[发明专利]一种GNSS多天线与INS紧组合定位定姿方法和设备

权利要求书

1.一种GNSS多天线与INS紧组合定位定姿方法，其特征在于，包括：

步骤1，通过杠杆臂向量和旋转矩阵，将多个GNSS天线的坐标参数归化到惯导中心坐标参数，构建以惯导中心处的位置向量和速度向量表示的双差载波和双差伪距率量测方程；

步骤2，顾及多天线GNSS观测值组成双差观测值时的相关性，利用误差传播定律构建GNSS多天线与INS紧组合系统观测值的协方差矩阵；

其中，利用误差传播定律构建GNSS多天线与INS紧组合系统观测值的协方差矩阵的方法为：

首先，设有n个天线和m颗卫星；将天线和卫星,之间的双差观测值表示为，将任意天线对任意卫星的原始观测值表示为，则由误差传播定律可得原始非差观测值与双差观测值之间的关系为：

然后，根据上述关系式计算其中的转化矩阵为：

其中，表示维的零矩阵，的具体表达为：

最后，根据转化矩阵以及原始非差观测值的协方差矩阵，确定组合系统观测值的协方差矩阵为：

；

步骤3，根据步骤1得到的双差载波和双差伪距率量测方程，以及步骤2得到的多天线观测协方差矩阵，构建得到GNSS多天线与INS紧组合系统的基于变量改正数的量测方程；

步骤4，以惯导中心处的位置、速度、姿态、传感器零偏及比例因子的误差作为系统的状态向量，采用一阶高斯马尔科夫过程建立系统状态方程；

步骤5，根据上述量测方程和系统状态方程进行卡尔曼滤波解算，得到惯导中心在每个时刻的位置、速度、姿态的最优估计。

2.根据权利要求1所述的定位定姿方法，其特征在于，将GNSS天线的坐标参数归化到惯导中心坐标参数的方法为：

其中，、分别表示天线的位置向量和速度向量，、分别表示惯导中心的位置向量和速度向量；是方向余弦矩阵，即旋转矩阵；是天线的杠杆臂向量；是IMU输出的三维角速度的反对称矩阵，即，为反对称阵算子；是地球自转角速度的反对称矩阵。

3.根据权利要求2所述的定位定姿方法，其特征在于，构建以惯导中心处的位置向量和速度向量表示的双差载波和双差伪距率方程，表示为：

其中，为天线处星间单差视线向量矩阵，它是一个维的矩阵，为观测卫星总数减去所采用的卫星系统数；为中间量，为由相应载波波长构成的非零对角阵，表示天线之间双差观测噪声；表示天线之间双差载波观测值，表示天线之间的双差伪距率观测值；代表双差模糊度向量。

4.根据权利要求1所述的定位定姿方法，其特征在于，步骤3得到的量测方程表示为：

其中，表示变量的改正数；表示GNSS天线组合系统的观测向量，包括GNSS系统观测得到的载波和伪距率，表示观测向量的改正数，由GNSS的载波和伪距率与惯导推算的载波和伪距率做差得到；表示状态向量的改正；表示观测向量改正数与状态向量改正数之间的联系矩阵；表示白噪声；表示观测值的协方差矩阵；

状态向量为：

其中，为载体三维位置向量，定为惯导参考中心；代表速度向量；代表姿态向量；代表加速度计零偏；代表陀螺零偏；代表加速度计比例因子；代表陀螺比例因子；代表双差模糊度向量。

5.根据权利要求4所述的定位定姿方法，其特征在于，观测向量改正数和联系矩阵分别为：

其中，表示主天线，表示个辅天线，表示个基准站；表示下标之间的双差载波观测值，表示下标之间的双差伪距率观测值；表示下标相关的双差向量改正数与状态向量改正数之间的联系矩阵，且有：

其中，为中间量，，为天线处星间单差视线向量矩阵，为天线处星间单差视线向量矩阵，表示维的零矩阵，为由相应载波波长构成的非零对角阵，各中间变量的具体表达如下：

式中，是方向余弦矩阵，即旋转矩阵；是天线的杠杆臂向量；是天线的杠杆臂向量；是IMU输出的三维角速度的反对称矩阵，即，为反对称阵算子；是地球自转角速度的反对称矩阵。