CN114280656A - 一种gnss系统的测姿方法和系统 - Google Patents

Abstract

本申请实施例公开了一种GNSS系统的测姿方法和系统，所述GNSS系统包括与第一天线相连的第一接收机和与第二天线相连的第二接收机，其特征在于，所述GNSS系统还包括惯性测量单元IMU，与第一接收机相连，所述方法应用于第一接收机，所述方法包括：初始化以IMU构建的惯性导航系统INS；控制INS系统基于初始化信息执行测姿操作；对INS系统和GNSS系统输出的测姿信息进行获取操作，根据得到的测姿信息，生成目标测姿信息。

Description

一种GNSS系统的测姿方法和系统

技术领域

本申请实施例涉及信息处理领域，尤指一种GNSS系统的测姿方法和系统。

背景技术

为了提高移动网络的运行质量，运营商建造了大量的基站和机房。基站天线是基站接收站与卫星空间站之间用来传递信息的枢纽，其中的天线姿态参数的变化会影响到移动通信网络的质量，准确测量基站天线的姿态角对于保证通信状态畅通和及时修复通信故障有着重要意义。

在移动通信的蜂窝网络中，基站天线的经纬度、方位角和姿态角的准确性对网络规划和优化会产生巨大的影响。现有技术中，关于天线姿态测量的产品主要以双天线GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)的测量仪器为主。采用双天线GNSS进行测量时，在卫星失锁状态时无法持续提供姿态信息。

发明内容

为了解决上述任一技术问题，本申请实施例提供了一种GNSS系统的测姿方法和系统。

为了达到本申请实施例目的，本申请实施例提供了一种GNSS系统的测姿方法，所述GNSS系统包括与第一天线相连的第一接收机和与第二天线相连的第二接收机，所述GNSS系统还包括惯性测量单元IMU，与第一接收机相连，所述方法应用于第一接收机，所述方法包括：

初始化以IMU构建的惯性导航系统INS系统；

控制INS系统基于初始化信息执行测姿操作；

对INS系统和GNSS系统输出的测姿信息进行获取操作，根据得到的测姿信息，生成目标测姿信息。

一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上文所述的方法。

一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上文所述的方法。

一种GNSS系统的测姿系统，包括：

与第一天线相连的第一接收机，设置有上文所述的电子装置；

与第二天线相连的第二接收机，与第一接收机相连；

设置有IMU的INS系统，与第一接收机相连。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点或有益效果：

在双天线测姿系统中设置IMU，构建GNSS/INS系统的组合测姿系统，利用INS系统的测姿结果来保证测姿信号的连续性。

本申请实施例的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请实施例而了解。本申请实施例的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本申请实施例技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请实施例的实施例一起用于解释本申请实施例的技术方案，并不构成对本申请实施例技术方案的限制。

图1为本申请实施例提供的GNSS系统的测姿系统的示意图；

图2为本申请实施例提供的GNSS系统的测姿方法的流程图；

图3为本申请实施例提供的目标测姿结果的处理方法的示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文中将结合附图对本申请实施例的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

图1为本申请实施例提供的GNSS系统的测姿系统的示意图。如图1所示，所述GNSS系统包括与第一天线相连的第一接收机和与第二天线相连的第二接收机，所述GNSS系统还包括惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)，与第一接收机相连。

GNSS系统中设置有两个独立的卫星导航接收机，其中每个接收机连接一个天线，第一接收机负责向第二接收2输出原始观测量，第二接收2进行载波相位差分定位并将计算结果反馈到第一接收机。两个接收机通过执行载波相位双差观测方程可以消除卫星钟差、接收机钟差和传播途径带来的额外误差，大大提高了测量的精度，也在很大程度上提高了载体姿态测量的精度。

以IMU构建的惯性导航系统(Inertial Navigation System，INS系统)与第一接收机相连，由第一接收机1进行下INS/GNSS组合测姿计算。

图2为本申请实施例提供的GNSS系统的测姿方法的流程图。如图2所示，在图1所示系统结构中，第一接收机所执行的方法包括：

步骤201、初始化以IMU构建的INS系统；

其中该INS系统的初始化信息包括第一接收机确定的载体的航向角以及IMU确定得到的载体的俯仰角和横滚角；

在一个示例性实施例中，利用载波相位差值建立测姿模型，通过双天线GNSS之间的精确相对定位，实现载体航向角的估计；利用INS系统中的三轴加速度计计算得到的载体俯仰角和横滚角作为初始姿态信息,并建立INS/GNSS组合系统。

其中，载体的航向角可以通过固定在载体上的双天线的基线向量确定。将两台接收机稳稳地固定在刚性载体上，两台接收机的天线构成了一个二维基线向量，这个基线向量反应了载体的二维姿态。以载波相位测量值为观测对象，通过不同接收机、不同卫星、不同历元之间的载波相位插值，精确求解基线向量在东北天坐标系中的坐标关系，就能够精确确定载体的航向角，并将该航向角值作为INS系统初始的航向角。

步骤202、控制INS系统基于初始化信息执行测姿操作；

在一个示例性实施例中，在完成INS系统初始化后，第一接收机可以通知INS系统进行测姿操作。

步骤203、对INS系统和GNSS系统输出的测姿信息进行获取操作，根据得到的测姿信息，生成目标测姿信息。

在一个示例性实施例中，在第i个历元中能接收到GNSS信号时，获取INS系统的第i个历元的测姿结果和GNSS的第i个历元的测姿结果之间的第i个差值信息；根据所述第i个差值信息确定第i个历元的目标测姿结果；在第i个历元中不能接收到GNSS信号时，根据INS系统的测姿结果生成目标测姿信息；其中，i为正整数。

在有卫星信号下进行INS/GNSS组合测姿，在卫星失锁的情况下INS系统可以持续提供所需的姿态信息，从而保证测姿信号的连续性。

本申请实施例提供的方法，在双天线测姿系统中设置IMU，构建GNSS/INS系统的组合测姿系统，利用INS系统的测姿结果来保证测姿信号的连续性。

下面对本申请实施例提供的方法进行说明：

在一个示例性实施例中，所述初始化以IMU构建的INS系统，包括：

确定载体坐标系中的俯仰角、横滚角和航向角；

利用载体坐标系中的俯仰角、横滚角和航向角，生成INS系统坐标系转换到载体坐标系的转换矩阵；

利用加速计在载体坐标系的投影以及所述转换矩阵，确定加速计在INS系统坐标系的目标坐标；

利用所述目标坐标计算得到INS系统初始化所需的俯仰角和横滚角；

利用第一接收机计算所得的航向角初始化INS系统初始化所需的航向角；

利用第一接收机计算所得的位置和速度作为INS系统初始化所需的位置和速度；

利用INS系统初始化所需的俯仰角、横滚角和航向角以及位置和速度信息执行INS系统的初始化操作。

下面对初始化过程中进行具体说明：

惯性导航系统在进入组合导航工作之前需要进行初始对准。初始对准操作对INS系统在初始时刻的位置、速度、姿态信息和航向角进行赋值，其中姿态信息包括俯仰角和横滚角。

初始对准所使用的位置和速度由GNSS接收机完成定位后进行赋值，俯仰角和横滚角是利用加速度计计算得到，航向角是利用GNSS双天线解算所得的。

由于GNSS系统基本上保持静止，且与基线矢量具有相同的航向角，因此可以利用双天线反馈的基线向量航向角进行初始对准，此时GNSS坐标系与载体坐标系可以认为重合，即，IMU的导航坐标系为坐标系b，载体坐标系为n，安装角设置为固定安装加速度计测量原理，静态下加速度计应敏感重力的反向力，则加速度计在载体坐标系n系中的投影为-gⁿ，其在IMU坐标系b系的投影可以表示为：

式中，

代表导航坐标系到载体坐标系的旋转矩阵，具体如下：

其中，θ为载体的俯仰角，γ为载体的横滚角，

为载体的航向角。

在确定转换矩阵

后，可以利用在IMU坐标系b系中投影-gⁿ，确定加速计在INS系统中的坐标f^b；利用加速计在INS系统中的坐标f^b计算INS系统的初始化的俯仰角和横滚角。

其中，采用如下计算表达式，利用加速计在INS系统中的坐标f^b进行计算，包括：

INS系统的初始化的俯仰角为

INS系统的初始化的横滚角为

其中，载体坐标系的俯仰角、横滚角和航向角是通过如下方式得到的，包括：

GPS测姿方法主要采用载波相位测量计数，载波相位观测方程可以表示为：

其中，

表示载波相位观测值，λ标志载波波长，R表示卫星到接收机的距离，ρ_ion表示电离层延迟，ρ_trop表示对流层延迟，ρ_eph表示卫星星历误差，ρ_mp表示多路径效应误差，N为初始整周模糊度，ε_a为卫星钟差，ε_b为接收机钟差。

由于卫星接收机距离远大于两个天线之间的距离，因此可以认为卫星发出的GPS信号到达两个接收机的路径是一致的，所以将载波相位观测值在接收机之间求单差即可消除卫星相关的误差。沿载体纵轴方向安装两根GPS天线1和2，其坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，利用上文介绍的载波相位测量方程可得天线1和2基线向量沿载体坐标系的分量：

故可得载体的航向角和俯仰角分别为：

在一个示例性实施例中，所述获取INS系统的第i个测姿结果GNSS系统的第i个测姿结果和之间的第i个差值信息，包括：

如果GNSS系统能够得到航向角，则第i个差值信息包括INS系统确定的位置和GNSS系统确定的位置之间的差值、INS系统确定的速度值和GNSS系统确定的速度值之间的差值、以及INS系统确定的航向角和GNSS系统确定的航向角之间的差值；

如果GNSS系统不能得到航向角，则第i个差值包括INS系统确定的位置和GNSS系统确定的位置之间的差值以及INS系统确定的速度值和GNSS系统确定的速度值之间的差值。

通过区分是否能获取航向角，来保证第i个差值中记录的数据是基于准确采集的数值得到的，以保证所确定的目标测姿结果的准确性。

在一个示例性实施例中，建立卡尔曼滤波器的过滤模型，其中所述过滤模型的输入参数为同一历元内INS系统的测姿结果和GNSS测姿结果之间的差值；输出参数为该历元的INS系统的测姿误差信息，其中所述测姿误差信息包括位置误差、速度误差和姿态误差的至少一个；

所述根据所述第i个差值信息确定第i个历元的目标测姿结果，包括：

以第i个差值信息作为卡尔曼滤波器的输入参数的取值，获取卡尔曼滤波器的过滤模型的输出结果，得到INS系统的第i个历元的测姿误差信息；

利用所述第i个历元的测姿误差信息对INS系统的第i个历元的测姿结果进行修正，得到目标测姿信息。

利用卡尔曼滤波器的过滤模型对差值信息进行处理，可以INS系统测量结果所存在的误差，实现对INS系统的测姿结果的修正，提高目标测姿结果的准确性。

在一个示例性实施例中，所述测姿误差信息还包括加速度计误差和陀螺仪误差的至少一个；

在INS系统执行第i+1次测姿操作之前，利用第i个历元的测姿误差信息对INS系统中测姿操作中对应的测姿参数进行修正，在完成测姿参数的修正后，再对INS系统的第i+1个测姿结果进行获取。

基于INS系统与双天线组合的测姿系统，可以对INS系统中的累积误差进行校准并修正，为后续准确测姿提供支持。

在一个示例性实施例中，所述根据INS系统的测姿结果生成目标测姿信息，包括：

获取GNSS信号中断前INS系统最后一次的测姿结果；

利用IMU最后一次的测姿结果以及当前的三轴加速计和陀螺仪的信息，利用INS系统的速度、位置和姿态的更新算法计算当前的测姿结果。

1、姿态更新：

选“东-北-天(E-N-U)”地理坐标系(g系)作为捷联惯导系统的导航参考坐标系，记为n系，则以n系作为参考系的姿态微分方程为

其中，矩阵

表示载体系(b系)相对于n系的姿态阵，陀螺仪输出的是b系相对于惯性系(i系)的角速度

ω_ie为地球自转角速率，L和h分别为地理纬度和高度，Vⁿ＝[v_E v_N v_U]^T为东向、北向、天向速度，R_e为地球椭圆长半轴，e为第一偏心率。

2、速度更新：

按照积分思想，t_m时刻的速度Vⁿ _m可以由t_m-1时刻的速度Vⁿ _m-1加上t_m-1时刻到t_m时刻的速度增量获得，其表达式为

f^b为加速度计输出，gⁿ为重力加速度在导航系的投影

3、位置更新：

INS系统的位置(纬度、经度和高度)微分方程式

其中，

为导航坐标系(n系)相对于地球坐标系(e系)的角速度在n系的投影，R_N为卯酉圈主曲率半径、R_M为子午圈主曲率半径；

采用上述方式可以实现当前的测姿结果的计算。

图3为本申请实施例提供的目标测姿结果的处理方法的示意图。如图3所示，所述方法包括：

情景1：在GNSS系统可以计算得到航向角的情况下，INS/GNSS组合导航系统1采用INS系统推算的位置和速度与GNSS测量得到的位置、速度和航向角之差作为量测信息：

Z1＝[P_INS-P_GNSS,Vel_INS-Vel_GNSS，ψ_ins-ψ_GNSS]

式中，Z1为卡尔曼滤波量测信息，选取INS系统推算的位置P_INS、速度Vel_INS、航向ψ_ins和GNSS计算得到的位置P_GNSS、速度Vel_GNSS、航向ψ_GNSS之差作为量测信息。

情:2：在GNSS可以正常解算得到速度、位置但无法计算得到航向角的情况下，INS/GNSS松组合导航系统2采用INS系统推算的位置和速度与GNSS测量得到的位置、速度之差作为量测信息

Z2＝[P_INS-P_GNSS,Vel_INS-Vel_GNSS]

式中，Z2为卡尔曼滤波量测信息，选取INS系统推算的位置P_INS、速度Vel_INS、和GNSS计算得到的位置P_GNSS、速度Vel_GNSS之差作为量测信息。

情景3：在GNSS信号中断的情况下，利用INS系统中采集得到三轴加速度、三轴角速度信息进行递推得到载体的俯仰角、横滚角、航向角、东向、北向、天向速度和经度、纬度、高度信息。

在情景1和情景2中，将卡尔曼滤波用于组合导航算法模型中，INS/GNSS松组合导航系统1和INS/GNSS松组合导航系统2采用相同的状态向量，即INS系统位置误差、速度误差、姿态误差、加速度计误差、陀螺仪误差：

式中，X为卡尔曼滤波状态向量，δN,δE,δD为INS系统解算的东向、北向和天向位置误差、δV_E,δV_N,δV_D为INS系统解算的东向、北向和天向速度误差、

INS系统的姿态误差、

为INS系统中X、Y和Z轴的加速度计误差、ε_bx,ε_by,ε_bz为INS系统中X、Y和Z轴的陀螺仪误差。

利用卡尔曼滤波处理得到的输出结果对INS系统输出的测姿结果进行修正，得到目标测姿结果；还可以将卡尔曼滤波处理得到的输出结果反馈给INS系统，实现对INS系统测姿操作的校正，提升后续测姿操作的准确性。

本申请实施例提供一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行上文任一项中所述的方法。

本申请实施例提供一种电子装置，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行上文任一项中所述的方法。

本申请实施例提供一种GNSS系统的测姿系统，包括：

与第一天线相连的第一接收机，设置有上文所述的电子装置；

与第二天线相连的第二接收机，与第一接收机相连；

设置有IMU的INS系统，与第一接收机相连。

本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质(或非暂时性介质)和通信介质(或暂时性介质)。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息(诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据)的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。

Claims (10)

1.一种GNSS系统的测姿方法，所述GNSS系统包括与第一天线相连的第一接收机和与第二天线相连的第二接收机，其特征在于，所述GNSS系统还包括惯性测量单元IMU，与第一接收机相连，所述方法应用于第一接收机，所述方法包括：

初始化以IMU构建的惯性导航系统INS；

控制INS系统基于初始化信息执行测姿操作；

对INS系统和GNSS系统输出的测姿信息进行获取操作，根据得到的测姿信息，生成目标测姿信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，初始化以IMU构建的INS系统，包括：

确定载体坐标系中的俯仰角、横滚角和航向角；

利用载体坐标系中的俯仰角、横滚角和航向角，生成INS系统坐标系转换到载体坐标系的转换矩阵；

利用加速计在载体坐标系的投影以及所述转换矩阵，确定加速计在INS系统坐标系的目标坐标；

利用所述目标坐标计算得到INS系统初始化所需的俯仰角和横滚角；

利用第一接收机计算所得的航向角初始化INS系统初始化所需的航向角；

利用第一接收机计算所得的位置和速度作为INS系统初始化所需的位置和速度；

利用INS系统初始化所需的俯仰角、横滚角和航向角以及位置和速度信息执行INS系统的初始化操作。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据得到的测姿信息，生成目标测姿信息，包括：

在第i个历元中能接收到GNSS信号时，获取INS系统的第i个历元的测姿结果和GNSS的第i个历元的测姿结果之间的第i个差值信息；根据所述第i个差值信息确定第i个历元的目标测姿结果；

在第i个历元中不能接收到GNSS信号时，根据INS系统的测姿结果生成目标测姿信息；

其中，i为正整数。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述获取INS系统的第i个测姿结果GNSS系统的第i个测姿结果和之间的第i个差值信息，包括：

如果GNSS系统能够得到航向角，则第i个差值信息包括INS系统确定的位置和GNSS系统确定的位置之间的差值、INS系统确定的速度值和GNSS系统确定的速度值之间的差值、以及INS系统确定的航向角和GNSS系统确定的航向角之间的差值；

如果GNSS系统不能得到航向角，则第i个差值包括INS系统确定的位置和GNSS系统确定的位置之间的差值以及INS系统确定的速度值和GNSS系统确定的速度值之间的差值。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

建立卡尔曼滤波器的过滤模型，其中所述过滤模型的输入参数为同一历元内INS系统的测姿结果和GNSS测姿结果之间的差值；输出参数为该历元的INS系统的测姿误差信息，其中所述测姿误差信息包括位置误差、速度误差和姿态误差的至少一个；

所述根据所述第i个差值信息确定第i个历元的目标测姿结果，包括：

以第i个差值信息作为卡尔曼滤波器的输入参数的取值，获取卡尔曼滤波器的过滤模型的输出结果，得到INS系统的第i个历元的测姿误差信息；

利用所述第i个历元的测姿误差信息对INS系统的第i个历元的测姿结果进行修正，得到目标测姿信息。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述测姿误差信息还包括加速度计误差和陀螺仪误差的至少一个；

在INS系统执行第i+1次测姿操作之前，利用第i个历元的测姿误差信息对INS系统中测姿操作中对应的测姿参数进行修正，在完成测姿参数的修正后，再对INS系统的第i+1个测姿结果进行获取。

7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据INS系统的测姿结果生成目标测姿信息，包括：

获取GNSS信号中断前INS系统最后一次的测姿结果；

利用IMU最后一次的测姿结果以及当前的三轴加速计和陀螺仪的信息，利用INS系统的速度、位置和姿态的更新算法计算当前的测姿结果。

8.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，其中，所述计算机程序被设置为运行时执行所述权利要求1至7任一项中所述的方法。

9.一种电子装置，包括存储器和处理器，其特征在于，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器被设置为运行所述计算机程序以执行所述权利要求1至7任一项中所述的方法。

10.一种GNSS系统的测姿系统，包括：

与第一天线相连的第一接收机，设置有如权利要求9所述的电子装置；

与第二天线相连的第二接收机，与第一接收机相连；

设置有IMU的INS系统，与第一接收机相连。

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