[发明专利]一种基于载波平滑码伪距技术的动态定姿方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于载波平滑码伪距技术的动态定姿方法，属于卫星定向定姿技术领域。

背景技术

姿态测量一般应用于卫星、航天器、载人机、无人机、船舶、汽车等高动态的载体上，这些载体要求姿态测量系统具有精度高、实时性强、安装方便等特点。高精度实时姿态解算系统对于国防和航空航天领域具有重要的战略意义和应用价值。

全球定位系统(GPS)具有全球性、全天候和连续的精密三维定位能力。近十余年，GPS已经广泛应用到各种领域。GPS精密定位包括两大方向，即单点定位和两点之间的相对定位。姿态解算本质上是研究空间两点之间的相对几何位置关系，因此借助GPS信号进行高精度相对定位能够完成姿态解算。

利用GPS信号进行姿态测量相比于传统的惯性器件解算姿态具有体积小、成本低、无累积误差等优势，因此其已经成为当前姿态测量的主要手段之一。

利用GPS实现高精度相对定位，必须采用测量误差在毫米级的载波相位观测值，采用双差载波相位观测方程能够有效地减小电离层和对流层误差，轨道误差，卫星和接收机时钟误差，是姿态测量中通常使用的基本模型。但由于载波是一种周期性的正弦信号，进行相位测量时存在着观测信号的整周模糊度和整周跳变问题，这正是载波相位测量的技术难点。

目前，求解载体姿态较为成熟的有两种方法，一种是模糊度函数法(AFM)，优点是可以单历元解算，不用考虑周跳问题，缺点是计算量非常大，上海交通大学的王永泉博士在其博士论文《长航时高动态条件下GPS/GLONASS姿态测量研究》中对该方法进行改进，大大减小了计算量，但是成功率仍然有待提高；另外一种是LAMBDA算法，该方法最初由Delft理工大学的P.J.G Teunissen教授提出，后来多个学者进行研究和改进，在学术界应用广泛，LAMBDA算法的优点是估计整周模糊度的最有效的方法，但该方法在实际应用中也存在一些缺点，第一，LAMBDA算法需要事先求得整周模糊度的浮点解和浮点解的方差协方差矩阵，对于单频接收机而言，浮点解的获取往往需要多个历元的观测数据，即需要一定的初始化时间，且利用多个历元解算基线坐标，必须保证每个历元求解过程中卫星数目不发生变化，且不能出现周跳，但载体在运动过程中，不可避免的受到各种障碍物的遮挡而导致接收机失锁而发生周跳，或者卫星因遮挡而“不可见”。第二，LAMBDA算法在静态基线姿态测量上已经较为成熟，由于基线坐标在任何时刻保持不变，容易利用最小二乘求解浮点解和LAMBDA算法估计初始整周模糊度，通常可在几分钟内求解基线坐标及姿态角，但在动态情况下，基线坐标在不同时刻都对应着不同的未知量，经典最小二乘法和LAMBDA算法不能直接应用，目前现有的方法都需要较长的初始化时间来完成模糊度收敛到整数解的过程，不利于实际工程应用；第三，LAMBDA算法求解载体姿态的成功率对浮点解的精度敏感，浮点解精度越高，成功率越高；第四，采用LAMBDA算法，仅利用载波相位观测量在单历元内求解，会遇到观测方程的亏秩问题，无法得到模糊度浮点解。

本发明为了保证成功率，依然采用LAMBDA算法，同时为了克服LAMBDA算法的缺点，采用单历元解算，采用新的方法解决单历元求解浮点解所遇到的亏秩问题。即利用不存在整周模糊度和周跳的问题的码观测值，虽然其测量精度比载波要低2～3个数量级，直接用其进行高精度相对定位是行不通的，但码观测方程经过变换可以辅助载波相位观测方程进行求解，使得单历元可以求解浮点解。理论上，码观测值的精度越高，那么对载波相位观测方程的辅助作用越强，姿态解算的成功率越高，而利用载波平滑码伪距技术可以提高码观测值的精度，从而有利于提高整周模糊度估计的成功率，进而提高动态测姿算法的性能。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服背景技术的不足，提供一种基于载波平滑码伪距技术的动态定姿方法，本发明利用伪码观测量辅助载波相位观测方程进行单历元姿态解算，避免了考虑多个历元求解中必须考虑的周跳检测与修复问题，并且不存在初始化时间问题；由于只用了某个时刻的观测数据，即能求出该时刻的姿态姿态，所以本发明能够有效地用于实时动态姿态测量；本发明利用码观测量辅助载波相位观测量，解决了单历元求解模糊度浮点解所遇到的亏秩问题，并且能够利用载波相位平滑码伪距的技术提高码观测量的精度，并结合扩大模糊度候选解空间的方法，进一步提高载体姿态求解的成功率。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现：基于载波平滑码伪距技术的动态定姿算法方法，实现步骤如下：