[发明专利]基于粒子滤波的GNSS实时高精度单差测姿方法

说明书

本发明提供一种基于粒子滤波的GNSS实时高精度单差测姿方法，涉及GNSS导航定位技术领域。本方法包括：初始化若干粒子集；构建GNSS单差相对定位模型；求解模型的待估参数，得到单差模糊度浮点解和方差协方差矩阵；将粒子集内的各粒子值逐个改正到单差模糊度参数的单差模糊度浮点解中，使用最小二乘模糊度降相关平差法固定单差模糊度参数并计算各个粒子对应的Ratio值；更新粒子权值并归一化，计算所有粒子的样本均值和方差；根据样本方差计算有效样本容量，并对下个历元粒子进行预测；将样本均值改正到单差模糊度浮点解中并使用最小二乘模糊度降相关平差法解算单差模糊度参数固定解并计算姿态角。本发明所述的技术方案，提高了姿态测量的精度。

技术领域

本发明涉及GNSS导航定位技术领域，具体而言，涉及基于粒子滤波的GNSS实时高精度单差测姿方法。

背景技术

GNSS(Global Navigation Satellite System，全球导航卫星系统)测姿技术可为陆、海、空、天的移动载体提供实时的三维姿态（航向角、俯仰角以及横滚角）信息，且相较于传统的惯性测量系统，具有长期稳定性好、误差不随时间累积、成本低、体积小、重量轻以及维护简单等优点，在智能交通、精准农业、高精度测绘、航海航空、港口机械等民用领域有着广阔的应用前景。

在GNSS测姿中，利用短基线相对定位技术求解出天线间精确的基线向量是获取载体精确姿态的前提，其观测模型广泛采用双差模型。然而受几何观测条件的限制，基于双差模型获取的垂直方向基线分量精度比平面方向差2~3倍，这就使得与垂直方向基线分量紧密相关的俯仰角和横滚角的精度明显低于航向角，进而严重制约了GNSS测姿技术在实时高精度姿态测量领域的应用能力和水平。

随着共时钟GNSS接收机产品的出现和日益成熟，利用其两端接收机钟差相同的特性，可以采用单差观测模型提升基线向量和姿态角测量的精度。目前已有的方法或是将相位线缆偏差参数与模糊度参数进行参数重组而只能固定双差模糊度，或是事后处理模式而无法应用于实时测姿应用中，尚未有有效的实时快速准确估计方法。

发明内容

本发明解决的问题是如何获取高精度的基线向量和姿态测量结果。

为解决上述问题，本发明提供一种基于粒子滤波的GNSS实时高精度单差测姿方法，包括如下步骤：初始化若干粒子集；通过共时钟接收机获取相位和伪距观测值，根据所述相位和所述伪距观测值构建GNSS单差相对定位模型；求解所述GNSS单差相对定位模型的待估参数，得到单差模糊度浮点解和方差协方差矩阵；将所述粒子集内的各粒子值逐个改正到单差模糊度参数的单差模糊度浮点解中，使用最小二乘模糊度降相关平差法固定单差模糊度参数，并计算各个粒子对应的Ratio值；根据所述Ratio值更新粒子权值并归一化，得到所有粒子的样本均值和样本方差；根据所述样本方差计算有效样本容量，判断是否需要对粒子进行重采样，并对下个历元粒子进行预测；将所述样本均值作为相位的线缆偏差值改正到所述单差模糊度浮点解中，并使用最小二乘模糊度降相关平差法解算单差模糊度参数固定解；根据所述单差模糊度参数固定解计算基线向量固定解，根据所述基线向量固定解解算得到姿态角。

可选地，所述根据所述相位和所述伪距观测值构建GNSS单差相对定位模型，具体包括：基于共时钟接收机输出的GNSS单频载波相位与伪距观测值建立接收机和卫星的非差伪距和载波相位观测方程；根据所述非差伪距和载波相位观测方程建立基于共时钟接收机的单差伪距和载波相位观测方程；根据所述共时钟接收机的单差伪距和载波相位观测方程构建线性化后的基于共时钟接收机的GNSS单差相对定位模型。

可选地，所述求解所述GNSS单差相对定位模型的待估参数，得到单差模糊度浮点解和方差协方差矩阵，具体包括：

建立GNSS单差相对定位模型对应的方差协方差矩阵；

GNSS单差相对定位模型中的随机模型使用高度角模型，对于每个卫星到接收机的非差观测值，根据第一公式计算所述非差观测值的方差，其中所述第一公式包括：