CN1195778A - 运用惯性测量单元和多个卫星发射机的姿态确定 - Google Patents

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Abstract

运用安装在平台上的惯性测量单元和相关处理器、安装在平台上的多个信号接收天线和卫星发射机获得输入到确定平台姿态的Kalman滤波器处理的观测量。由IMU确定及其相关处理器的平台航向可能有错。把从平台天线到不同卫星发射机组的距离的姿态敏感函数值(用IMU数据获得第一个值,而用在平台天线处接收的卫星发射机信号的测得相位获得第二个值)作比较获得距离函数的准确值。在Kalman滤波器处理中用这个距离函数的准确值获得平台姿态的准确值。

Description

运用惯性测量单元和多个卫星发射机的姿态确定
本发明一般涉及卫星惯性导航系统，特别是，涉及在卫星惯性导航环境下确定平台姿态(flatform attitude)的方法和设备。使用“卫星”意味着不仅包括所有种类的绕地轨道卫星，而且还包括其他形式的平台，它们可用于建立携带惯性导航系统的一个平台的位置和姿态。
全球定位系统(GPS)(绕地轨道卫星导航系统的最新例子)包括带有同步原子时钟的24个全球分布的卫星。每个卫星发送编码信号，它具有包括在信号中的卫星时钟时间，并携带关于卫星星历数据(ephemerides)和它自己的每日星历数据(daily ephemeris)及时钟校正的信息。用户通过测量他的接收机时钟时间和包括在来自至少四个可见卫星的信号中的卫星时钟时间之间的差，获得确定其位置和时钟误差的主要数据。把接收机时钟时间和卫星时钟时间之差与无线电波传播速度的乘积称为伪距离(pseudorange)，并且等于至卫星的距离加上相当于卫星时钟误差减去接收机时钟误差的增量距离。
用户通过对于每个卫星测量实际卫星信号的频率与如运用接收机时钟产生的卫星信号的频率之差，还可以获得确定其速度的主要数据。把在一段固定时间内由该频率差产生的相位的累积变化(以距离的单位表示)称为增量距离，并且等于在一段固定时间内卫星距离的变化加上在相同时间内接收机时钟和卫星时钟之差的变化与无线电波的传播速度之间的乘积。
根据所测得的伪距离及增量距离，用户(已知卫星的位置、速度和时钟误差)可以计算他自己的位置、速度和时钟误差。
由于附近平台的GPS确定位置中的较重要的误差是高度相关的，所以在确定平台的相对位置过程中这些误差趋于消失。把高准确度地确定附近平台的相对位置的GPS的使用称为差分GPS。
用差分GPS可达到的准确度建议运用干涉GPS来确定平台的姿态。干涉GPS表示为根据高准确度位置更新来准确地确定平台的取向(和其他Kalman状态)，运用在平台上不同的点处测量卫星信号载波相位。
运用在平台上的三个空间分布天线，允许只用GPS信号准确确定俯仰(pitch)、滚动(roll)和航向(heading)。然而，如果平台是高度机动的飞行器，那么需要把平台GPS装置与惯性导航单元相结合。GPS补偿惯性导航系统的偏移，而且当的平台作机动动作或其它发生事件使GPS暂时不工作时，惯性导航系统(INS)继续运作直至GPS再一次工作。
本发明提供一种获得输入到确定平台滚动、俯仰和航向的Kalman滤波器处理中的观察量的方法和装置。本发明运用安装在平台上的惯性测量单元(IMU)和相关的处理器、安装在平台上的多个信号接收天线和多个卫星发射机。平台具有IMU对其参照的基准点，而天线具有相对于平台基准点的已知位置，在称为方法间隔的时间间隔处重复执行该方法，在称为Kalman滤波器间隔的时间间隔处Kalman滤波器处理向IMU和它的相关处理器提供滚动、俯仰和航向校正，一个Kalman滤波器间隔是多个方法间隔。
本方法的第一个步骤是，对于多个卫星发射机组中每一组确定相位函数的值，卫星发射机组包括一个或多个卫星发射机。相位函数是在多个天线处接收到的来自卫星发射机组中的卫星发射机的信号相位的函数；
第二个步骤是，从所述IMU和它的相关处理器获得平台的俯仰、滚动和航向，所述航向被称为IMU航向。
第三个步骤是，对于每个卫星发射机组和每个候选航向确定算得的距离函数的值。距离函数是在卫星发射机组中的卫星发射机组到多个天线的距离的函数，根据卫星发射机组的位置、平台基准点的位置、相对于平台基准点的所述天线的位置、平台的俯仰和滚动以及候选航向算得的距离确定算得的距离函数的距离。多个候选航向跨过从IMU航向减去第一值到IMU航向加上第二值的航向范围。
第四个步骤是，对于每个卫星发射机组和每个候选航向确定整数函数的值，所述整数函数是算得的距离函数和相位函数之差舍入至最近的整数。
第五个步骤是，对于每个卫星发射机组和每个候选航向确定测得的距离函数的值。测得的距离函数是相位函数和整数函数之和。
第六个步骤是，在某种情况下，根据进一步的考虑消除候选航向，所述情况是规定第一组一个或多个质量要求，而候选航向不能满足第一组质量要求；
第七个步骤是，对于一个或多个评估间隔中的每个间隔，对于每个剩余候选航向，确定精确的候选航向，其做法是运用在一个或多个评估间隔中的每个间隔对卫星发射机组得到的经测得的距离函数值，评估间隔包括当前的方法间隔和零个或多个先前的方法间隔。精确的候选航向是质量标准最高的航向。
第八个步骤是，在某种情况下，根据进一步的考虑消除特定的候选航向，所述情况是规定第二组一个或多个质量要求，而与候选航向相关的精确航向不能满足第二组质量要求；
第九个步骤是，在某种情况下，丢弃与用于先前的方法间隔的候选航向相关的数据，所述情况是规定第三组一个或多个质量要求，而与候选航向相关的精确航向不能满足第三组质量要求；
第十个也是最后一个步骤是，在某种情况下，表明与精确航向相关的候选航向是正确的候选航向，所述情况是规定第四组一个或多个质量要求，而精确航向满足第四组质量要求，Kalman处理可用到距离函数余数。距离函数余数是算得的距离函数值和与精确航向相关的相应的测得的距离函数值之差，所述精确航向与正确的候选航向相关。
图1示出在GPS环境中确定姿态的基础。
图2示出用地心、惯性导航单元位置、卫星信号的两个接收点的位置和两个卫星的位置表示的姿态确定几何结构。
图3把图2的姿态确定几何结构扩展到包括规定两个接收点和两个卫星相对于地球中心的位置的矢量。
图4给出伪距离的数学定义。
图5给出载波相位观测值的数学定义。
图6示出如何通过取相位单重差分消除时钟误差。
图7示出双重差分化(doubledifferencing)的两种方法如何给出相同结果。
图8把相位双重差分扩展成它的分量部分。
图9包括在数学发展中用到的术语定义。
图10示出本发明较佳实施例的方框图。
图11示出本发明的方法步骤。
图12定义导致平台姿态的最小均方误差估计的观测值z。
图13示出如何完成Pij-Pij的线性化。
图14示出图13的第一式的线性表达法。
图15示出如何把图14的S和dS矢量从ECEF转换成NAV坐标。
图16示出在ECEF、NAV和COMPUTER基准帧之间的关系。
图17示出如何把图14的U和dU矢量从ECEF转换成NAV坐标。
图18示出通过把图15和17的式子代入图14的式子所得到的式子。
图19定义在图18中出现的矩阵分量。
图20定义在图18中出现的矢量分量。
图21示出观测值矩阵的分量。
图22识别与双重差分观测值矩阵相关的Kalman状态。
图23定义图21中用到的缩略语。
图24给出图23中所列出的量的相对大小。
图25示出简化观测值矩阵的分量。
图26识别在图10所示的系统的模拟中用到的Kalman状态。
图27示出图9所示的双重差分距离的单重差分等价式。
本发明的较佳实施例运用干涉GPS和低成本惯性导航系统(INS)的全集成组合以提供姿态作为INS解决办法的一部分。图1示出在GPS环境中姿态确定的基础，其中示出与射在两个天线(它们是一条基线的端点)上的卫星发射相关的波前。在基线两端处的卫星信号相位差提供在天线和正在观察的卫星的平面内计算基线和卫星信号波前之间角度的手段。
在这种方法的惯常运用中，在每一时刻，把在每个天线处所获得的载波相位对于两个卫星信号求差分，然后在两个天线之间进一步(第二次)对这些差分求差分，以除去未知的传播路径效应、卫星时钟误差和GPS卫星轨道的任何未知扰动。正是这种差分化导致极低噪声接收机相位测量(它允许以高准确度确定基线角度)。
对于两个卫星，卫星信号相位差提供计算航向的手段，当与INS结合时，该航向足以确定天线基线和携带天线的平台的姿态。
图2示出几何结构。由图所示的矢量以每个地点O为基准，定义惯性导航单元(INU)、与两个接收机rcvr1和rcvr2相关的两个天线(它们测量伪距离、增量距离和载波相位)和两个卫星sat1和sat2的位置。
在图3中进一步定义如图2所示的几何结构，添加规定两个接收点rcvr1和rcvr2及两个卫星sat1和sat2相对于地球中心O的位置的矢量。在该图的顶端，用图中的其它矢量定义这四个矢量。
图4和5流出伪距离和载波相位的数学定义。
图6示出如何通过取相位单重差分消除时钟误差。区分由一个接收机接收来自两个卫星接的信号的相位消除在这两个相位中出现的接收机时钟误差。区分由两个接收机接收来自相同卫星的信号的相位消除在这两个相位中出现的卫星时钟误差。
图7示出双重差分化的两种方法如何给出相同结果。换句话说，双重差分化处理过程是可交换的。
在图8中把图7的相位双重差分扩展到它的分量部分(见图6)。由于在圆括号内的每一对与来自穿过空间的相同区域到达两个接收点的来自同一卫星的信号相对应，所以趋于抵消反映对流层和电离层效应的项。
图9给出将在下面出现的一些项的定义。式E1定义真双重差分距离。式E2用双重差分相位DDΦ和双重差分整数DDN(＝-N22+N21+N12-N11)定义测得的双重差分距离。式E3定义根据接收点和卫星的位置得出的算得的双重差分距离。
等式E2表示可观察的基本双重差分相位。它运用于任一卫星对。对于M个卫星，存在M-1个式子，每个式子都具有E2的形式。然后，有M-1个可观察量用于更新姿态，但是还存在要确定的M-1个双重差分整数DDN。
众所周知，不用IMU数据可以解决这些整数。在两个天线(即，接收点)之间已知的距离提供强约束，于是把可能的整数限制在那些把第二个天线设置在此半径的球面上的那些解上。一般，要求四个卫星，提供包括三个未知双重差分整数DDN的三个测得的双重差分距离等式E2。
当对这个问题引入IMU提供的数据时，大大限制了搜索空间。IMU的俯仰和滚动误差趋于1mr的数量级。对于1m的天线间隔，这个误差只产生1-mm误差，在考虑确定双重差分整数时可忽略它。由于已知天线间的距离，唯一遗漏的信息(以完全规定第二个天线相对于第一个天线的位置)是第二个天线相对于第一个天线的方向。即使准确地指定第二个天线相对于平台航向的方向，也可把可能为10度的平台1σ(one-sigma)航向误差(在纬度为70度处向东回转偏置1度/hr)直接转换成10度的第二个天线1σ方向误差。第二个天线的方向不确定度(它导致单重差分相位的一个周期的不确定度)可以导致双重差分相位的两个周期的不确定度。为了明确确定双重差分整数要求第二个天线的方向的不确定度转换成不大于半个周期的双重差分相位不确定度和不大于四分之一周期的单重差分相位不确定度。由于GPSL1波长大约为0.19m，所以四分之一单重差分相位不定度(0.19/4m)等于2.7度的第二个天线方向不确定度。这样，(由明确的双重差分整数确定所容许的)第二个天线的方向不确定度超过由平台航向不确定度产生的四个方向不确定度的大约4倍。于是，平台航向不直接导致明确确定双重差分整数。
图10示出本发明的较佳实施例的方框图。天线A1和A2把至少来自两个卫星(最好是来自所有可以看到的卫星)的信号馈送到两个GPS接收机R1和R2。
GPS接收机R1向组合器C1提供与多个可以看到的卫星相关的测得的伪距离和增量距离。Kalman滤波器K1向组合器C1(通过虚线)提供算得的用户时钟误差和用户时钟速率误差(在组合器C1中分别从伪距离和增量距离中减去它们)。由组合器C1向Kalman滤波器K1提供得到的经用户时钟调节的(UCA)伪距离和UCA增量距离。
GPS接收机R2向组合器C2提供测得的伪距离和增量距离(在组合器C2中把它转换成UCA伪距离和UCA增量距离)，并以与GPS接收机R1量相同的方式向Kalman滤波器K1提供它们。
GPS接收机R1和R2向双重差分处理器P1提供它们从可看到的卫星接收到的信号的测得的载波相位Φ1i和Φ2i，i取与可看到的卫星相关的值。
双重差分处理器P1获得测得的相位双重差分(DDΦ)ij＝(Φ2i-Φ2j)-(Φ1i-Φ1j)，用由Kalman滤波器K1(通过虚线)提供的数据校正它，并向双重差分处理器P2提供经校正的相位双重差分。
GPS接收机R1和R2从卫星信号中提取卫星星历数据、卫星时钟与时钟速率误差和同步数据，并向双重差分处理器P2提供这个数据。
惯性测量单元(IMU)I1(LittonLN-200型)向组合器C3提供由固定在平台上的加速计测得的平台加速度和由同样固定在平台上的回转仪测得的平台角旋转速率。运用由Kalman滤波器K1通过虚线提供的数据在组合器C3中对于加速计以及回转偏置、标度因子误差和未校准(misalignment)校正这个数据。由组合器C3向导航处理器P3提供经校正的数据。
把气压高度计(图10中未示出)用于通过组合器C3向导航处理器P3提供姿态输入。由Kalman滤波器K1向组合器提供对于高度计偏置和标度因子误差的校正。导航处理器P3运用平台加速度、角旋转速率和姿态来定期地计算平台的位置、速度和姿态。用由Kalman滤波器K1(通过虚线)提供的数据校正这些量，并且把经校正的数据传输到距离处理器P2。
距离处理器P2运用这个经校正的数据和卫星星历数据获得算得的距离和增量距离。距离处理器P2从每个经算得的距离中减去卫星时钟误差，并且从每个算得的增量距离中减去卫星时钟速率误差，从而获得与由GPS接收机R1和R2通过组合器C1和C2分别向Kalman滤波器K1提供的UCA伪距离和UCA增量距离相类似的量。向Kalman滤波器K1提供这些算得的UCA伪距离模拟量和算得的UCA增量距离模拟量。
距离处理器P2通过一般为一秒的方法间隔执行如图11所示的方法，获得测得的双重差分距离(DDρ)m。
在步骤11中，距离处理器P2从距离处理器P1获得对于一个或多个卫星对的双重差分相位DDΦ。
在步骤13中，距离处理器P2对于每个卫星对并对于多个候选航向获得算得的双重差分距离(DDρ)c，这些候选航向从IMU航向减去第一值延伸到IMU航向加上第二值的角区域。
IMU航向是平台的航向，正如导航处理器P3所确定的那样。第一和第二个值最好应等于IMU航向的误差分布的标准偏差的四倍或更多倍。距离处理器P2运用在平台上参考点和平台的滚动、俯仰和假定航向的位置，以及两个天线到平台参考点的相对位置，来确定两个天线在空间中的绝对位置。根据两个天线的算得的位置和卫星的已知位置计算两个天线到包括卫星对的卫星的距离。于是获得算得的双重差分距离(如图9的式E3所示)。
在步骤15中，对于每个卫星对和候选航向，距离处理器P2通过从算得的双重差分距离(DDρ)c中减去双重差分相位，而且把结果舍入至最接近的整数。
在步骤17中，对于每个卫星对和候选航向，距离处理器P2通过把双重差分整数DDN加到双重差分相位DDΦ，获得测得的双重差分距离(DDρ)m。距离处理器通过从算得的双重差分距离(DDρ)c减去测得的双重差分距离(DDρ)m，获得双重差分距离余数Δ(DDρ)。
对于每个候选航向，都有一组双重差分整数，每个卫星对对应一个双重差分整数。在步骤19中，如果已规定第一组质量要求，那么距离处理器P2丢弃与任何不满足第一组质量要求的候选航向相关的数据。在达到本发明的预定目标过程中，这里在数据适当程度的意义上，运用质量。最高质量数据是最适合其所希望的目的的数据。质量量度的一个例子是所有卫星对的双重差分距离余数平方之和的倒数。第一组质量要求可能包括一个或多个质量要求。
候选航向的数量应足够大，从而每一组可能的双重差分整数都包括在候选航向数据中。另一方面，候选航向的数量不能太大，从而在候选航向数据中包括重复双重差分整数。如果发生重复组，那么只保留重复组中的一组用于进一步处理。
在步骤21中，距离处理器P2运用在评估间隔中获取的候选航向数据，对于每个候选航向确定一个或多个精确航向(相应于当前的方法间隔的末尾)。对于当前的方法间隔的评估间隔可以是当前的方法间隔或当前的方法间隔加上一个或多个先前的方法间隔。例如，可以为等于当前的方法间隔的评估间隔确定一个精确航向，而且可以为等于当前的方法间隔加上十个先前的方法间隔的评估间隔确定另一个精确航向。
与候选航向相关的精确航向是具有与候选航向相同的双重差分整数组的航向，而且其质量量度最高。对于包括两个或多个方法间隔的评估间隔，假设从一个方法间隔到下一个方法间隔过程中航向的变化是由导航处理器P3确定的变化。确定给出候选航向数据的精确航向是直接数学处理。在这种确定中用到对于所有卫星对的候选航向数据。然而，即使只能获得一个卫星对也能进行确定。
在步骤23中，如果精确航向不能满足一个或多个质量要求的第二组要求，那么距离处理器P2丢弃候选航向数据。质量要求的一个例子如下：所有卫星对的双重差分距离余数平方之和的倒数必须大于规定的门限值。
在步骤25中，如果精确航向不能满足一个或多个质量要求的第三组要求，那么距离处理器P2保留对于当前的方法间隔的候选航向数据，而丢弃对于所有先前的方法间隔的候选航向数据。第三组质量要求的可能项的例子如下：
●对于方法间隔精确航向的质量量度大于门限值；
●与相同候选航向相关的双重差分整数对当前的方法间隔和先前的方法间隔
  的相同；
●对于精确航向的质量量度的较小值与较大值之比值大于门限值，其中所述
  精确航向对于当前的方法间隔和先前的方法间隔与相同的候选航向相关；
●在从先前的方法间隔到当前的方法间隔的IMU航向变化和精确航向变化之
  间的差小于门限值；
●在与对于当前的方法间隔和先前的方法间隔相同的候选航向相关的精确航
  向之间的差小于门限值；
●与对于当前的方法间隔和先前的方法间隔相同的候选航向相关的精确航向
  的质量量度值大于门限值。
在步骤27中，距离处理器P2确定与存储的候选航向数据相关的任何精确航向是否满足第四组质量要求。如果满足，那么相关的候选航向就是对于当前的方法间隔的正确候选航向。如此设计第四组质量要求，从而只与一组候选航向(即，正确候选航向)相关的精确航向可以满足要求，而且与精确航向相关的双重差分整数很可能是正确的。
第四组要求的可能项的例子如下：
●对于一个或多个特定评估间隔与正确候选航向相关的每个精确航向的质量
  量度在对于相同评估间隔的所有精确航向中是最高的；
●对于一个或多个特定评估间隔与正确候选航向相关的每个精确航向的质量
  量度大于门限值；
●对于具有次高质量量度的一个或多个特定评估间隔，与精确候选航向相关
  的每个精确航向的质量量度小于门限值；
●在规定数量的方法间隔中积累的自由度的数目大于门限值；
●对于正确候选航向，对于从先前的方法间隔到当前的方法间隔的一个或多
  个特定评估间隔，每个相关精确航向变化和相应的IMU航向变化之间的差
  小于门限值；
●对于不同长度的评估间隔，与正确候选航向相关的精确航向的质量量度的
  较小值和较大值之比大于门限值；
●对于从先前的方法间隔到当前的方法间隔的一个或多个特定评估间隔，与
  正确候选航向相关的每个精确航向变化小于门限值。
适当的质量量度是所有卫星对的双重差分距离余数平方之和的倒数。对于熟悉本技术的人员而言，其它可能的质量量度是显而易见的。
如果在步骤27中距离处理器P2表明正确候选航向，那么把与正确的候选航向相关的与规定的精确航向相关的双重差分距离余数输入Kalman滤波器K1以供在下一个Kalman迭代期间更新导航解时使用。Kalman滤波器迭代间隔可能比方法间隔要长整数倍，在这种情况下，把对于包括在Kalman滤波器迭代间隔中的方法间隔的双重差分距离余数的总和输至Kalman滤波器K1。
Kalman滤波器K1获得关于导航问题的最小均方误差解，并在下一个Kalman处理迭代期间对输入数据提供校正，如图10中的虚线所示。Kalman处理是众所周知和了解的，由于在许多教科书中详细描述它(一个例子是A.Gelb，等所著的《应用最优估计》，Analytical Sciences Corporation，M.I.T.出版社，Cambridge，Mass..1974)，因此这里不对其进行描述。
可靠确定平台姿态的关键是相位双重差分，它至少要求对从位于空间上两个或多个隔开点处的至少两个卫星(所述点相对于平台是固定的)接收到的信号进行载波相位测量。在下面中，描述双重差分化Kalman滤波器观测值矩阵的推导。
在图12中，Kalman滤波器观测值导致姿态的最小均方误差估计z，把z定义为算得的相位双重差分和测得的相位双重差分之间的差。量z与Kalman状态余数乘以观测值矩阵H有关，如图12的最后一个式子所示。图13-19示出观测值矩阵的推导。
根据图9的第一和第三个式子获得图13的第一个式子。图13的其余式子示出量Pij-ρij的线性化。
通过图13的最后一个式子，可以将图13的第一个式子写成图14所示形式。
在图15中，下标n(表示“导航(NAV)坐标系统”)和f(表示“地心地定(earth-centered earth-fined，ECEF)坐标系统)识别出现在前面图中的矢量分量的基准坐标系统(frame)。从图3看出该图中的头两个式子是显然的。图16的头两个式子示出变换矩阵Cf n的微分的推导。图16的最后两行示出ECEF、NAV和COMPUTER基准系统之间的关系。
图17给出在NAV基准系统中Ui和dUi矢量的分量。
在图14的式子中，代入图14和16的式子导致图18所示的式子。
根据图19给出的矩阵分量和图20给出的矢量分量来表示图18的式子，以及把所得式子与图12给出的单行观测值矩阵H的定义式相比较能够识别观测值矩阵的分量。在图21中给出这些分量。识别H分量的下标与图22中列出的Kalman状态相对应。还存在与测值矩阵无关的其它状态。
用单个符号所列出的多个状态排序为x、y和z。术语“计算机航向角”是指由带有经度误差的正北方向的改变偏移所引起的垂直误差。图23示出图21中用到的缩略语。
图24示出在图23中列出的量的相对值。由于包含Δ的项远小于包含的项，所以可以丢弃图21中的状态11至19。图25示出简化H矩阵。通过省略H1H2和H3双重差分项可以进行进一步简化。
根据干涉GPS与惯性测量单元组合的姿态确定装置的优点很多。航向误差大大小于由一般的回转罗盘产生的误差。在卫星信号遮蔽(shading)或全阻塞(jamming)期间，从已校准的INS可获得姿态输出。INS通过提供位置和姿态解决航线不明确问题。只通过安装在平台上的两个天线，就可以获得全部姿态确定(即，俯仰、滚动和航向)。在高动力和/或阻塞期间，获得完全平滑的姿态。而且可获得对于“杆臂”(确定一个天线相对于另一个天线的位置的矢量)和由天线相位中心移动引起的杆臂变化的估计。通过判断正确的天线移动，可以大大增进对杆臂的评估计。
姿态确定装置用到在已知杆臂端的至少两个天线，而且通过Kalman滤波器，把姿态确定结合到平台的导航解法中。这种结合法至少要求在Kalman状态矢量中的三个附加状态，以确定两个天线的最小结构的杆臂。装置的结构假设对于航线不明确的解发生脱机(off-line)。
图26列出如图10所示系统的Kalman滤波器状态。
至此，已用通过Kalman处理在获得平台姿态解的过程中的双重差分相位观测量，描述了本发明。然而，双重差分相位不是可运用的唯一观测量。在某些情况下，还可以运用单重差分相位。考虑从一个卫星到两个天线的信号相位之间的差。图27示出与图9所示的式子相应的式子。注意，如以前那样，图4的dt、dion和dtrop项消除。如果接收机共享相同时钟，那么dT项也消除。于是，在某些情况下，单重差分相位可以替代双重差分相位。
还可用到多于两个的天线。例如，对于三个天线和第j个卫星的一个可能的相位观测量是Φ3j-2Φ2j+Φ1j。这里，图4的dt、dion和dtrop项消除。
本发明的较佳实施例设想将本发明与全球定位系统一起使用。设想其它“卫星系统”，其中，不消除图5的dt、dion和dtrop项并非必不可少的，在这种情况下，可能的相位观测量具有更广的选择范围。
由于在本发明中运用多种相位观测量的任何一种并强调本发明的通用性，所以重要的是，认识到本发明的出发点是距离函数F(ρij)的定义，其中，i取与可获得天线相对应的整数值，而j取与在包括一个或多个卫星发射机的卫星发射机组中的卫星发射机相对应的整数值。卫星发射机可以在地球轨道上、固定在地面上或者由一些运载工具携带。首先，适当距离函数必须提供平台(要确定其姿态)姿态的量度。理想的是，在某种情况下(例如，当与全球定位系统一起运用本发明时)，要求距离函数对于电离层和对流层以及卫星发射机时钟误差不敏感。单重差分距离Dρ和双重差分距离DDρ(见图9是26)是距离函数类F(ρij)中的数种。
把算得的距离函数定义为F(ρij)，其中，pij是从第i个天线到卫星发射机组中第j个天线发射机的距离，它根据天线的位置和卫星发射机的位置算得。算得的单重差分距离(Dρ)c和算得的双重差分距离(DDρ)c(见图9和26)是算得的距离函数类F(pij)中的数种。
最后，由于距离函数一般是距离的线性组合，所以测得的距离函数是相位函数F(Φij)和整数函数F(Nij)之和。单重差分相位DΦ和双重差分相位DDΦ(见图9和26)是相位函数类F(Φij)中的数种。单重差分整数DN(＝-N21+N11)和双重差分整数DDN(＝-N22+N21+N12-N11)是整数函数类F(Nij)中的数种。距离函数余数是算得的距离函数和量得的距离函数之差。

Claims (40)

1.一种获得输入到确定平台滚动、俯仰和航向的Kalman滤波器处理中的观测量的方法，所述方法运用安装在平台上的惯性测量单元(IMU)和相关处理器、安装在平台上的多个信号接收天线和多个卫星发射机，所述平台具有所述IMU对其参照的基准点，所述天线具有相对于所述平台基准点的位置，在称为方法间隔的时间间隔处重复执行所述方法，在称为Kalman滤波器间隔的时间间隔处所述Kalman滤波器处理向所述IMU和它的相关处理器提供滚动、俯仰和航向校正，所述Kalman滤波器间隔是多个所述方法间隔，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
对于多个卫星发射机组中每一组确定相位函数的值，所述卫星发射机组包括一个或多个卫星发射机，所述相位函数是在所述多个天线处接收来自所述卫星发射机组中的所述卫星发射机的所述信号的相位函数；
从所述IMU和它的相关处理器获得所述平台的俯仰、滚动和航向，所述航向被称为IMU航向；
对于每个卫星发射机组和每个候选航向确定算得的距离函数的值，距离函数是在所述卫星发射机组中的所述卫星发射机到多个所述天线的所述距离的函数，根据所述卫星发射机组的位置、所述平台基准点的位置、所述天线相对于所述平台基准点的位置、所述平台的所述俯仰和滚动以及候选航向算出的距离来确定算得的距离函数的距离，多个所述候选航向跨过从所述IMU航向减去第一值到所述IMU航向加上第二值的所述航向距离；
对于每个所述卫星发射机组和每个所述候选航向确定整数函数的值，所述整数函数是舍入至最接近整数的所述算得的距离函数和所述相位函数之差；
对于每个所述卫星发射机组和每个所述候选航向确定测得的距离函数的值，所述测得的距离函数是所述相位函数和所述整数函数之和；
在某种情况下，根据进一步的考虑来消除所述候选航向，所述情况是规定第一组一个或多个质量要求，而且所述候选航向不能满足所述第一组质量要求；
对于每个剩余的所述候选航向，对于一个或多个评估间隔中的每个间隔，精确候选航向，其做法是用在所述一个或多个评估间隔中的每个间隔内得到的对于所述卫星发射机组的所述测得的距离函数值，所述评估间隔包括当前的方法间隔和零个或多个先前的方法间隔，所述精确候选航向是质量量度最高的所述航向。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述相位函数是双重差分相位，而且所述距离函数是双重差分距离，所述双重差分相位是两个所述卫星发射机的单重差分相位之差，所述卫星发射机个的单重差分相位是在两个天线处接收来自所述卫星发射机的所述信号的相位之差，所述双重差分距离是所述卫星发射机的所述单重差分距离之差，所述卫星发射机的单重差分距离是所述卫星发射机到两个所述天线的距离之差。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一组一个或多个质量要求包括：
所述候选航向的所述质量量度大于门限值。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述质量量度是所有所述卫星发射机组的所述距离函数余数的平方和的倒数，所述距离函数余数是所述算得的距离函数值和测得的距离函数值之差。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括下列步骤：
在某种情况下，根据进一步的考虑，消除特定候选航向，所述情况是规定第二组一个或多个质量要求，而且与所述特定候选航向相关的所述精确航向不能满足所述第二组质量要求；
在某种情况下，对于先前的方法间隔丢弃与候选航向相关的所述数据，所述情况是规定第三组一个或多个质量要求，而且与所述候选航向相关的精确航向不能满足所述第三组质量要求；
在某种情况下，表明与所述精确航向相关的所述候选航向是正确的候选航向，所述情况是规定第四组一个或多个质量要求，而且所述精确航向满足所述第四组质量要求，所述距离函数余数对Kalman处理有用，所述距离函数余数是所述算得的距离函数值和与相应的所述精确航向相关的测得的距离函数值之差，所述精确航向与所述正确的候选航向相关。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第二组一个或多个质量要求包括：
所述精确航向的所述质量量度大于门限值。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
对于方法间隔，所述精确航向的所述质量量度大于门限值。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
与所述精确航向相关的所述候选航向的所述整数函数值对所述当前的方法间隔和先前的方法间隔来说是相同的。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
所述精确航向的质量量度的较小值与较大值之比大于门限值，其中所述精确航向对于当前的方法间隔和先前的方法间隔与所述相同的候选航向相关。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
从所述先前的方法间隔到所述当前的方法间隔的所述IMU航向变化和所述精确航向变化之差小于门限值。
11.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
对于当前的方法间隔和先前的方法间隔，与相同的所述候选航向相关的所述精确航向之差小于门限值。
12.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
对于所述当前的方法间隔和先前的方法间隔，与相同的所述候选航向相关的所述精确航向的质量量度值大于门限值。
13.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
对于一个或多个特定评估间隔，与所述正确的候选航向相关的每个所述精确航向的所述质量量度，对于相同的所述评估间隔在所有所述精确航向中最高。
14.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
对于一个或多个特定评估间隔，与所述正确的候选航向相关的每个所述精确航向的所述质量量度大于门限值。
15.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
对于一个或多个特定评估间隔，与所述正确的候选航向相关的每个所述精确航向的所述质量量度小于门限值，其中所述质量量度具有次高的质量量度。
16.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
在特定数量的所述方法间隔内所积累的自由度的数目小于门限值。
17.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
对于所述正确的候选航向，对于从所述先前的方法间隔到所述当前的方法间隔的一个或多个特定评估间隔，每个所述相关的精确航向变化和相应的所述IMU航向变化之差小于门限值。
18.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
所述精确航向的所述质量量度的较小值与较大值之比大于门限值，其中，所述精确航向对于不同长度的所述评估间隔与所述正确的候选航向相关。
19.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
对于从所述先前的方法间隔到所述当前的方法间隔的一个或多个特定评估间隔，与所述正确的候选航向相关的每个所述精确航向的变化小于门限值。
20.用于实行如权利要求1所述的方法的装置。
21.用于实行如权利要求5所述的方法的装置。
22.一种获得输入到确定平台滚动、俯仰和航向的Kalman滤波器处理中的观测量的装置，所述方法运用安装在平台上的惯性测量单元(IMU)和相关处理器、安装在平台上的多个信号接收天线和多个卫星发射机，所述平台具有所述IMU对其参照的基准点，所述天线具有相对于所述平台基准点的位置，在称为方法间隔的时间间隔处重复执行所述方法，在称为Kalman滤波器间隔的时间间隔处所述Kalman滤波器处理向所述IMU和它的相关处理器提供滚动、俯仰和航向校正，所述Kalman滤波器间隔是多个所述方法间隔，其特征在于，所述装置包括：
对于多个卫星发射机组中每一组确定相位函数的值用的装置，所述卫星发射机组包括一个或多个卫星发射机，所述相位函数是在所述多个天线处接收来自所述的卫星发射机组中的所述卫星发射机的所述信号的相位函数；
用于从所述IMU和它的相关处理器获得所述平台的俯仰、滚动和航向的装置，所述航向被称为IMU航向；
对于每个卫星发射机组和每个候选航向确定算得的距离函数值用的装置，距离函数是在所述卫星发射机组中的所述卫星发射机到多个所述天线的所述距离的函数，根据所述卫星发射机组的位置、所述平台基准点的位置、所述天线相对于所述平台基准点的位置、所述平台的所述俯仰和滚动以及候选航向计算出的距离来确定算得的距离函数的距离，多个所述候选航向跨过从所述IMU航向减去第一值到所述IMU航向加上第二值的所述航向距离；
对于每个所述卫星发射机组和每个所述候选航向确定整数函数值用的装置，所述整数函数是舍入至最接近的整数的所述算得的距离函数和所述相位函数之差；
对于每个所述卫星发射机组和每个所述候选航向确定测得的距离函数值用的装置，所述测得的距离函数是所述相位函数和所述整数函数之和；
用于在某种情况下，根据进一步的考虑消除候选航向的装置，所述情况是规定第一组一个或多个质量要求，而且所述候选航向不能满足所述第一组质量要求；
对于每个剩余的所述候选航向，对于一个或多个评估间隔中的每个间隔，确定精确候选航向用的装置，其做法是用在所述一个或多个评估间隔中的每个间隔内得到的对于所述卫星发射机组的所述测得的距离函数值，所述评估间隔包括当前的方法间隔和零个或多个先前的方法间隔，所述精确候选航向是质量量度最高的所述航向。
23.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述相位函数是双重差分相位，而且所述距离函数是双重差分距离，所述双重差分相位是两个所述卫星发射机的单重差分相位之差，所述卫星发射机的单重差分相位是从在两个天线处接收来自所述卫星发射机的所述信号的相位之差，所述双重差分距离是所述卫星发射机的所述单重差分距离之差，所述卫星发射机的单重差分距离是所述卫星发射机到两个所述天线的距离之差。
24.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述第一组一个或多个质量要求包括：
所述候选航向的所述质量量度大于门限值。
25.如权利要求22所述的装置，其特征在于，所述质量量度是所有所述卫星发射机组的所述距离函数余数的平方和的倒数，所述距离函数余数是所述算得的距离函数值和测得的距离函数值之差。
26.如权利要求22所述的装置，其特征在于，还包括下列步骤：
用于在某种情况下，根据进一步的考虑，消除特定候选航向的装置，所述情况是规定第二组一个或多个质量要求，而且与所述特定候选航向相关的所述精确航向不能满足所述第二组质量要求；
在某种情况下，对于先前的方法间隔，删除与候选航向相关的所述数据用的装置，所述情况是规定第三组一个或多个质量要求，而且与所述候选航向相关的精确航向不能满足所述第三组质量要求；
在某种情况下，用于表明与所述精确航向相关的所述候选航向是正确的候选航向的装置，所述情况是规定第四组一个或多个质量要求，而且所述精确航向满足所述第四组质量要求，所述距离函数余数对Kalman处理有用，所述距离函数余数是所述算得的距离函数值和与相应的所述精确航向相关的测得的距离函数值之差，所述精确航向与所述正确的候选航向相关。
27.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第二组一个或多个质量要求包括：
所述精确航向的所述质量量度大于门限值。
28.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
对于方法间隔，所述精确航向的所述质量量度大于门限值。
29.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
与所述精确航向相关的所述候选航向的所述整数函数值对所述当前的方法间隔和先前的方法间隔来说是相同的。
30.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
所述精确航向的质量量度的较小值与较大值之比大于门限值，其中所述精确航向对于当前的方法间隔和先前的方法间隔与所述相同的候选航向相关。
31.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
从所述先前的方法间隔到所述当前的方法间隔的所述IMU航向变化和所述精确航向变化之差小于门限值。
32.如权利要求26所述的方法，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
对于当前的方法间隔和先前的方法间隔，与相同的所述候选航向相关的所述精确航向之差小于门限值。
33.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第三组一个或多个质量要求包括：
对于所述当前的方法间隔和先前的方法间隔，与相同的所述候选航向相关的所述精确航向的质量量度值大于门限值。
34.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
对于一个或多个特定评估间隔，与所述正确的候选航向相关的每个所述精确航向的所述质量量度，是对于相同的所述评估间隔所有所述精确航向中最高的。
35.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
对于一个或多个特定评估间隔，与所述正确的候选航向相关的每个所述精确航向的所述质量量度大于门限值。
36.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
对于一个或多个特定评估间隔，与所述正确的候选航向相关的每个所述精确航向的所述质量量度小于门限值，其中所述质量量度具有次高的质量量度。
37.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
在特定数量的所述方法间隔内所积累的自由度的数目小于门限值。
38.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
对于所述正确的候选航向，对于从所述先前的方法间隔到所述当前的方法间隔的一个或多个特定评估间隔，每个所述相关的精确航向变化和相应的所述IMU航向变化之差小于门限值。
39.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
所述精确航向的所述质量量度的较小值与较大值之比大于门限值，其中，所述精确航向对于不同长度的所述评估间隔与所述正确的候选航向相关。
40.如权利要求26所述的装置，其特征在于，所述第四组一个或多个质量要求包括：
对于从所述先前的方法间隔到所述当前的方法间隔的一个或多个特定评估间隔，与所述正确的候选航向相关的每个所述精确航向的变化小于门限值。
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