[发明专利]一种基于正交变换的姿态测量方法和设备

说明书

本发明适用于卫星导航领域，提供了一种基于正交变换的姿态测量方法和设备。本发明利用初始的基线配置和正交变换，将基线解算和姿态矩阵解算进行融合，得到一种直接的姿态矩阵解算，消除了两步计算过程中的分步误差，并且保证了姿态矩阵解算结果的正交性，提高了姿态角解算的精度和可靠性。

技术领域

本发明属于卫星导航领域，尤其涉及一种基于正交变换的姿态测量方法和设备。

背景技术

近年来，全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System)已经取得了突飞猛进的发展，基于全球导航卫星系统进行的姿态测量已经广泛应用于军事和民用的各个领域。目前主要使用的姿态测量方法是基于载波相位差分技术的，主要包含两种方法，一种是通过姿态矩阵进行解算，通过利用天线接收到的卫星观测值，建立多颗卫星(至少4颗)定位方程组，通过求解超定方程得到基线坐标，利用基线坐标在不同坐标系下的转换关系得到姿态旋转矩阵，进而得到姿态角。但是此过程中需要包含基线坐标以及姿态转换矩阵的解算，使得求得的姿态角中包含两步误差，并且求得的姿态矩阵通常不具备正交性。另一种是直接法，利用已知的天线位置和姿态角之间的关系，直接求解姿态角。既不用计算基线在载体坐标系下的位置也不用计算姿态矩阵，因而不包含分步误差。但是在建立观测模型的过程中，所有天线在载体坐标下Z轴分量为0，使得矩阵不满秩，解得的姿态结果不可靠。综上所述，这两种算法使得姿态解算的结果精度不高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于正交变换的姿态测量方法、设备和计算机可读存储介质，旨在解决现有技术的方法使得求得的姿态角中包含两步误差，并且求得的姿态矩阵通常不具备正交性，矩阵不满秩，解得的姿态结果不可靠的问题。

第一方面，本发明提供了一种基于正交变换的姿态测量方法，所述方法包括：

S101、在刚体上进行配置后的天线接收导航数据，对导航数据进行预处理得到观测值和星历数据；

S102、根据观测值利用正交变换构建模糊度-姿态矩阵的双差模型；

S103、基于模糊度-姿态矩阵的双差模型根据最小二乘法得到模糊度和姿态矩阵的浮点解和以及对应的方差-协方差矩阵并假定在模糊度已知的情况下，得到姿态矩阵的条件最小二乘浮点解和方差矩阵

S104、根据姿态矩阵的条件最小二乘浮点解和方差矩阵建立关于模糊度的目标函数F(Z)以及关于模糊度-姿态矩阵的目标函数F(Z,R)，通过载波相位和伪距观测值引入的方差，对基于目标函数的搜索空间Ω_Z和Ω_F(Z,R)的包含关系进行对比分析，确定搜索的先后顺序，将非椭球空间的搜索转换为对椭球空间的搜索；

S105、基于模糊度的目标函数F(Z)，直接运用LAMBDA算法的搜索方式得到多组模糊度候选解和对应的搜索阈值

S106、利用线性约束下的拉格朗日乘数法代替空间的搜索法对姿态矩阵进行直接求解；

S107、验证姿态矩阵是否满足由初始阈值构成的搜索空间Ω_F(Z,R)，若满足，选取使得阈值最小的一组模糊度-姿态矩阵候选值作为最优解，若不满足，重新进行LAMBDA搜索，重复步骤S105；

S108、经过选取得到最优的姿态矩阵，并利用姿态矩阵的转换得到完整的姿态角。

第二方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如所述的基于正交变换的姿态测量方法的步骤。

第三方面，本发明提供了一种基于正交变换的姿态测量设备，包括：

一个或多个处理器；

存储器；以及