一種基于共時(shí)鐘接收機(jī)的實(shí)時(shí)精密定姿方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及衛(wèi)星實(shí)時(shí)精密定姿的方法，特別涉及一種基于共時(shí)鐘接收機(jī)的實(shí)時(shí)精 密定姿方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 衛(wèi)星實(shí)時(shí)精密定姿技術(shù)是一種利用移動(dòng)載體上的兩或多天線高精度載波相位觀 測(cè)值觀測(cè)值進(jìn)行差分相對(duì)定位從而實(shí)現(xiàn)載體航向及姿態(tài)測(cè)量的相位差分定姿技術(shù)，在車輛 航向指示、飛機(jī)定姿和駕校自動(dòng)監(jiān)考等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。在進(jìn)行衛(wèi)星實(shí)時(shí)精密定姿 工作時(shí)，衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)利用多個(gè)天線的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，首先進(jìn)行同步載波相位差分相對(duì) 定位，然后將載體天線間的相對(duì)位置信息轉(zhuǎn)化為載體的姿態(tài)。目前已有的用于實(shí)時(shí)衛(wèi)星精 密定姿方法主要有基于線纜偏差常量補(bǔ)償?shù)膯尾钶d波相位差分定姿法(參見[l]Jiunhan Keong and Gerard Lachapelle. Heading and Pitch Determination Using GPS/ GLNOASS，2000 . [2]王永泉.長(zhǎng)航時(shí)高動(dòng)態(tài)條件下GPS/GLONASS姿態(tài)測(cè)量研究，上海交通大 學(xué)，2008 .)，這種典型的方法難以有效解決以下問(wèn)題:線纜偏差因溫度變化和機(jī)械力等導(dǎo)致 的漂移;線纜偏差漂移使得定姿精度難以提高甚至降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 針對(duì)基于共時(shí)鐘接收機(jī)采用單差相位精密定姿技術(shù)中線纜偏差因溫度變化和機(jī) 械力等導(dǎo)致漂移而降低定姿精度的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于共時(shí)鐘接收機(jī)的實(shí)時(shí)精密 定姿方法。其是一種基于自回歸滑動(dòng)平均(ARMA)線纜偏差預(yù)報(bào)與單差載波信息實(shí)時(shí)融合濾 波定姿的方法。ARMA是時(shí)間序列分析領(lǐng)域的常規(guī)體系，是學(xué)習(xí)過(guò)時(shí)間序列分析的技術(shù)人員 的熟知概念。本發(fā)明首先利用ARMA模型對(duì)線纜偏差進(jìn)行時(shí)間更新預(yù)報(bào)，然后根據(jù)單差載波 相位觀測(cè)方程以及線纜偏差預(yù)報(bào)信息進(jìn)行融合測(cè)量更新，實(shí)現(xiàn)在線纜偏差約束下的單差載 波相位相對(duì)定位，最后將高精度的相對(duì)位置信息轉(zhuǎn)化為載體姿態(tài)。該方法突破了常規(guī)方法 要求定姿設(shè)備處于恒定溫度的限制，以及解決了常規(guī)方法受制于接收機(jī)內(nèi)部通道時(shí)延波動(dòng) 而定姿精度難以提升甚至降低的問(wèn)題，有效地提高了衛(wèi)星定姿精度。
[0004] 本發(fā)明的技術(shù)方案是：
[0005] -種基于共時(shí)鐘接收機(jī)的實(shí)時(shí)精密定姿方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0006] S1:設(shè)定線纜偏差的初始值lbQ=0，方差PQ= 1;
[0007] S2:根據(jù)S1中設(shè)置的線纜偏差初始值及其方差，利用自回歸滑動(dòng)平均ARMA模型對(duì) 線纜偏差進(jìn)行時(shí)間更新，即預(yù)報(bào)線纜偏差值及其方差；
[0008] S3:利用雙差載波相位相對(duì)定位的基線矢量、天線偽距單點(diǎn)定位坐標(biāo)及衛(wèi)星坐標(biāo)， 建立去單差模糊度參數(shù)的單差載波相位觀測(cè)方程；
[0009] S4:根據(jù)線纜偏差預(yù)報(bào)值及其方差和去單差模糊度參數(shù)的單差載波相位觀測(cè)方程 進(jìn)行融合測(cè)量更新，得到濾波的線纜偏差以及兩個(gè)天線的相對(duì)位置信息，然后將相對(duì)位置 信息轉(zhuǎn)化為載體的航向角和俯仰角；
[0010] S5:將S4得到的濾波線纜偏差及其方差賦給S1中的線纜偏差初始值及其方差陣。
[0011] 本發(fā)明中，步驟S2中，利用ARMA模型對(duì)線纜偏差進(jìn)行時(shí)間更新的具體方法是：
[0012] 利用ARMA(1，0)模型預(yù)報(bào)線纜偏差：根據(jù)線纜偏差前一時(shí)刻的值以及方差，利用 ARMA(1，0)模型進(jìn)行預(yù)報(bào)；
[0013]
[0014] 式（1)中，時(shí)刻即當(dāng)前時(shí)刻預(yù)報(bào)的線纜偏差值，單位為周；lb(tH)為前 一時(shí)刻線纜偏差值，單位為周；為前一時(shí)刻線纜偏差的方差，單位為周的平方；巧^為 當(dāng)前時(shí)刻線纜偏差的方差，單位為周的平方;W為白噪聲，單位為周;Q為ARMA(1，0)模型的噪 聲，單位為周的平方。
[0015] 本發(fā)明中，步驟S3的具體方法是：
[0016] 1)建立單差載波相位觀測(cè)方程：
[0017]假設(shè)移動(dòng)載體或飛行器安裝的衛(wèi)星信號(hào)接收天線分別為A和B，根據(jù)A、B天線對(duì)于k 號(hào)衛(wèi)星觀測(cè)的非差載波相位觀測(cè)值以和名，建立單差載波相位觀測(cè)方程；
[0018] -_ 卞通…
朋…一 C2)
[0019] 式⑵中，Δ'為A、B天線對(duì)k號(hào)衛(wèi)星的單差載波相位觀測(cè)值，Δ' =為,單位 為周；Δρ^*Α、Β天線對(duì)k號(hào)衛(wèi)星的單差幾何距離，單位為米;λ為某個(gè)頻點(diǎn)的對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)，單 位為米；Δ/V^為六、Β天線對(duì)k號(hào)衛(wèi)星的單差載波相位模糊度；lb為線纜偏差，單位為周；e為 單差載波相位觀測(cè)值噪聲，單位為周；
[0020] 2)建立去單差模糊度參數(shù)的單差載波相位觀測(cè)方程：
[0021] 根據(jù)傳統(tǒng)的雙差載波相位相對(duì)定位的基線矢量rAB,dd、天線A偽距單點(diǎn)定位坐標(biāo)及 衛(wèi)星坐標(biāo)求得單差整周模糊度。
[0022]
[0023]式(3)中，rA為A天線的偽距單點(diǎn)定位坐標(biāo)，單位為米;rAB,dd為A、B天線間的雙差載 波相位定位矢量，單位為米;rk為k號(hào)衛(wèi)星的坐標(biāo)，單位為米;round表示四舍五入圓整運(yùn)算； 卜11表示取模運(yùn)算；
[0024] 將式(3)求得單差載波相位模糊度代入單差載波相位觀測(cè)方程式(2)，并以天線B 作為初始坐標(biāo)進(jìn)行線性化，得到k號(hào)衛(wèi)星無(wú)單差模糊度參數(shù)的線性單差載波相位觀測(cè)方程。 將所有可見衛(wèi)星的單差載波相位觀測(cè)方程按上述方法去掉模糊度參數(shù)，可得到無(wú)去單差模 糊度參數(shù)的單差載波相位觀測(cè)方程，
[0025] Z= (HA)drAB+l · lb+e (4)
[0026] 式(4)中，Z為所有可見衛(wèi)星單差觀測(cè)方程線性化后的線性自由項(xiàng)，單位為周；Η為 視線矩陣;drAB為Α、Β天線間雙差基線矢量的改正數(shù)，單位為米；1所有元素為1的列向量，維 數(shù)為可見衛(wèi)星個(gè)數(shù)。
[0027] 線性自由項(xiàng)Z和視線矩陣Η的表達(dá)式為：
[0028]
[0029] 式中，k為衛(wèi)星號(hào)k = l，2，···；^為天線Β到k號(hào)衛(wèi)星的單位矢量。
[0030]本發(fā)明中，步驟S4的具體方法是：
[0031] 1)建立線纜偏差預(yù)報(bào)信息與單差載波信息融合測(cè)量更新方程：
[0032] 聯(lián)立線纜偏差時(shí)間更新預(yù)報(bào)方程和去單差模糊度參數(shù)的單差載波相位觀測(cè)方程；
[0033] 設(shè)單差載波相位的觀測(cè)方差陣為C〇V(e)=R，聯(lián)立單差觀測(cè)方程式(4)和線纜預(yù)報(bào) 方程式(1)，得
[0034]
[0035]
[0036]
[0037] 根據(jù)最小二乘得濾波的線纜偏差及相對(duì)定位矢量改正數(shù)為
[0038]
[0039] 式中，drAB為相對(duì)定位矢量改正數(shù)，WGS84或CGCS2000直角坐標(biāo)系，單位為米;Q r為 相對(duì)定位矢量改正數(shù)的方差陣;Qr, lb為相對(duì)定位矢量改正數(shù)與線纜偏差的協(xié)方差陣;Qlb為 線纜偏差濾波后的方差；
[0040] 根據(jù)雙差載波相位相對(duì)定位矢量rAB,dd以及式(6)計(jì)算的相對(duì)定位矢量改正數(shù)，可 得信息融合測(cè)量更新的相對(duì)位置矢量，為
[0041] rAB = rAB,dd+drAB (7)
[0042] 2)計(jì)算移動(dòng)載體的航向和俯仰角：首先將WGS84或CGCS2000坐標(biāo)系的相對(duì)位置矢 量r AB變化到當(dāng)?shù)乇碧鞏|坐標(biāo)系巧％計(jì)算載體姿態(tài)；
[0043]
(8)
[0044] 式中，Η為航向角;E為俯仰角;be、bu和匕分別北天東坐標(biāo)系《的三個(gè)對(duì)應(yīng)分量。
[0045] 本發(fā)明中，步驟S5的具體方法是:根據(jù)式(6)計(jì)算的線纜偏差lb以及方差Qlb代替步 驟S1中設(shè)定的線纜偏差和方差。
[0046] 本發(fā)明的有益技術(shù)效果：
[0047] 1)解決了線纜偏差由于溫度和機(jī)械力等因素漂移而無(wú)法進(jìn)行常量補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，從 而提高衛(wèi)星實(shí)時(shí)精密定姿精度；
[0048] 2)突破了常規(guī)方法要求定姿設(shè)備處于恒定溫度的限制；
[0049] 3)解決了常規(guī)方法受制于接收機(jī)內(nèi)部通道時(shí)延波動(dòng)而定姿精度難以提升甚至降 低的缺陷，也降低了接收機(jī)內(nèi)部通道時(shí)延穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的要求。
【附圖說(shuō)明】
[0050] 圖1為本發(fā)明的流程圖。
[0051] 圖2為某次試驗(yàn)常規(guī)雙差載波相位定姿方法和本發(fā)明的定姿結(jié)果對(duì)比圖。
[0052] 圖3為某次試驗(yàn)常規(guī)線纜常量補(bǔ)償單差載波相位定姿方法和本發(fā)明的定姿結(jié)果對(duì) 比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0053]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明：
[0054]本發(fā)明一種基于共時(shí)鐘接收機(jī)的實(shí)時(shí)精密定姿方法，其具體步驟如下：
[0055] 1)設(shè)置線纜偏差的初始值和方差
[0056] 如圖1所示，在算法執(zhí)行的第一步需要設(shè)置線纜偏差的大小及其方差。設(shè)線纜偏差 初始值lbo = 0,方差Po=l。
[0057] 2)線纜偏差時(shí)間更新
[0058]如圖1所示，根據(jù)線纜偏差設(shè)定或上一時(shí)刻值及ARMA(1，0)預(yù)報(bào)模型進(jìn)行線纜偏差 時(shí)間更新，得到線纜偏差預(yù)報(bào)值及預(yù)報(bào)方差。設(shè)線纜偏差A(yù)RMA(1，0)模型噪聲為le-12。
[0059] 線纜偏差預(yù)報(bào)值11^為：11^ = 1130 = 0，方差預(yù)報(bào)值為?! = ?〇+〇= l+le-12。
[0060] 3)單差載波相位觀測(cè)方程建立
[0061] 如圖1所示，將雙差載波相位相對(duì)定位的基線矢量代入含單差模糊度的單差載波 相位觀測(cè)方