波相位测量值、载波相位测量值的子集执行多个整周模糊度解算方法，并且比较输出模糊度集。为每种方法提供相同的可用测量值集，但可使用最适合每种方法的不同测量值子集。存在多种可用于整周模糊度解算的方法，每种方法具有不同的特性和错误行为。一些示例包括LAMBDA(适用于固定基线)、模糊度搜索和基于运动的技术。
一旦将每种方法用于载波相位测量值的组合来解算整周模糊度，就可以不同方式比较来自每种方法的解算模糊度集。首先，可将根据一种模糊度解算方法计算的解算模糊度集的每个整周元素与根据第二模糊度解算方法计算的模糊度集的对应元素进行比较，并且可丢弃不匹配的元素。当比较解算的整周模糊度时，应用移除时钟偏差的常规方法。即，在来自不同方法的模糊度集之间可能存在需要在比较之前移除的集之间的共同(整周)偏差。第二，可将使用一个模糊度解算方法计算的整个模糊度集与使用第二整周模糊度解算方法计算的整个模糊度集进行比较，并且如果存在任何不匹配则声明整个解无效。第三，可将使用一种模糊度解算方法计算的基线与使用第二整周模糊度解算方法计算的基线进行比较，并且将从不匹配其他基线的子集计算的基线声明为正确的整周模糊度集。
由于模糊度都是整周，因此只需当(时钟校正的)模糊度完全相等时，声明模糊度匹配。这些模糊度比较选项中的任一个将提供完好性作为每种单独方法的完好性值的乘积。换句话讲，如果方法1提供1e-5的不正确定位的概率，并且方法2提供1e-6的不正确定位的概率，则比较解并仅在它们匹配时接受它们的结果将提供1e-11的不正确定位的概率。
图7中示出了用于解算整周模糊度解208的多解流程图700的示例。如流程图所示，该过程开始于在框(704)处从框(702-1至702-n)收集不同的整周模糊度解算。框(704)比较来自框(702-1至702-n)的解算的整周模糊度解。如果在框(706)处确定解相等(或在设定的相等范围内)，则在图2的流程图200的框(210)处使用整周模糊度解算来确定3D姿态。在该示例中，如果在框(706)处确定解不相等，则该过程在框(702-1至702-n)处继续以获得新的整周模糊度解算。
在图8的整周模糊度解流程图800中提供了用于在框(208)中确定整周模糊度解的完好性的又一个实施方案。该示例流程图从框(802)处开始，其中使用差分载波相位测量值来应用LSE解，其中在至少两个天线之间应用整周模糊度。在计算LSE解后，在框(804)处观察测量值残差。然后在框(806)处应用瞬时测试，该瞬时测试将残差中的至少一个和一个集合的残差的RSS与选择的瞬时阈值进行比较，以立即消除整周模糊度候选项，这些整周模糊度候选项的残差大于由于测量值误差而可能出现的残差。然后在框(808)处，在一段时间内应用间隔测试，以消除在该时间段内的用户选择数量的间隔内大于间隔阈值的整周模糊度候选项，从而解决载波相位测量值误差。然后在框(810)处将解分离函数应用于载波相位测量值，这选择性地将不同载波相位测量值子集解彼此进行比较。然后将结果提供给图2的流程图200的框(210)。
如上所述，在一个实施方案中，LSE残差用于解分离函数中。如何确定LSE残差的示例在图9的残差流程图900中示出。在该示例中，在天线902-1和902-2处接收来自多个卫星的卫星信号。信号被传送到其相应的接收机904-1和904-2。在框(906-1至906-n)和框(908-1至908n)处确定由每个卫星发射并在每个天线902-1和902-2处接收的每个信号的载波相位。在框(910)处确定来自卫星的每个信号的载波相位测量值的单个差值(SD)。在框(912)处，使用所有单个差值来确定LSE天线相对位置。在框(914)处，预测基于天线相对位置的SD。框(914)处的天线相对位置的每个预测值与来自框(910)的每个相关联的SD混合以确定单独的LSE残差。
示例性实施方案
实施例1是具有三维姿态确定系统的载具。所述系统包括至少两个全球导航卫星系统(GNSS)天线，所述GNSS天线用于接收GNSS信号，和至少一个接收机。所述至少一个接收机与所述至少两个GNSS天线通信。所述至少一个接收机被配置为解算与来自所述所接收的GNSS信号的GNSS载波相位测量值相关联的整周模糊度。所述至少一个接收机还被配置为确保与所述GNSS载波相位测量值相关联的整周模糊度解的完好性。所述至少一个接收机被配置为利用所述整周模糊度来确定所述载具的三维姿态，同时考虑所述所确定的整周模糊度解的完好性。确定所述整周模糊度解的完好性包括以下的至少一者：使用差分载波相位测量值应用最小二乘误差解，其中在所述至少两个天线之间应用整周模糊度；在计算所述最小二乘误差(LSE)解并应用瞬时测试和间隔测试之后观察测量值残差，所述瞬时测试将至少一个测量值残差与用户选择的瞬时阈值进行比较，以立即消除其残差大于由于测量值误差而可能出现的残差的整周模糊度候选项，并且所述间隔测试在一时间段内应用，以消除大于所述时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项，从而解决载波相位测量值误差；以及应用使用载波相位测量的组合的解分离函数，所述解分离函数选择性地将不同的载波相位测量子集解彼此进行比较。
实施例2包括根据实施例1所述的具有三维姿态确定系统的载具，其中确定整周模糊度解的完好性还包括比较所述所应用的整周模糊度解的完好性中的至少两者的解。
实施例3包括根据实施例1至2中任一项所述的具有三维姿态确定系统的载具，其中确定整周模糊度解的完好性还包括当在用户选择时间段内所述间隔测试未检测到大于所述间隔阈值的整周模糊度候选项时声明解算的整周模糊度解。
实施例4包括根据实施例1至3中任一项所述的具有三维姿态确定系统的载具，其中所述至少一个测量值残差是以下至少一者：基线残差，所述基线残差是所述天线之间的已知距离和计算距离之间的差值；单独残差，所述单独残差是单独差分载波相位测量值与使用所有视野内卫星的LSE解之间的LSE残差；复合残差，所述复合残差是单独LSE残差的平方和的平方根，以及辅助残差，所述辅助残差是由所述LSE解产生的姿态与由不同传感器组提供的估计姿态解之间的差值。
实施例5包括根据实施例1至4中任一项所述的具有三维姿态确定系统的载具，其中在一时间段内进行的以消除大于所述时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项从而解决载波相位测量值误差的所述间隔测试还包括跟踪连续的失败数和跟踪连续的通过数中的至少一者。
实施例6包括根据实施例1至5中任一项所述的具有三维姿态确定系统的载具，其中所述至少一个接收机还包括至少一个处理器和至少一个存储器单元，所述至少一个处理器被配置为解算与来自所述所接收的GNSS信号的所述GNSS载波相位测量值相关联的所述整周模糊度，所述至少一个存储器单元用于至少部分地存储操作指令，所述至少一个处理器使用所述操作指令来解算与来自所述所接收的GNSS信号的所述GNSS载波相位测量值相关联的所述整周模糊度。
实施例7包括具有三维姿态确定系统的载具，所述三维姿态确定系统包括多个间隔开的天线和至少一个处理器。所述多个间隔开的天线被配置为接收卫星信号。所述至少一个处理器被配置为解算与来自所述所接收的卫星信号的全球导航卫星系统(GNSS)载波相位测量值相关联的整周模糊度。所述至少一个处理器被进一步配置为确定与所述GNSS载波相位测量值相关联的整周模糊度解的完好性。所述至少一个处理器还被配置为利用所述整周模糊度来确定所述载具的三维姿态，同时考虑所述所确定的整周模糊度解的完好性。确定所述整周模糊度解的完好性包括：使用差分载波相位测量值应用最小二乘误差解，其中在所述至少两个天线之间应用整周模糊度；在计算所述最小二乘误差解并应用瞬时测试和间隔测试之后观察测量值残差，所述瞬时测试将至少一个测量值残差与用户选择的瞬时阈值进行比较，以立即消除其残差大于由于测量值误差而可能出现的残差的整周模糊度候选项，并且所述间隔测试在一时间段内应用，以消除大于所述时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项，从而解决载波相位测量值误差；以及应用使用载波相位测量的组合的解分离函数，所述解分离函数选择性地将不同的载波相位测量子集解彼此进行比较。
实施例8包括根据实施例7所述的具有三维姿态确定系统的载具，所述系统还包括至少一个存储器单元和至少一个传感器，所述至少一个存储器单元用于至少部分地存储操作指令，所述至少一个处理器使用所述操作指令来确定所述整周模糊度解的完好性，所述至少一个传感器用于生成具有三维姿态相关信息的信号。所述至少一个传感器与所述至少一个处理器通信。
实施例9包括根据实施例7至8中任一项所述的具有三维姿态确定系统的载具，其中至少一个处理器被配置为比较所述整周模糊度解的至少两个所述所应用的完好性测试的解。
实施例10包括根据实施例7至9中任一项所述的具有三维姿态确定系统的载具，其中所述至少一个处理器被配置为当所述间隔测试在用户所选择的时间段内未检测到大于所述间隔阈值的整周模糊度候选项时声明解算的整周模糊度解。
实施例11包括根据实施例7至10中任一项所述的具有三维姿态确定系统的载具，其中所述至少一个测量值残差是以下至少一者：基线残差，所述基线残差是所述天线之间的已知距离和计算距离之间的差值；单独残差，所述单独残差是单独差分载波相位测量值与使用所有视野内卫星的LSE解之间的LSE残差；复合残差，所述复合残差是单独LSE残差的平方和的平方根，以及辅助残差，所述辅助残差是由所述LSE解产生的姿态与由不同传感器组提供的估计姿态解之间的差值。
实施例12包括根据实施例7至11中任一项所述的具有三维姿态确定系统的载具，其中在一时间段内进行的以消除大于所述时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项从而解决载波相位测量值误差的所述间隔测试还包括跟踪连续的失败数和跟踪连续的通过数中的至少一者。
实施例13包括确定三维姿态的方法。所述方法包括从多个卫星接收卫星信号；测量在多个间隔开的天线处接收的每个卫星信号的载波相位；确定在每个天线处接收的来自每个卫星的每个卫星信号的所述所测量的载波相位之间的载波相位差；通过以下方式解算具有完好性的整周模糊度：使用差分载波相位测量值应用最小二乘误差解，其中在所述多个天线的至少两个天线之间应用整周模糊度，以及在计算所述最小二乘误差解并应用瞬时测试和间隔测试之后观察测量值残差，所述瞬时测试将至少一个测量值残差与用户选择的瞬时阈值进行比较，以立即消除其残差大于由于测量值误差而可能出现的残差的整周模糊度候选项，并且所述间隔测试在一时间段内应用，以消除大于所述时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项，从而解决载波相位测量值误差；以及在完成所述整周模糊度解算的完好性检查时，根据所述所确定的载波相位差确定三维姿态。
实施例14包括根据实施例13所述的方法，其中解算整周完好性模糊度解还包括将解分离函数应用于载波相位测量值，所述解分离函数选择性地将不同载波相位测量子集解彼此进行比较。
实施例15包括根据实施例14所述的方法，所述方法还包括利用解分离函数识别具有大的误差的相位载波测量值；以及移除具有所述所识别的大的误差的相位载波测量值。
实施例16包括根据实施例14所述的方法，所述方法还包括在确定整周完好性模糊度解中比较应用最小二乘误差解、瞬时测试、间隔测试和解分离函数中的至少两者的结果。
实施例17包括根据实施例13至16中任一项所述的方法，所述方法还包括当所述间隔测试在用户所选择的时间段内未检测到大于所述间隔阈值的整周模糊度候选项时声明解算的整周模糊度解。
实施例18包括根据实施例13至17中任一项所述的方法，其中所述至少一个测量值残差是以下至少一者：基线残差，所述基线残差是所述天线之间的已知距离和计算距离之间的差值；单独残差，所述单独残差是单独差分载波相位测量值与使用所有视野内卫星的LSE解之间的LSE残差；复合残差，所述复合残差是单独LSE残差的平方和的平方根，以及辅助残差，所述辅助残差是由所述LSE解产生的姿态与由不同传感器组提供的估计姿态解之间的差值。
实施例19包括根据实施例13至18中任一项所述的方法，其中在一时间段内进行的以消除大于所述时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项从而解决载波相位测量值误差的所述间隔测试还包括在消除整周模糊度候选项时跟踪整周模糊度候选项高于所述间隔阈值的连续时段数。
实施例20包括根据实施例13至19中任一项所述的方法，所述方法还包括在解算所述整周模糊度解时跟踪整周模糊度候选项低于所述间隔阈值的连续时段数。
尽管本文已说明和描述了特定实施方案，但本领域的普通技术人员将认识到，经计算以实现相同目的的任何布置可替代所展示的特定实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何修改或变型。因此，显而易见的是，本发明仅受权利要求书以及其等同物所限制。

Claims (3)

1.一种具有三维姿态确定系统的载具(102)，包括：
至少两个全球导航卫星系统(GNSS)天线(120)，所述GNSS天线用于接收GNSS信号；和
至少一个接收机(106)，所述至少一个接收机(106)与所述至少两个GNSS天线(120)通信，所述至少一个接收机(106)被配置为解算与来自所述所接收的GNSS信号的GNSS载波相位测量值相关联的整周模糊度，所述至少一个接收机(106)还被配置为确保与所述GNSS载波相位测量值相关联的整周模糊度解的完好性，所述至少一个接收机(106)被配置为利用所述整周模糊度来确定所述载具的姿态，同时考虑所确定的整周模糊度解的完好性，其中确定所述整周模糊度解的完好性包括以下的至少一者：
使用差分载波相位测量值应用最小二乘误差解，其中在所述至少两个天线之间应用整周模糊度，
在计算所述最小二乘误差解并应用瞬时测试和间隔测试之后观察测量值残差，所述瞬时测试将至少一个测量值残差与用户选择的瞬时阈值进行比较，以立即消除其残差大于由于测量值误差而可能出现的残差的整周模糊度候选项，并且所述间隔测试在一时间段内应用，以消除大于所述时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项，从而解决载波相位测量值误差，以及
应用使用载波相位测量的组合的解分离函数，所述解分离函数选择性地将不同的载波相位测量子集解彼此进行比较。
2.一种具有三维姿态确定系统的载具(102)，包括：
多个间隔开的天线(104)，所述多个间隔开的天线被配置为接收卫星信号；和
至少一个处理器(110)，所述至少一个处理器被配置为解算与来自所述所接收的卫星信号的全球导航卫星系统(GNSS)载波相位测量值相关联的整周模糊度，所述至少一个处理器(110)被进一步配置为确保与所述GNSS载波相位测量值相关联的整周模糊度解的完好性，所述至少一个处理器(110)被配置为利用所述整周模糊度来确定所述载具的三维姿态，同时考虑所述所确定的整周模糊度解的完好性，其中确定所述整周模糊度解的完好性包括：
使用差分载波相位测量值应用最小二乘误差解，其中在所述至少两个天线(104)之间应用整周模糊度，
在计算所述最小二乘误差解并应用瞬时测试和间隔测试之后观察测量值残差，所述瞬时测试将至少一个测量值残差与用户选择的瞬时阈值进行比较，以立即消除其残差大于由于测量值误差而可能出现的残差的整周模糊度候选项，并且所述间隔测试在一时间段内应用，以消除大于所述时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项，从而解决载波相位测量值误差，以及
应用使用载波相位测量的组合的解分离函数，所述解分离函数选择性地将不同的载波相位测量子集解彼此进行比较。
3.一种确定三维姿态的方法，所述方法包括：
从多个卫星(120)接收卫星信号；
测量在多个间隔开的天线(104)处接收的每个卫星信号的载波相位；
确定在每个天线(104)处接收的来自每个卫星的每个卫星信号的所述所测量的载波相位之间的载波相位差；
通过以下方式解算具有完好性的整周模糊度：
使用差分载波相位测量值应用最小二乘误差解，其中在所述多个天线的至少两个天线之间应用整周模糊度，以及
在计算所述最小二乘误差解并应用瞬时测试和间隔测试之后观察测量值残差，所述瞬时测试将至少一个测量值残差与用户选择的瞬时阈值进行比较，以立即消除其残差大于由于测量值误差而出现的残差的整周模糊度候选项，并且所述间隔测试在一时间段内应用，以消除大于所述时间段内的用户选择数量的间隔上的间隔阈值的整周模糊度候选项，从而解决载波相位测量值误差；以及
在完成所述整周模糊度解算的完好性检查时，根据所述所确定的载波相位差确定三维姿态。
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