專利名稱：基于北斗雙星系統(tǒng)的快速測量載體姿態(tài)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測量載體姿態(tài)的方法，尤其涉及一種利用北斗雙星系統(tǒng)進行載體測量的方法。
背景技術(shù)：
北斗雙星系統(tǒng)下的姿態(tài)測量是北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，是通過衛(wèi)星載波相位信息求解出導(dǎo)航坐標(biāo)系下的接收機天線基線矢量來求得姿態(tài)的，核心問題是整周模糊度的求解。由于目前北斗導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星數(shù)量少，最小二乘搜索等在GPS導(dǎo)航系統(tǒng)中常用的求解整周模糊度的方法在北斗雙星系統(tǒng)下實現(xiàn)有困難。目前國內(nèi)已研制的姿態(tài)測量的方法及相關(guān)系統(tǒng)采用了旋轉(zhuǎn)基線(逯亮清、胡小平、吳美平，《利用旋轉(zhuǎn)基線方法進行雙星快速定向》，《宇航學(xué)報》，2004，25(2).158-162)、并行通道多天線配置(吳杰，任萱，胡小平等，《雙星定姿的建模研究》，《空間科學(xué)學(xué)報》，1999，19(2)154-159)等方法進行載體姿態(tài)的求取。但是在實際應(yīng)用中存在一定的不足，例如旋轉(zhuǎn)基線法要求基線與旋轉(zhuǎn)軸正交，基線旋轉(zhuǎn)角度需精確測量；多天線配置長短基線不易同向等，這些因素都容易對載體姿態(tài)測量的快速性和準確性造成影響。因此需要一種操作簡便、姿態(tài)測量準確的北斗測姿系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
1、發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種在北斗雙星系統(tǒng)中快速、精確地進行載體姿態(tài)測量的方法。
2、技術(shù)方案為了達到上述的發(fā)明目的，本發(fā)明的方法包括下列步驟(1)在初始時刻t0，沿著需要測量的方向放置天線1和天線2，使得天線基線方向與測量方向平行或在同一方向上，然后測得基線矢量 的長度L、t0時刻的第一組載波相位觀測值Δ121(t0)、Δ122(t0)(Δ121(t0)、Δ122(t0)分別是天線1、2相對i(i＝1，2)號北斗衛(wèi)星的載波相位單差觀測值)、天線1與北斗衛(wèi)星1、2視線方向的單位矢量 和 (2)在t1時刻，沿著原基線方向移動天線2延長步驟(1)所述的基線長度為原來的k1倍，得到新的基線矢量 測得在新基線矢量 下的第二組載波相位觀測值Δ121(t1)、Δ122(t1)；(3)保持基線方向不變，再移動天線2延長步驟(1)所述的基線長度為原來的k2倍，得到新的基線矢量 測得在t2時刻的第三組載波相位觀測值Δ121(t2)、Δ122(t2)；(4)這樣依次通過移動天線2延長基線長度并保持基線方向不變，在tn時刻可得n+1組觀測值(n∈N)，相應(yīng)的基線序列為rr(t0),k1rr(t0),k2rr(t0)······knrr(t0),]]>其中kj＞1，j＝1，2，L，n；上述的測量過程表示如下 式(1)中λ是載波波長，εi(t)是觀測噪聲，測量裝置連接圖如圖1所示，原理圖如圖2所示；(5)由于天線1保持不動，且北斗衛(wèi)星是地球同步衛(wèi)星相對地球靜止，因此步驟(4)中(1)式所含的天線1與北斗衛(wèi)星1、2視線方向的單位矢量，具有如下關(guān)系eV1(t0)=eV1(t1)=L=eV1(tn)eV2(t0)=eV2(t1)=L=eV2(tn)---(2)]]>將(2)式代入(1)式，并忽略測量噪聲ε，可得到n組初始整周模糊度，如下式所示
從(3)式可以看出，最理想情況下只要延長一次基線就可以求得初始整周模糊度參數(shù)N1(t0)、N2(t0)。但為了避免延長過程中出現(xiàn)的周跳，可以適當(dāng)增加延長次數(shù)，獲得多個候選值。如果所求得的多組N1(t0)、N2(t0)值相同，則表明沒有周跳；如果不同，則證明發(fā)生了周跳，需要重新測量，重復(fù)步驟(1)～(5)；(6)在獲得N1(t0)、N2(t0)后，帶入下式(4)并忽略測量噪聲ε，就可以求得基線矢量初始值 式中εL是基線長度測量誤差；(7)姿態(tài)的獲取步驟(6)中求得的基線矢量一般用直接坐標(biāo)系表示，設(shè)rr(t0)=xyzT]]>(東北天坐標(biāo)系)，則基線的方位角ψ和俯仰角θ分別為ψ=arctan(x/y)θ=arctan(z/x2+y2)---(5)]]>需要注意的是，當(dāng) 存在雙解時，可得出兩組姿態(tài)角，如何正確選取姿態(tài)角可用基線的先驗條件判定，如基線是否概略水平等，從而剔除錯誤的值，得到基線正確的姿態(tài)。
3、有益效果本發(fā)明的方法具有如下優(yōu)點(1)該方法操作便捷，僅需移動天線即可，姿態(tài)求取速度快；(2)所需測量裝置簡單，僅需要天線、長度測量器件、衛(wèi)星載波信號接收機和數(shù)據(jù)處理器等最基本、常見的設(shè)備，不需要旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等特殊的輔助設(shè)備，天線的安裝也沒有特殊要求；(3)經(jīng)實驗證明，該方法能夠提供精確的方位角和俯仰角。
對以上發(fā)明的有益效果說明如下(1)測量裝置簡單，沒有特殊的精度要求如圖2中所示，假設(shè)αi為基線與單位矢量 (i＝1，2)的夾角，基線延長精度為σL，載波相位測量精度為σψ，基線延長倍數(shù)為km，由式(3)、(4)通過推導(dǎo)可得σL，σψ，km之間的約束關(guān)系σL<λ(km-1)σψcosαi---(6)]]>從上式看出在載波相位測量精度(σψ)和基線矢量方向(αi)確定情況下，km越大，所要求的基線延長精度越低。
假設(shè)α1＝45°，如果載波相位精度分別取1％，2％，3％周，可以畫出不同載波相位精度下的基線延長倍數(shù)與基線延長精度關(guān)系曲線，如圖3所示。從圖3可以看出，基線延長倍數(shù)取4，在載波相位精度分別為1％，2％，3％時，對應(yīng)要求的基線延長精度只要優(yōu)于0.005m，0.01m，0.015m即可成功確定初始整周模糊度，從而求解出姿態(tài)角。從工程實用角度考慮，對于5毫米(0.005m)這樣的基線延長精度是很容易實現(xiàn)的。由此說明延長基線法對基線延長的精度要求不高，易于實現(xiàn)。
(2)基線延長法單點定向精度假設(shè)北斗接收機位置為(118.8139°E，32.0405°N，50m)，初時基線長度為1.5m，基線延長倍數(shù)取4，進行如下兩種定向仿真測試(a)固定基線仰角為10°，旋轉(zhuǎn)基線，每次旋轉(zhuǎn)1°，測得每次旋轉(zhuǎn)后測得的方位角和俯仰角精度(1σ)，精度變化曲線如圖4所示；(b)固定方位角為70°，通過俯仰角在[-90°，90°]區(qū)間的變化，求得在每個俯仰角下的姿態(tài)精度(1σ)，精度變化曲線如圖5所示。
為了便于表示，圖4、圖5的y軸都采用了對數(shù)坐標(biāo)。從圖4看出，姿態(tài)精度隨著方位角的變化而成周期性變化，當(dāng)基線偏離南北方向在±50°以內(nèi)，方位角和俯仰角都可以實現(xiàn)0.01°的精度。
從圖5看出，在方位角固定情況下，姿態(tài)精度也會隨著俯仰角變化而不同，俯仰角越大，姿態(tài)精度越高。由此說明，在基線快速定向時，如增加俯仰角還可進一步改善定向精度。
(3)基線延長法區(qū)域定向精度以上給出的僅是在某地單點獲得的姿態(tài)精度，為了說明延長基線法的普遍適應(yīng)性，在北斗衛(wèi)星的服務(wù)區(qū)間東經(jīng)70°～145°，北緯5°～55°這樣一個覆蓋全國的范圍內(nèi)做(2)中的兩種仿真，統(tǒng)計在每一位置處方位角和俯仰角精度(1σ)的最大最小值，從而得到延長基線法下的姿態(tài)測量精度隨位置變化的分布情況。
仿真方案(a)、(b)對應(yīng)的角精度的變化情況。分別如圖6、圖7所示，圖中三維空間坐標(biāo)內(nèi)上下兩個曲面之間的空間就是角度測量精度的變化范圍。
圖6(a)表明，在基線有一定仰角情況下延長基線定向，全區(qū)域范圍內(nèi)方位角精度大約在0.001°～1°之間，另外從圖6(a)還可以看出誤差方差最大值曲面由北向南傾斜，說明低緯度地區(qū)的定向精度還可以更高。圖6(b)顯示的定仰角下俯仰角的精度情況與方位角相同。
圖7(a)、(b)表明，在基線方位固定情況下，通過調(diào)整俯仰角，方位角和俯仰角精度范圍均在0.001°～0.1°之間；且精度在全范圍內(nèi)基本分布均勻，沒有出現(xiàn)隨經(jīng)緯度變化的情況。
上述分析表明，延長基線法測量方位角和俯仰角不受地域的限制，在北斗衛(wèi)星服務(wù)范圍內(nèi)均可使用。此外還需要指出的是，以上結(jié)論是在基線長度為1.5m、延長倍數(shù)為4的條件下獲得的，進一步的仿真試驗表明，在基線長度或者延長倍數(shù)增加的情況下，以上仿真得到的姿態(tài)精度還可以進一步提高，可滿足對更高精度的需求。
四

圖1本方法的裝置示意圖；圖2為延長基線求取單差整周模糊度示意圖；圖3為基線延長倍數(shù)與基線延長精度關(guān)系曲線；圖4為延長基線法單點定向不同方位角下的姿態(tài)精度曲線；圖5為延長基線法單點定向不同俯仰角下的姿態(tài)精度曲線；圖6(a)為全區(qū)域內(nèi)仰角固定情況下的方位角測量精度區(qū)間圖；圖6(b)為全區(qū)域內(nèi)仰角固定情況下的俯仰角測量精度區(qū)間圖；圖7(a)為全區(qū)域內(nèi)方位角固定情況下的方位角測量精度區(qū)間圖；圖7(b)為全區(qū)域內(nèi)方位角固定情況下的俯仰角測量精度區(qū)間圖。
五具體實施例方式
實施例1如圖1、圖2所示，本實施例的基于北斗雙星系統(tǒng)的快速測量載體姿態(tài)的方法包括下列步驟(1)在初始時刻t0，沿著需要測量的方向放置天線1和天線2，使得天線基線方向與測量方向平行或在同一方向上，然后測得基線矢量 的長度L＝4m、t0時刻的第一組載波相位觀測值Δ121(t0)、Δ122(t0)(Δ121(t0)、Δ122(t0)分別是天線1、2相對i(i＝1，2)號衛(wèi)星的載波相位單差觀測值)、天線1與北斗衛(wèi)星1、2視線方向的單位矢量 (2)在t1時刻，沿著原基線方向移動天線2延長步驟(1)所述的基線長度為原來的k1＝1.5倍，得到新的基線矢量 測得在新基線矢量 下的第二組載波相位觀測值Δ121(t1)、Δ122(t1)；(3)保持基線方向不變，再移動天線2延長步驟(1)所述的基線長度為原來的k2＝2倍，得到新的基線矢量 測得在t2時刻的第三組載波相位觀測值Δ121(t2)、Δ122(t2)；(4)這樣在t2時刻可得2+1組觀測值，相應(yīng)的基線序列為rr(t0),k1rr(t0),k2rr(t0),]]>上述的測量過程表示如下 式(1)中λ是載波波長，εi(t)是觀測噪聲，測量裝置連接圖如圖1所示，原理圖如圖2所示；(5)由于天線1保持不動，且北斗衛(wèi)星是地球同步衛(wèi)星相對地球靜止，因此步驟(4)中(1)式所含的天線1與北斗衛(wèi)星1、2視線方向的單位矢量，具有如下關(guān)系
eV1(t0)=eV1(t1)=eV1(t2)eV2(t0)=eV2(t1)=eV2(t2)---(2)]]>將(2)式代入(1)式，并忽略測量噪聲ε，可得到2組初始整周模糊度，如下式所示 如果所求得的兩組N1(t0)、N2(t0)值相同，表明沒有周跳；如果不同，則證明發(fā)生了周跳，需要重新測量，重復(fù)步驟(1)～(5)。
(6)在獲得N1(t0)、N2(t0)后，帶入下式(4)并忽略測量噪聲ε，就可以求得基線矢量初始值 式中εL是基線長度測量誤差；(7)姿態(tài)的獲取求得的基線矢量一般用直接坐標(biāo)系表示，設(shè)rr(t0)=xyzT]]>(東北天坐標(biāo)系)，則基線的方位角ψ和俯仰角θ分別為ψ=arctan(x/y)θ=arctan(z/x2+y2)---(5)]]>需要注意的是，當(dāng) 存在雙解時，可求出兩組姿態(tài)角，如何正確選取姿態(tài)角可用基線的先驗條件判定。如基線是否概略水平等，從而剔出錯誤的值，得到基線正確的姿態(tài)。
本實施例中，延長了基線兩次，還可以根據(jù)實際測量精度的要求確定延長基線的次數(shù)如3次、4次等，通過上述的步驟同樣可以測得載體姿態(tài)。
權(quán)利要求
1.一種基于北斗雙星系統(tǒng)的快速測量載體姿態(tài)的方法，其特征在于，該方法包括下列步驟(1)在初始時刻t0，沿著需要測量的方向放置天線(1)和天線(2)，使得天線基線方向與測量方向平行或在同一方向上，然后測得基線矢量 的長度L、t0時刻的第一組載波相位觀測值Δ121(t0)、Δ122(t0)，Δ121(t0)、Δ122(t0)分別是天線(1)、天線(2)相對于i(i＝1，2)號衛(wèi)星的載波相位單差觀測值，以及天線(1)與北斗衛(wèi)星(1、2)視線方向的單位矢量 (2)在t1時刻，沿著原基線方向移動天線2延長步驟(1)所述的基線長度為原來的k1倍，得到新的基線矢量 測得在新基線矢量 下的第二組載波相位觀測值Δ121(t1)、Δ122(t1)；(3)保持基線方向不變，再移動天線2延長步驟(1)所述的基線長度為原來的k2倍，得到新的基線矢量 測得在t2時刻的第三組載波相位觀測值Δ121(t2)、Δ122(t2)；(4)這樣依次通過移動天線2延長基線長度并保持基線方向不變，在tn時刻可得n+1組觀測值(n∈N)，相應(yīng)的基線序列為 其中kj＞1，j＝1，2，L，n；上述的測量過程表示如下 式(1)中λ是載波波長，εi(t)是觀測噪聲；式(1)所含的天線(1)與北斗衛(wèi)星(1、2)視線方向的單位矢量關(guān)系為eV1(t0)=eV1(t1)=L=eV1(tn)eV2(t0)=eV2(t1)=L=eV2(tn)---(2)]]>將(2)式代入(1)式，并忽略測量噪聲ε，可得到n組初始整周模糊度，如下式所示 (6)在獲得N1(t0)、N2(t0)后，帶入下式(4)并忽略測量噪聲ε，就可以求得基線矢量初始值 式中εL是基線長度測量誤差；(7)姿態(tài)的獲取求得的基線矢量用直接坐標(biāo)系表示，設(shè)rr(t0)=xyzT]]>(東北天坐標(biāo)系)，則基線的方位角ψ和俯仰角θ分別為ψ=arctan(x/y)θ=arctan(z/x2+y2)---(5)]]>至此完成了載體姿態(tài)的測量。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于北斗雙星系統(tǒng)的快速測量載體姿態(tài)的方法，在初始時刻t
文檔編號G01S5/02GK1924606SQ20061008614
公開日2007年3月7日 申請日期2006年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月4日
發(fā)明者康國華, 劉建業(yè), 曾慶化, 賴際舟, 孫永榮, 趙偉, 熊智, 李榮冰 申請人:南京航空航天大學(xué)