專利名稱：一種短基線下基于分級(jí)小型搜索空間添加的tcar改進(jìn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于一般性的三載波整周模糊度求解方案，針對(duì)方案中寬巷與L5頻段模糊度取整估計(jì)過程易出現(xiàn)誤差過大而遺漏正確解的問題，在此兩關(guān)鍵步驟中各加入小型模糊度搜索空間，并每步通過先驗(yàn)天線配置信息，過濾錯(cuò)誤結(jié)果，減少最終整體解算時(shí)間，最后由解算模糊度推導(dǎo)載體實(shí)時(shí)姿態(tài)。屬于衛(wèi)星導(dǎo)航定位定姿領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著衛(wèi)星定位導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展，利用衛(wèi)星觀測(cè)信號(hào)實(shí)現(xiàn)載體姿態(tài)實(shí)時(shí)解算技術(shù)因?yàn)槠涑杀镜土⒕容^高等優(yōu)點(diǎn)，成為衛(wèi)星導(dǎo)航定位定姿領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。由于姿態(tài)求解對(duì)精度存在較高要求，衛(wèi)星定姿過程中需要使用觀測(cè)噪聲小的載波相位作為觀測(cè)量運(yùn)算，從而不可避免地遇到載波整周模糊度求解問題。因此，快速準(zhǔn)確的整周模糊度求解方法對(duì)衛(wèi)星定姿技術(shù)發(fā)展具有重要意義。國(guó)內(nèi)外對(duì)整周模糊求解進(jìn)行了諸多研究。Counselman提出模糊度函數(shù)法AFM(Ambiguity Function Method),并由Remondi將其應(yīng)用于GPS數(shù)據(jù)處理。 這種方法基于初始值精度較高的前提，通過對(duì)幾分鐘觀測(cè)數(shù)據(jù)采取特定搜索策略，直接求點(diǎn)位的精確解，再反算出一組整周模糊度。Frei等人提出整周模糊度快速逼近法FARA (Fast Ambiguity Resolution Approach)。它以統(tǒng)計(jì)理論為基礎(chǔ),在某一估值的解空間內(nèi)搜索一組方差和為最小的似然整周模糊度解集，并判斷其優(yōu)于其他解集的顯著性。Tenuissen提出 LAMBDA (Least-squares Ambiguity Decorrelation Adjustment)方法，其主要特點(diǎn)是利用高斯整數(shù)變換去方差相關(guān)性來(lái)構(gòu)造合適的搜索范圍，在保持精度的基礎(chǔ)上，減少搜索時(shí)間。 以上整周模糊度解算方法用于實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)姿態(tài)求解，運(yùn)算量較大，求解時(shí)間較長(zhǎng)。Harris等人提出利用三頻整周模糊度求解(TCAR)方法，這一方法過程簡(jiǎn)單，運(yùn)算量小，但是需要三個(gè)頻段的載波觀測(cè)信息。而現(xiàn)代化的GPS系統(tǒng)、未來(lái)建成的GALILEO、 GL0NASS與北斗二代導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)都采用擁有多頻段的信號(hào)，使這一算法的實(shí)現(xiàn)應(yīng)用成為可能。然而TCAR法仍存在一個(gè)較大問題，那就是整體的求解成功率較低，這將限制其在可靠性要求高的姿態(tài)求解方面的應(yīng)用。附錄文獻(xiàn)文獻(xiàn)I :劉建業(yè)，曾慶化，趙偉，熊智等.導(dǎo)航系統(tǒng)理論與應(yīng)用[M].西安西北工業(yè)大學(xué)出版社，2010.文獻(xiàn)2 :謝鋼.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京電子工業(yè)出版社，2009.文獻(xiàn)3 :吳美平，胡小平.衛(wèi)星定向技術(shù)[M].長(zhǎng)沙，安徽大學(xué)出版社，2002.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服傳統(tǒng)三頻整周模糊度求解方法(TCAR)求解成功率低的缺陷，提供了一種短基線下基于分級(jí)小型搜索空間添加的TCAR改進(jìn)方法，該方法在傳統(tǒng)TCAR逐級(jí)逼近整周模糊度的后兩級(jí)過程中各加入一小型搜索空間和篩選步驟，保持運(yùn)算時(shí)間較短的情況下，大大增加解算成功率。該發(fā)明適用于短基線下利用衛(wèi)星信號(hào)對(duì)載體姿態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)解算過程。本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述目的，采用如下技術(shù)方案一種短基線下基于分級(jí)小型搜索空間添加的TCAR改進(jìn)方法，包括如下步驟第一步信息初始化，確定系統(tǒng)原始三段頻率信號(hào)頻率及波長(zhǎng)，構(gòu)造超寬巷、寬巷線性組合虛擬信號(hào)，獲取相應(yīng)頻率及波長(zhǎng)。第二步根據(jù)星歷信息與測(cè)碼偽距信息，推算載體粗坐標(biāo)，通過遮蔽角篩選后，從可見衛(wèi)星中以⑶OP值最小為標(biāo)準(zhǔn)選取幾何構(gòu)形理想的四顆衛(wèi)星作為主星，并計(jì)算主星相對(duì)載體的觀測(cè)矢量；第三步選取基礎(chǔ)頻段主星對(duì)載體的測(cè)碼偽距值，對(duì)虛擬超寬巷信號(hào)波長(zhǎng)進(jìn)行整除取整，結(jié)合超寬巷載波相位觀測(cè)值，反推基于超寬巷信號(hào)的偽距值；第四步將第三步中獲取的偽距值，對(duì)虛擬寬巷信號(hào)波長(zhǎng)進(jìn)行整除取整，加入小型搜索空間，使寬巷整周模糊度值上下各存有差值為I浮動(dòng)裕度，并結(jié)合先驗(yàn)天線長(zhǎng)度信息， 剔除誤差超過三倍觀測(cè)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的寬巷整周模糊度組合，反推基于寬巷信號(hào)的偽距值；第五步將第四步中獲取的偽距值組合，對(duì)L5頻段信號(hào)波長(zhǎng)整除取整，獲取相應(yīng)整周模糊度備選值組合，并對(duì)所有相應(yīng)組合的備選值再次添加上下差值各為I的小型搜索空間；第六步根據(jù)先驗(yàn)天線長(zhǎng)度與結(jié)構(gòu)配置，遍歷篩選L5頻段整周模糊度組合，選取殘差最小的模糊度組合作為正確解算結(jié)果，并反推其余可見衛(wèi)星整周模糊度，確定基礎(chǔ)頻段的天線單差模糊度；第七步根據(jù)基礎(chǔ)頻段的天線單差模糊度與其相應(yīng)的單差載波相位觀測(cè)值，解算天線在慣性空間下的向量坐標(biāo)，并通過慣性系到載體系的矩陣轉(zhuǎn)換，得到載體姿態(tài)信息。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有益效果體現(xiàn)在本發(fā)明方法相對(duì)一般的整周模糊度求解方法，充分利用三個(gè)頻段的觀測(cè)信息，且運(yùn)算量小，解算時(shí)間短，算法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)。而相對(duì)傳統(tǒng)TCAR法，則通過兩次分級(jí)小搜索空間的加入，使整體解算成功率得到可觀的提升。總體言之，本方法達(dá)到整周模糊度解算時(shí)間與解算成功率兩者協(xié)調(diào)，是一種具備可靠性的整周模糊度實(shí)時(shí)性求解方法，可應(yīng)用于使用GNSS的實(shí)時(shí)載體姿態(tài)確定。


圖I為專利的整體流程圖；圖2為三球交匯定點(diǎn)示意圖；圖3為天線陣列安裝示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明本方法的整體流程圖如圖I所示，為一種基于分級(jí)添加小模糊度搜索空間，改進(jìn)三頻載波相位線性組合求解整周模糊度的方法，適用于載體靜態(tài)或動(dòng)態(tài)姿態(tài)信息的確定實(shí)現(xiàn)。具體方案中，為表述簡(jiǎn)便，將以具備三頻載波的GPS系統(tǒng)為例進(jìn)行說(shuō)明。I.初始信息獲取
由星歷文件獲取GPS衛(wèi)星軌道根數(shù)以及攝動(dòng)參數(shù)，確定GPS衛(wèi)星空間坐標(biāo)。根據(jù)衛(wèi)星信號(hào)與接收機(jī)復(fù)刻信號(hào)之間的延時(shí)差，確定衛(wèi)星與接收機(jī)的距離。受各類誤差噪聲因素影響，該距離結(jié)果實(shí)際為偽距。根據(jù)空間三球交匯鎖定一點(diǎn)原理，三顆衛(wèi)星可確定接收機(jī)坐標(biāo)，其示意圖如圖2所示。另鑒于接收機(jī)時(shí)鐘誤差過大，將其作為未知參數(shù)，帶入觀測(cè)方程求解，則至少需要四顆衛(wèi)星確定接收機(jī)位置。若觀測(cè)衛(wèi)星大于4顆，則構(gòu)成超定觀測(cè)方程
權(quán)利要求
1.一種短基線下基于分級(jí)小型搜索空間添加的TCAR改進(jìn)方法，包括如下步驟第一步信息初始化，確定系統(tǒng)原始三段頻率信號(hào)頻率及波長(zhǎng)，構(gòu)造超寬巷、寬巷線性組合虛擬信號(hào)，獲取超寬巷、寬巷線性組合虛擬信號(hào)頻率及波長(zhǎng)；第二步根據(jù)星歷信息與測(cè)碼偽距信息，推算載體粗坐標(biāo)，通過遮蔽角篩選后，從可見衛(wèi)星中以⑶OP值最小為標(biāo)準(zhǔn)選取幾何構(gòu)形理想的四顆衛(wèi)星作為主星，并計(jì)算主星相對(duì)載體的觀測(cè)矢量；第三步選取主星對(duì)載體基礎(chǔ)頻段最高精度的測(cè)碼偽距值，對(duì)虛擬超寬巷信號(hào)波長(zhǎng)進(jìn)行整除取整，結(jié)合超寬巷載波相位觀測(cè)值，反推基于超寬巷信號(hào)的偽距值；第四步將第三步中獲取的偽距值，對(duì)虛擬寬巷信號(hào)波長(zhǎng)進(jìn)行整除取整，加入小型搜索空間，使寬巷整周模糊度值上下各存有差值為I浮動(dòng)裕度，并結(jié)合先驗(yàn)天線長(zhǎng)度信息，剔除誤差超過三倍觀測(cè)噪聲標(biāo)準(zhǔn)差的寬巷整周模糊度組合，反推基于寬巷信號(hào)的偽距值；第五步將第四步中獲取的偽距值組合，對(duì)基礎(chǔ)頻段信號(hào)波長(zhǎng)整除取整，獲取相應(yīng)整周模糊度備選值組合，并對(duì)所有相應(yīng)組合的備選值再次添加上下差值各為I的小型搜索空間；第六步根據(jù)先驗(yàn)天線長(zhǎng)度與結(jié)構(gòu)配置，遍歷篩選基礎(chǔ)頻段整周模糊度組合，選取殘差最小的模糊度組合作為正確解算結(jié)果，并反推其余可見衛(wèi)星整周模糊度，確定基礎(chǔ)頻段的天線單差模糊度；第七步根據(jù)基礎(chǔ)頻段的天線單差模糊度與其相應(yīng)的單差載波相位觀測(cè)值，解算天線在慣性空間下的向量坐標(biāo)，并通過慣性系到載體系的矩陣轉(zhuǎn)換，得到載體姿態(tài)信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種短基線下基于分級(jí)小型搜索空間添加的TCAR改進(jìn)方法， 其特征在于第三步應(yīng)采用最高精度頻段測(cè)碼偽距值對(duì)其整除估計(jì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種短基線下基于分級(jí)小型搜索空間添加的TCAR改進(jìn)方法， 其特征在于第四步對(duì)寬巷整周模糊度添加小型搜索空間，搜索空間上下浮動(dòng)裕度各為1，若原寬巷整周模糊度為Ni，則搜索空間為[Ni-1，Nwl, Nwl+1]。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種短基線下基于分級(jí)小型搜索空間添加的TCAR改進(jìn)方法， 其特征在于第五步對(duì)取整估計(jì)后的基礎(chǔ)頻段模糊度加入小型搜索空間，搜索空間上下浮動(dòng)裕度各為1，若原基礎(chǔ)整周模糊度為Nbase，則搜索空間為[Nbase-1，Nbase, Nbase+1]。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種短基線下基于分級(jí)小型搜索空間添加的TCAR改進(jìn)方法， 其特征在于第六步，遍歷所有基礎(chǔ)搜索空間，反解算出的天線長(zhǎng)度與結(jié)構(gòu)配置信息，并與先驗(yàn)相應(yīng)值做差對(duì)比，選取最小殘差組合作為正確結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種短基線下基于分級(jí)小型搜索空間添加的三頻載波求解整周模糊度(TCAR)的改進(jìn)方法。本方法根據(jù)TCAR法三頻載波相位線性組合過程中的標(biāo)準(zhǔn)差情況，在寬巷與基礎(chǔ)頻段模糊度確定階段中各加入一個(gè)微小搜索空間，利用基線長(zhǎng)度和結(jié)構(gòu)配置信息進(jìn)行初步篩選，并通過殘差最小法則確定唯一整周模糊度，最終結(jié)合動(dòng)態(tài)載體相對(duì)可見衛(wèi)星的觀測(cè)矢量與載波單差信息，解出載體實(shí)時(shí)姿態(tài)。該方法適合于三頻全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)信號(hào)的定位定姿應(yīng)用。
文檔編號(hào)G01S19/55GK102590843SQ20121000951
公開日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月13日
發(fā)明者劉建業(yè), 孫永榮, 曾慶化, 楊迪 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)