CN116088021B - 一种基于天线布局的测姿方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于天线布局的测姿方法，能够提高载波相位测量姿态信息的速度和精度。本发明通过短基线和中基线相结合的五阵元天线布局，可以在保证测姿精度的前提下缩短测姿时间，能够提高飞行器姿态测量的实时性，提高载波相位测量姿态信息的速度和精度。根据短基线载波相位单差粗测信号方位；根据长基线载波相位单差解算整周模糊度；将载波相位双差带入到观测方程，解算基线信息；根据基线信息解算飞行器姿态，能够保证载波的正常跟踪。

Description

一种基于天线布局的测姿方法

技术领域

本发明涉及导航定位测姿技术领域，具体涉及一种基于天线布局的测姿方法。

背景技术

目前，在进行导航定位的过程中，卫星到用户的伪距是接收机实现单点绝对定位的必要条件，伪距是测距码信号的传播速度乘以测距码从卫星传送到用户接收机天线时所需时间计算出的传播距离。除了伪距之外，接收机从卫星信号中获得的另一个基本测量值是载波相位，它在高精度定位中起着关键作用。在实际应用中，伪距测量和载波相位测量都有很多应用之处。目前接收机伪码测量精度大约为一个码元宽度的千分之一，即：C/A码约为0.3m，P码约为0.03m。而载波相位测量由于载波频率高，波长短，所以其测量精度一般可以达到1mm~2mm，广泛的用于高精度测量定位中。

通过载波相位测量姿态信息具有很高的精度，但其缺点是需要进行整周模糊度的解算，由于解算整周模糊度需要较大的计算量，因此降低了实时性。目前基于载波相位的测姿方法大多采用双差法，先求解整周模糊度，然后根据载波相位值进行载体的姿态测量。而在求解整周模糊度时，使用最多的是基于目标函数直接构造搜索空间的LAMBDA方法，但这种方法也需要较长的搜索时间。

发明内容

有鉴于此，本发明提出了一种基于天线布局的测姿方法，能够提高载波相位测量姿态信息的速度和精度。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种基于天线布局的测姿方法，包括以下步骤：

步骤1，根据载波波长构建无模糊天线配置模型；其中，所述无模糊天线配置模型至少包括5个阵元，构成两个短基线和两个长基线；

步骤2，利用接收机测得所述无模糊天线配置模型中各个阵元的载波相位；根据载波相位得到短基线载波相位单差和长基线载波相位单差；根据长基线载波相位单差计算载波相位双差；根据短基线载波相位单差计算卫星粗侧信号方位；根据长基线载波相位单差和所述卫星粗侧信号方位解算整周模糊度；

步骤3，将载波相位双差和整周模糊度带入到观测方程，解算基线信息；根据基线信息解算飞行器姿态。

其中，所述步骤1中，无模糊天线配置模型由5个天线阵元A1、A2 、A3、A4和A5组成，阵元A1、A2和A4共线，阵元A1、A3和A5共线，阵元A1和A4构成的基线和阵元A1和A5构成的基线为短基线，阵元A1和A2构成的基线和阵元A1和A3构成的基线为长基线，两短基线长度相同，两长基线长度相同；短基线长度根据所述载波波长确定；长基线长度/>根据短基线天线/>的最大测量误差/>设置，/>，其中，/>为当前卫星几何分布情况下的精度因子，/>为载波相位的最大测量误差。

其中，对于接收GPS的L1载波，在使用短基线测姿天线的情况下，设计短基线测姿天线A4A5与参考阵元A1的距离小于或等于GPS的L1载波波长/>的一半，使得短基线进行载波相位测量时其测量值均在一个整周内；

长基线长度与误差关系为：。

其中，所述步骤2中，所述接收机对各阵元天线的信号线等长，并采用统一的时钟通过ADC进行导航信号的采集，得到各个阵元的载波相位。

其中，所述步骤2中，根据短基线载波相位单差按照如下公式计算卫星粗侧信号方位：

其中，和/>为第i颗和第j颗卫星的载波相位单差，/>为短基线长度，/>和/>为卫星方位角度/>和/>的粗测值即卫星粗侧信号方位，λ为待测信号频率的波长；i=1,2…n，j=1,2…n，n为导航卫星数目；

所述根据所述载波相位单差和所述卫星粗侧信号方位，按照如下公式求得整周模糊度：

其中，为长基线长度，floor为向下取整函数。

有益效果：

1、本发明通过短基线和中基线相结合的五阵元天线布局，可以在保证测姿精度的前提下缩短测姿时间，能够提高飞行器姿态测量的实时性，提高载波相位测量姿态信息的速度和精度。

2、本发明根据短基线载波相位单差粗测信号方位；根据长基线载波相位单差解算整周模糊度；将载波相位双差带入到观测方程，解算基线信息；根据基线信息解算飞行器姿态，能够保证载波的正常跟踪。

3、本发明方法中，基于五阵元天线载波相位双差的姿态解算方法，由于无模糊天线的特性保证了在姿态测量时整周模糊度的确定，使得本发明适用于在高动态飞行器上，只要能够保证载波的正常跟踪，就可以实时进行姿态的测量。

附图说明

图1为本发明无模糊天线配置模型示意图。

图2为本发明姿态测量接收机前端示意图。

图3为本发明载体坐标系示意图。

图4为本发明实施例8星姿态解算仿真结果。

图5为本发明实施例4星姿态解算仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于天线布局的测姿方法，包括以下步骤：

步骤1，根据载波波长构建无模糊天线配置模型；其中，所述无模糊天线配置模型至少包括5个阵元，构成两个短基线和两个长基线。

本实施例中无模糊天线配置模型如图1所示，由5个天线阵元组成，阵元A1、A2和A4共线，阵元A1、A3和A5共线，阵元A1和A4构成的基线和阵元A1和A5构成的基线为短基线，阵元A1和A2构成的基线和阵元A1和A3构成的基线为长基线，两短基线长度相同，两长基线长度相同，两长基线的夹角不作要求；短基线长度根据所述载波波长确定；长基线长度/>根据短基线天线/>的最大测量误差/>设置，/>，其中，/>为当前卫星几何分布情况下的精度因子DOP（Dilutionof Precision），/>为载波相位的最大测量误差。

以接收GPS的L1（1575.42 MHz）载波为例，在使用短基线测姿天线的情况下，设计短基线测姿天线A4A5与参考阵元A1的距离小于或等于GPS的L1载波波长/>的一半，即基线/>，取/>=90 mm，使得短基线进行载波相位测量时其测量值均在一个整周内。

需要说明的是，长基线长度与误差关系可表示为：

步骤2，利用接收机测得所述无模糊天线配置模型中各个阵元的载波相位；

根据载波相位得到短基线载波相位单差和长基线载波相位单差；根据长基线载波相位单差计算载波相位双差；根据短基线载波相位单差计算卫星粗侧信号方位；根据长基线载波相位单差解算整周模糊度；

本实施例中姿态测量接收机前端如图2所示，所述接收机对各阵元天线的信号线等长，并采用统一的时钟通过ADC进行导航信号的采集，得到各个阵元的载波相位。

本实施例中，根据接收机得到5个阵元中多个导航信号的载波相位；

基于阵元A1、A2和A4的多个导航信号的载波相位，计算短基线A1A4之间多个导航信号的载波相位单差，以及长基线A1 A2之间多个导航信号的载波相位单差/>，根据短基线载波相位单差/>计算导航卫星相对于该基线的角度/>，根据长基线载波相位单差/>和粗测角度/>得到当前信号在当前基线下的整周模糊度/>；

对于阵元A1、A3和A5重复执行上述操作，最终得到不同卫星在长基线A1A2以及长基线A1A3下的整周模糊度，/>，i=1,2…n，n为导航卫星数目。

具体地，根据短基线载波相位单差按照第一公式计算卫星粗侧信号方位，其中所述第一公式为：

其中，和/>为第i颗和第j颗卫星的载波相位单差，/>为短基线长度，/>和/>为卫星方位角度/>和/>的粗测值即卫星粗侧信号方位，λ为待测信号频率的波长；

j=1,2…n；

所述根据所述载波相位单差和所述卫星粗侧信号方位，按照如下公式求得整周模糊度：

其中，为长线长度，floor为向下取整函数。

根据长基线A1 A2以及长基线A1A3中的载波相位单差计算载波相位双差，/>。

步骤3，将载波相位双差和整周模糊度带入到观测方程，解算基线信息；根据基线信息解算飞行器姿态。

具体地，本实施例中，将载波相位双差，/>和整周模糊度/>，/>带入观测方程，求解基线信息：

针对基线A1A2，由此可以组成N-1个方程组成的观测方程组：

针对于基线A1A3，可以组成N-1个方程组成的观测方程组：

其中，N为可观测卫星数目，，/>，/>，/>由接收机测量计算得出，/>代表基线A1A2的矢量，/>，/>分别代表卫星i,j对于基线A1A2的单位方向矢量，/>代表基线A1A3的矢量，/>，/>分别代表卫星i,j对于基线A1A3的单位方向矢量；

通过最小二乘法解算两条基线和/>坐标信息。

具体地，根据所述基线和/>的坐标信息解算载体姿态，主要包括：

建立载体坐标系，如附图3所示，其中以基线A1A2方向作为Y轴，垂直基线A1A2且与A1A2A3共面的方向为X轴，A1为原点，垂直X A1Y的方向为Z轴。A2A1A3的夹角为（本发明中取/>）。根据前面的分析A1A2= A1A3=/>。所以，三个天线的载体坐标系坐标为，/>，；

通过第三公式将载体坐标转换为地理坐标/>，其中所述第三公式为：

其中为旋转矩阵，且：

根据载体坐标和地理坐标的转换关系，通过第四公式可以求出航向角和俯仰角，其中所述第四公式为：

根据所述航向角和俯仰角，通过第五公式求出横滚角，其中所述第五公式为：

通过以上处理，可以实现姿态确认。

下面通过仿真对本发明效果进一步验证说明。

在载波相位测量误差为2mm的情况下，设定短基线长度为90mm，中基线长度为2000mm。采用GPS L1载波，仿真中阵元A1所在位置为北纬40.3528°，东经N 116.66°。首先进行了多星情况下的仿真，可视星为8颗，如多星情况下可视星列表（表1）所示：

表1 多星情况下可视星列表

PRN	11	1	30	7	8	28	27	17
									方位角(°)	139	162	272	216	52	307	63	253
俯仰角(°)	80	59	56	55	47	32	15	12

在8颗星的情况下，精度较高，此时精度因子为HDOP=1.4，VDOP=1.9。此时的角测量精度应该为：仿真结果如图4所示，由图4可以看出，这种方法可以达到分析的精度，具有很高的应用价值。

在可视星为四颗的情况下，可视星如表2所示：

表2 四星情况下可视星列表

PRN	1	30	8	28
					方位角(°)	162	272	52	307
俯仰角(°)	59	56	47	32

在四颗星的情况下，精度因有所降低，此时精度因子为HDOP=2.0，VDOP=3.5。此时的角测量精度应为：仿真结果如图5所示。仿真结果表明，在8星情况下，测角精度在0.27°左右，在4星情况下，测角精度在0.46°左右。采用无模糊天线阵列进行姿态测量能够达到预期的测姿精度，但受DOP值影响较大，在精度因子较低的时候，测姿精度也相应下降。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于天线布局的测姿方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，根据载波波长构建无模糊天线配置模型；其中，所述无模糊天线配置模型至少包括5个阵元，构成两个短基线和两个长基线；

步骤2，利用接收机测得所述无模糊天线配置模型中各个阵元的载波相位；根据载波相位得到短基线载波相位单差和长基线载波相位单差；根据长基线载波相位单差计算载波相位双差；根据短基线载波相位单差计算卫星粗测信号方位；根据长基线载波相位单差和所述卫星粗测信号方位解算整周模糊度；

步骤3，将载波相位双差和整周模糊度带入到观测方程，解算基线信息；根据基线信息解算飞行器姿态；

所述步骤1中，无模糊天线配置模型由5个天线阵元A1、A2 、A3、A4和A5组成，阵元A1、A2和A4共线，阵元A1、A3和A5共线，阵元A1和A4构成的基线和阵元A1和A5构成的基线为短基线，阵元A1和A2构成的基线和阵元A1和A3构成的基线为长基线，两短基线长度相同，两长基线长度相同；短基线长度根据所述载波波长确定；长基线长度/>根据短基线长度/>的最大测量误差/>设置，/>，其中，/>为当前卫星几何分布情况下的精度因子，/>为载波相位的最大测量误差；

对于接收GPS的L1载波，在使用短基线测姿天线的情况下，设计短基线测姿天线阵元A4、A5与参考阵元A1的距离小于或等于GPS的L1载波波长/>的一半，使得短基线进行载波相位测量时其测量值均在一个整周内；

长基线长度与误差关系为：

所述步骤2中，根据短基线载波相位单差按照如下公式计算卫星粗测信号方位：

其中，和/>为第i颗和第j颗卫星的载波相位单差，/>为短基线长度，/>和/>为卫星方位角度/>和/>的粗测值即卫星粗测信号方位，λ为待测信号频率的波长；i=1,2…n，j=1,2…n，n为导航卫星数目；

所述根据所述载波相位单差和所述卫星粗测信号方位，按照如下公式求得整周模糊度：

其中，为长基线长度，floor为向下取整函数。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤2中，所述接收机对各阵元天线的信号线等长，并采用统一的时钟通过ADC进行导航信号的采集，得到各个阵元的载波相位。