本發(fā)明涉及利用衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)載體進(jìn)行姿態(tài)解算的方法,具體涉及到一種雙天線gps測(cè)姿方法。
背景技術(shù):
為了滿足不同應(yīng)用平臺(tái)對(duì)姿態(tài)信息的需求,目前已有大量的姿態(tài)測(cè)量設(shè)備問世。例如,用于空間載體姿態(tài)測(cè)量的星敏感器、地平跟蹤器、太陽敏感器和地磁儀等;用于為陸上或水下載體提供航向的磁羅盤、電磁羅盤;用于為各種飛行器、陸上運(yùn)輸設(shè)備、艦船、潛器、空間載體提供姿態(tài)信息的慣性器件等等。然而,在對(duì)姿態(tài)角及姿態(tài)變化率進(jìn)行測(cè)量的過程中,上述各種姿態(tài)測(cè)量設(shè)備均存在一定的問題。光學(xué)和紅外線儀器主要用于低動(dòng)態(tài)和靜態(tài)平臺(tái)監(jiān)測(cè),例如星敏感器可以同時(shí)得到多顆觀測(cè)星的視赤經(jīng)、赤緯以及對(duì)應(yīng)在像平面的位置信息,解算出載體在慣性系中的三軸姿態(tài),并且可靠性高,隱蔽性好,精度不隨時(shí)間變化。但星敏感器易受天氣、地形或者其它客觀因素的影響,不能實(shí)時(shí)地給出姿態(tài)或方位值。目前,高精度的實(shí)時(shí)姿態(tài)測(cè)量系統(tǒng)大都采用由陀螺和加速度計(jì)組成的慣性系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),這種系統(tǒng)是自主導(dǎo)航系統(tǒng),不受外界干擾,具有良好的隱蔽性和較強(qiáng)的高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量能力,但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴,當(dāng)工作時(shí)間較長時(shí)慣性器件誤差會(huì)隨時(shí)間積累而引起測(cè)姿精度的降低。
gps在全球范圍內(nèi)的三維精確定位、測(cè)時(shí)、測(cè)速和測(cè)定姿態(tài)的能力,使其成為先進(jìn)的導(dǎo)航系統(tǒng),受到了各國軍方的重視,在衛(wèi)星導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)上投入了大量研究資源,以期提高武器裝備的信息含量。gps測(cè)姿系統(tǒng)只需要利用低成本的接收機(jī)即可以提供較高精度的姿態(tài)信息,以此來取代造價(jià)昂貴的傳統(tǒng)測(cè)姿設(shè)備,同時(shí)還可以完成運(yùn)載體的定位和授時(shí),并且受環(huán)境的影響小,能夠長時(shí)間進(jìn)行高精度測(cè)姿任務(wù),這使得gps姿態(tài)測(cè)量成為近幾年研究的熱點(diǎn)之一。利用gps載波相位觀測(cè)量進(jìn)行定向和定姿的研究為gps開辟了又一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域。
基于gps雙天線測(cè)姿系統(tǒng)具有傳統(tǒng)的姿態(tài)系統(tǒng)所沒有的優(yōu)點(diǎn),不僅能提供載體的位置、航向、速度等基本信息,而且能提供載體的偏航角和俯仰角。但是,在現(xiàn)有技術(shù)gps雙天線測(cè)姿方法中,沒有對(duì)gps定位數(shù)據(jù)進(jìn)行修正,也沒有對(duì)整周模糊度進(jìn)行限制,以此得到的測(cè)姿數(shù)據(jù)精度相對(duì)較低,并且,整周模糊度的搜索范圍較大,需要花費(fèi)較長的搜索時(shí)間。顯然,現(xiàn)有技術(shù)gps雙天線測(cè)姿方法存在著測(cè)姿數(shù)據(jù)精度相對(duì)較低和花費(fèi)較長的整周模糊度搜索時(shí)間等問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
為解決現(xiàn)有技術(shù)gps雙天線測(cè)姿方法存在的測(cè)姿數(shù)據(jù)精度相對(duì)較低和花費(fèi)較長的整周模糊度搜索時(shí)間等問題,本發(fā)明提出一種雙天線gps測(cè)姿方法。
本發(fā)明雙天線gps測(cè)姿方法,在測(cè)姿載體上呈幾何分布設(shè)置兩個(gè)gps信號(hào)接收天線且對(duì)應(yīng)設(shè)置兩臺(tái)接收機(jī),采用gps系統(tǒng)3r定位法確定天線ⅰ的位置坐標(biāo),將天線ⅰ的位置坐標(biāo)定為概略坐標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行修正,確定整周模糊度的值,然后,解算天線ⅱ的位置坐標(biāo),最后,根據(jù)定位出的天線ⅰ的位置坐標(biāo)和天線ⅱ的位置坐標(biāo)確定測(cè)姿載體的偏航角和俯仰角,即進(jìn)行測(cè)姿載體的姿態(tài)角解算。
進(jìn)一步的,本發(fā)明雙天線gps測(cè)姿方法,包括以下步驟:
s1、在測(cè)姿載體上呈幾何分布設(shè)置兩個(gè)gps信號(hào)接收天線且對(duì)應(yīng)設(shè)置兩臺(tái)接收機(jī),即天線ⅰ和天線ⅱ,接收機(jī)ⅰ和接收機(jī)ⅱ;
s2、利用gps系統(tǒng)3r定位法確定天線ⅰ的位置坐標(biāo);
s3、將天線ⅰ的位置坐標(biāo)設(shè)定為概略坐標(biāo),根據(jù)偽距線性誤差方程對(duì)天線ⅰ的位置坐標(biāo)進(jìn)行修正;
s4、根據(jù)天線ⅰ與天線ⅱ之間的基線長度與載波波長的關(guān)系確定整周模糊度搜索范圍,再進(jìn)一步確定整周模糊度的值;
s5、將修正后的天線ⅰ的位置坐標(biāo)作為天線ⅱ位置坐標(biāo)的概略坐標(biāo),根據(jù)雙差,最小二乘法定位出天線ⅱ的位置坐標(biāo);
s6、根據(jù)定位出的天線ⅰ的位置坐標(biāo)和天線ⅱ位置坐標(biāo)確定測(cè)姿載體的偏航角和俯仰角,即進(jìn)行測(cè)姿載體的姿態(tài)角解算。
進(jìn)一步的,所述步驟s2中利用gps系統(tǒng)3r定位法確定天線ⅰ的位置坐標(biāo),包括,通過空間中三顆衛(wèi)星為原點(diǎn)以各自到接收機(jī)ⅰ的距離為半徑得到三個(gè)球面的相交點(diǎn),確定天線ⅰ位置坐標(biāo)在空間中的位置;設(shè)天線ⅰ利用到達(dá)時(shí)間分別測(cè)定gps系統(tǒng)中的三顆衛(wèi)星s1、s2和s3到天線ⅰ位置的分別距離為p1、p2和p3;天線ⅰ的接收機(jī)ⅰ利用導(dǎo)航電文計(jì)算得到s1、s2和s3三顆衛(wèi)星的位置分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3);根據(jù)距離交匯法求解天線ⅰ三維坐標(biāo)的觀測(cè)方程為:
其中,(x,y,z)為天線ⅰ的坐標(biāo)位置;根據(jù)上式解算出的天線ⅰ位置坐標(biāo)為(x1,y1,z1)。
進(jìn)一步的,所述步驟s3中,將天線ⅰ的位置坐標(biāo)設(shè)定為概略坐標(biāo),根據(jù)偽距線性誤差方程對(duì)天線ⅰ的位置坐標(biāo)進(jìn)行修正,包括,
將步驟s2解算出的天線ⅰ的位置坐標(biāo)(x1,y1,z1)設(shè)定為概略坐標(biāo)(x'1,y'1,z'1),設(shè)概略位置與真實(shí)位置之間的偏移記為(δx,δy,δz),可得偽距定位線性誤差方程為:
其中,
解算該方程組得到修正后的天線ⅰ的位置坐標(biāo)(x'1,y'1,z'1)。
進(jìn)一步的,所述步驟s4中,根據(jù)天線ⅰ與天線ⅱ之間的基線長度與載波波長的關(guān)系確定整周模糊度搜索范圍,再進(jìn)一步確定整周模糊度的值,包括,設(shè)在時(shí)刻t,接收機(jī)ⅰ和接收機(jī)ⅱ同步觀測(cè)到衛(wèi)星j,得到兩個(gè)載波觀測(cè)方程;
式中,
再讓接收機(jī)ⅰ和接收機(jī)ⅱ同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星k,將再次得到的單差方程與上面的公式進(jìn)行作差,得到的雙差方程如下公式:
式中,
由此得到:
由于天線ⅰ和天線ⅱ之間的基線長度小于載波波長的1/2,
對(duì)
進(jìn)一步的,所述步驟s5中,將修正后的天線ⅰ的位置坐標(biāo)作為天線ⅱ位置坐標(biāo)的概略坐標(biāo),根據(jù)雙差,最小二乘法定位出天線ⅱ的位置坐標(biāo),包括,設(shè)接收機(jī)ⅰ為基準(zhǔn)站,天線ⅰ為主天線,接收機(jī)ⅱ為流動(dòng)站,天線ⅱ為從天線,將修正后的天線ⅰ的位置坐標(biāo)(x'1,y'1,z'1)作為天線ⅱ的概略坐標(biāo),設(shè)天線ⅱ的概略坐標(biāo)為(x'2,y'2,z'2)其中(x'2,y'2,z'2)=(x'1,y'1,z'1),真實(shí)坐標(biāo)為(x2,y2,z2),概略坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的偏移記為(δx',δy',δz');將天線ⅱ與衛(wèi)星j和k之間的距離
因?yàn)榛€長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于天線與衛(wèi)星的距離,因此,選用天線ⅰ的坐標(biāo)作為天線ⅱ的概略坐標(biāo),式中(x'2,y'2,z'2)為天線ⅱ的概略坐標(biāo),即為步驟s3中求出的天線ⅰ的修正后位置坐標(biāo)(x'1,y'1,z'1),
令
整理得到:
所以得出
其中,
進(jìn)一步的,所述步驟s6中,根據(jù)定位出的天線ⅰ的位置坐標(biāo)和天線ⅱ位置坐標(biāo)確定測(cè)姿載體的偏航角和俯仰角,即進(jìn)行姿態(tài)解算,包括,設(shè)天線ⅰ為點(diǎn)a,天線ⅱ為點(diǎn)b,天線ⅱ與天線ⅱ組成向量
δx=x2-x1
δy=y(tǒng)2-y1
δz=z2-z1
由上述公式可以解算出偏航角
本發(fā)明雙天線gps測(cè)姿方法的有益技術(shù)效果是先對(duì)天線ⅰ的位置坐標(biāo)進(jìn)行了修正,在一定程度上提高了定位精度;其次,在整周模糊度值的確定上,采用波長對(duì)整周模糊度的搜索區(qū)間進(jìn)行限制,降低了整周模糊度的搜索范圍和時(shí)間復(fù)雜度;在此基礎(chǔ)上完成測(cè)姿載體的姿態(tài)角解算,從而提高了測(cè)姿的精確度和及時(shí)性。
附圖說明
圖1為測(cè)姿載體的三維姿態(tài)示意圖;
圖2為測(cè)姿載體的姿態(tài)角示意圖。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明雙天線gps測(cè)姿方法作進(jìn)一步的說明。
具體實(shí)施方式
顯而易見地,下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例,應(yīng)當(dāng)理解,此處所描述的優(yōu)選實(shí)施例僅用于說明和解釋本發(fā)明,并不用于限定本發(fā)明。
附圖1為測(cè)姿載體的三維姿態(tài)示意圖,附圖2為測(cè)姿載體的姿態(tài)角示意圖。由圖可知,本發(fā)明雙天線gps測(cè)姿方法,在測(cè)姿載體上呈幾何分布設(shè)置兩個(gè)gps信號(hào)接收天線且對(duì)應(yīng)設(shè)置兩臺(tái)接收機(jī),采用gps系統(tǒng)3r定位法確定天線ⅰ的位置坐標(biāo),將天線ⅰ的位置坐標(biāo)定為概略坐標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行修正,確定整周模糊度的值,然后,解算天線ⅱ的位置坐標(biāo),最后,根據(jù)定位出的天線ⅰ的位置坐標(biāo)和天線ⅱ的位置坐標(biāo)確定測(cè)姿載體的偏航角和俯仰角,即進(jìn)行測(cè)姿載體的姿態(tài)角解算。
本發(fā)明雙天線gps測(cè)姿方法,包括以下步驟:
s1、在測(cè)姿載體上呈幾何分布設(shè)置兩個(gè)gps信號(hào)接收天線且對(duì)應(yīng)設(shè)置兩臺(tái)接收機(jī),即天線ⅰ和天線ⅱ,接收機(jī)ⅰ和接收機(jī)ⅱ;
s2、利用gps系統(tǒng)3r定位法確定天線ⅰ的位置坐標(biāo);
s3、將天線ⅰ的位置坐標(biāo)設(shè)定為概略坐標(biāo),根據(jù)偽距線性誤差方程對(duì)天線ⅰ的位置坐標(biāo)進(jìn)行修正;
s4、根據(jù)天線ⅰ與天線ⅱ之間的基線長度與載波波長的關(guān)系確定整周模糊度搜索范圍,再進(jìn)一步確定整周模糊度的值;
s5、將修正后的天線ⅰ的位置坐標(biāo)作為天線ⅱ位置坐標(biāo)的概略坐標(biāo),根據(jù)雙差,最小二乘法定位出天線ⅱ的位置坐標(biāo);
s6、根據(jù)定位出的天線ⅰ的位置坐標(biāo)和天線ⅱ位置坐標(biāo)確定測(cè)姿載體的偏航角和俯仰角,即進(jìn)行測(cè)姿載體的姿態(tài)角解算。
作為優(yōu)選,所述步驟s2中利用gps系統(tǒng)3r定位法確定天線ⅰ的位置坐標(biāo),包括,通過空間中三顆衛(wèi)星為原點(diǎn)以各自到接收機(jī)ⅰ的距離為半徑得到三個(gè)球面的相交點(diǎn),確定天線ⅰ位置坐標(biāo)在空間中的位置;設(shè)天線ⅰ利用到達(dá)時(shí)間分別測(cè)定gps系統(tǒng)中的三顆衛(wèi)星s1、s2和s3到天線ⅰ位置的分別距離為p1、p2和p3;天線ⅰ的接收機(jī)ⅰ利用導(dǎo)航電文計(jì)算得到s1、s2和s3三顆衛(wèi)星的位置分別為(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3);根據(jù)距離交匯法求解天線ⅰ三維坐標(biāo)的觀測(cè)方程為:
其中,(x,y,z)為天線ⅰ的坐標(biāo)位置;根據(jù)上式解算出的天線ⅰ位置坐標(biāo)為(x1,y1,z1)。
作為優(yōu)選,所述步驟s3中,將天線ⅰ的位置坐標(biāo)設(shè)定為概略坐標(biāo),根據(jù)偽距線性誤差方程對(duì)天線ⅰ的位置坐標(biāo)進(jìn)行修正,包括,
將步驟s2解算出的天線ⅰ的位置坐標(biāo)(x1,y1,z1)設(shè)定為概略坐標(biāo)(x'1,y'1,z'1),設(shè)概略位置與真實(shí)位置之間的偏移記為(δx,δy,δz),可得偽距定位線性誤差方程為:
其中,
解算該方程組得到修正后的天線ⅰ的位置坐標(biāo)(x'1,y'1,z'1)。
作為優(yōu)選,所述步驟s4中,根據(jù)天線ⅰ與天線ⅱ之間的基線長度與載波波長的關(guān)系確定整周模糊度搜索范圍,再進(jìn)一步確定整周模糊度的值,包括,設(shè)在時(shí)刻t,接收機(jī)ⅰ和接收機(jī)ⅱ同步觀測(cè)到衛(wèi)星j,得到兩個(gè)載波觀測(cè)方程;
式中,
再讓接收機(jī)ⅰ和接收機(jī)ⅱ同時(shí)觀測(cè)衛(wèi)星k,將再次得到的單差方程與上面的公式進(jìn)行作差,得到的雙差方程如下公式:
式中,
由此得到:
由于天線ⅰ和天線ⅱ之間的基線長度小于載波波長的1/2,
對(duì)
作為優(yōu)選,所述步驟s5中,將修正后的天線ⅰ的位置坐標(biāo)作為天線ⅱ位置坐標(biāo)的概略坐標(biāo),根據(jù)雙差,最小二乘法定位出天線ⅱ的位置坐標(biāo),包括,設(shè)接收機(jī)ⅰ為基準(zhǔn)站,天線ⅰ為主天線,接收機(jī)ⅱ為流動(dòng)站,天線ⅱ為從天線,將修正后的天線ⅰ的位置坐標(biāo)(x'1,y'1,z'1)作為天線ⅱ的概略坐標(biāo),設(shè)天線ⅱ的概略坐標(biāo)為(x'2,y'2,z'2),其中(x'2,y'2,z'2)=(x'1,y'1,z'1),真實(shí)坐標(biāo)為(x2,y2,z2),概略坐標(biāo)與真實(shí)坐標(biāo)的偏移記為(δx',δy',δz');將天線ⅱ與衛(wèi)星j和k之間的距離
因?yàn)榛€長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于天線與衛(wèi)星的距離,因此,選用天線ⅰ的坐標(biāo)作為天線ⅱ的概略坐標(biāo),式中(x'2,y'2,z'2)為天線ⅱ的概略坐標(biāo),即為步驟s3中求出的天線ⅰ的修正后位置坐標(biāo)(x'1,y'1,z'1),
令
整理得到:
所以得出
其中,
作為優(yōu)選,所述步驟s6中,根據(jù)定位出的天線ⅰ的位置坐標(biāo)和天線ⅱ位置坐標(biāo)確定測(cè)姿載體的偏航角和俯仰角,即進(jìn)行姿態(tài)解算,包括,設(shè)天線ⅰ為點(diǎn)a,天線ⅱ為點(diǎn)b,天線ⅱ與天線ⅱ組成向量
δx=x2-x1
δy=y(tǒng)2-y1
δz=z2-z1
由上述公式可以解算出偏航角
顯然,本發(fā)明雙天線gps測(cè)姿方法的有益技術(shù)效果是先對(duì)天線ⅰ的位置坐標(biāo)進(jìn)行了修正,在一定程度上提高了定位精度;其次,在整周模糊度值的確定上,采用波長對(duì)整周模糊度的搜索區(qū)間進(jìn)行限制,降低了整周模糊度的搜索范圍和時(shí)間復(fù)雜度;在此基礎(chǔ)上完成測(cè)姿載體的姿態(tài)角解算,從而提高了測(cè)姿的精確度和及時(shí)性。